Le développement de systèmes de communication mobile large bande demandent une connaissance des caractéristiques du canal mobile comme celles du profile de puissance, l'angle d'arrivée et la décalage Doppler des trajets multiples. Un sondeur de canal peut réaliser une caractérisation multidimensionnelle du canal à petite échelle afin de l'appliquer à la modélisation stochastique de canal où à l'évaluation des performances de systèmes de communication. Des instruments capables de réaliser un sondage de canaux de propagation SIMO à l'intérieur des bâtiments sont assemblés, notamment, le réflectomètre Cinq-port utilisé comme démodulateur homodyne de signaux RF et des techniques d'estimation à haute résolution comme MUSIC. Un système de formation de faisceaux qui peut réaliser un filtrage spatial pour de nombreuses applications est aussi implémenté utilisant la plupart de ces outils. Le réflectomètre Cinq-port réalise une conversion directe des signaux RF et utilise un troisième mixeur de redondance pour diminuer la dépendance du système au déséquilibre de phase et amplitude de l'oscillateur local. La procédure d'estimation de la réponse spatio-temporelle du canal est basée sur les algorithmes MUSIC et lissage spatial (2D-SS) sur deux dimensions. Le traitement simultané des données sur les domaines de l'espace et de la fréquence nous permet l'estimation conjointe de l'angle d'arrivée et du retard des trajets multiples même en présence des signaux corrélés. La technique de tracée de rayons est implémentée afin de comparer les paramètres du canal calculé de façon déterministe avec ceux déterminés par le sondage de canaux.

Dans le cadre de ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés à un système de télécommunications par satellite intervenant en situation d'urgence. Ce système serait embarqué comme passager d'un satellite géostationnaire travaillant en bande Ka et assurerait la transmission à une flotte de petits terminaux compatibles avec les standards DVB-RCS/S. Les potentialités offertes par l'association de la Formation de Faisceaux par le Calcul (FFC) adaptative et d'une méthode d'Accès Multiple à Répartition Spatiale (AMRS) ont été plus particulièrement étudiées pour une antenne de réception à réflecteur (antenne Focal Array Fed Reflector, FAFR). La combinaison de ces deux techniques permet la mise en place du concept «un spot par utilisateur» assurant ainsi d'une part un niveau maximal de gain en tout point de la couverture et rendant possible d'autre part la réutilisation de ressources grâce à la réjection d'interférence. La première partie de ce travail est consacrée à une étude des algorithmes de FFC. Nous présentons le Formateur Conventionnel et quelques algorithmes adaptatifs, puis, nous analysons les performances de chacun en environnement réel (prise en compte des perturbations du canal de transmission, de celles sur les vecteurs directionnels, du bruit...). Les conditions d'implémentation de ces algorithmes sont également définies. Dans une seconde partie, nous proposons un modèle de système satellite basé sur la formation de faisceaux adaptative par séquence de référence et l'accès AMRS. Les facteurs de réutilisation de ressources permis par les algorithmes retenus sont évalués. Grâce à un algorithme d'allocation de ressources simple et aux facteurs de réutilisation calculés, une première estimation de la capacité et des performances de ce système est réalisée. Une comparaison avec d'autres systèmes montre que celui proposé permet d'augmenter significativement la capacité au prix d'une complexité accrue.

Les objectifs essentiels des opérateurs ferroviaires sont d'augmenter la sécurité, de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance, d'accroître l'attrait et le profit en offrant de nouveaux services aux passagers. Ces objectifs seront atteintsgrâce à une énorme augmentation des échanges de flux de données entre les infrastructures existantes et les technologies présentes utilisées au bord du train. L'efficacité spectrale, l'optimisation des ressources radioélectriques ainsi que l'interopérabilité mais aussi la fiabilité des communications sont des éléments majeurs pour les applications ferroviaires. Ces contraintes ainsi que l'utilisation sporadique des bandes fréquentielles à disposition ont donné le jour à la radio intelligente. Cette dernière se présente comme une technologie émergente qui améliore les performances des systèmes radio existants en intégrant l'intelligence artificielle avec la radio logicielle. Un système radio intelligent est défini par sa capacité à être conscient de son environnement radioélectrique. En effet, afin d'optimiser au maximum les opportunités spectrales qui lui sont offerts, le dispositif radio intelligent doit être capable de transmettresur des bandes laissées libres tout en réalisant un sondage spectral afin de ne pas interférer avec les utilisateurs ayant la priorité sur la bande mais aussi pour détecter d'autres fréquences vacantes. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de nous concentrer sur la problématique de détection de spectre dans un environnement à très forte mobilité. Certaines contraintes sont à prendre en compte, telles que la vitesse. À cela s'ajoute les contraintes de réglementation concernant les critères de détection, telles que la norme IEEE 802.22 WRAN qui stipule que la détection d'un utilisateur prioritaire doit être réalisée à -21dB dans un laps de temps de 2 secondes. L'objectif est donc de concevoir un terminal radio intelligent dans les conditions physiques et réglementaires de transmission dans un environnent ferroviaire. / The main objectives of railway operators are to increase safety, reduce operating and maintenance costs, increase attractiveness and profit by offering new services to customers. These objectives will be achieved through a huge increase of data fluxes between existing infrastructure and the technologies currently used on the train. Spectral efficiency, optimization of radio resources, interoperability and reliability of communications are major elements for railway applications. These constraints and the sporadic use of available frequency bands have gave rise to cognitive radio. Cognitive radio is an emerging technology that improves the performance of existing radio systems by integrating artificial intelligence with software radio. A cognitive radio system is defined by its ability to be aware of its radio environment. Indeed, to optimize as much as possible the available spectral opportunities, the cognitive radio device must be able to transmit on free bands while performing a spectrum sensing to not interfere with users having priority on the band and to detect other vacant frequencies. As part of this thesis, we propose to focus on the problem of spectrum detection in a highly mobile environment. Some constraints should be considered, such as speed. Added to this, there are regulatory constraints on detection criteria, such as the IEEE 802.22 WRAN standard, which stipulates that detection of a priority user must be performed at -21 dB within a period of 2 seconds. The objective is therefore to design an intelligent radio terminal in the physical and regulatory conditions of transmission in a railway environment.

Ce mémoire est consacré à l’étude et au développement d’un nouveau système antennaire agile en rayonnement appelé MARPEM (Matrice Agile Rayonnante à Pixels Elaborés en Métamatériaux). Ce système est formé d’une matrice planaire formée par un agencement jointif de pixels électromagnétiques. Le concept du pixel est inspiré de l’antenne à Bande Interdite Electromagnétique et entouré par une enceinte murale. Ces pixels sont alimentés par des circuits de formation de faisceaux.Des études théoriques approfondies ont montré des performances électromagnétiques de MARPEM concernant le faible couplage mutuel, les forts pointages électroniques et l’élimination de lobes de réseau. Trois prototypes ont été étudiés et réalisés afin de valider expérimentalement les performances de MARPEM et de répondre aux exigences de différentes applications. / This PhD thesis is dedicated to the study and the development of a novel agile antenna system called ‘Agile Radiating Matrix with Metamaterials Pixels’. This system is formed by a planar matrix which is composed by an association of jointed electromagnetic pixels. The pixel design is inspired from the electromagnetic band gap antenna and it is surrounded by metallic walls. These pixels are fed by means of several beam forming networks.The intensive theoretical study made on the matrix antenna, showed several electromagnetic performances concerning the low mutual coupling, the great beam steering for high scanning angles and the elimination of grating lobes. Three manufactured prototypes are presented in order to experimentally validate the matrix performances and to respond to some application requirements.

Cette thèse est basée sur un brevet réalisé chez XLIM Systèmes RF. La thèse précédente se concentre sur la partie théorique MARPEM et une certaine validation en polarisation linéaire. Dans cette thèse, nous avons visé à introduire le système MARPEM aux applications de polarisation circulaire en général et aux applications spatiales en particulier. Dans toute la thèse, MARPEM à polarité circulaire avec une architecture différente est réalisée avec la conception de circuits de polarisation et de diviseurs de puissance. On présente la formation de faisceau du motif Isoflux large avec le taux d'ellipticité, ainsi que des faisceaux de balayage sont réalisés pour grand azimut angles avec un bon taux d'ellipticité. Tous les résultats sont comparés à l'antenne réseau classique AESA. La fabrication de MARPEM à polarité circulaire et les circuits de polarisation et le diviseur de puissance sont effectués et les mesures correspondantes sont présentées. Ensuite, dans les perspectives, on s'attend à des défis différents dans un travail futur pour l'amélioration de système MARPEM. / This thesis is based on a patent done at XLIM RF-Systems. Previous thesis focuses on the ARMA theoretical part and some validation in linear polarization. In this thesis we aimed to introduce the system ARMA to the circular polarization applications in general and to space applications especially. In the entire thesis circularly polarized ARMA with different architecture are achieved with the design of polarization circuits and power dividers. Beam forming of the wide Isoflux pattern with the axial ratio are presented, also scanning beams are achieved for far angles with good axial ratio. All the results are compared with the classical array antenna AESA. Manufacturing of circularly polarized ARMA and the polarization circuits and the power divider are done and the corresponding measurements are presented. Then in the perspectives different challenges are expected to be in a future work for enhancement of the whole ARMA system.

Les travaux de cette thèse s’intéressent à un nouveau concept d’antenne reconfigurable offrant un bon compromis entre performances, complexité et coût. Ce concept, qualifié d’hybride, vise à combiner les avantages des réseaux d’antennes lacunaires et des antennes à éléments parasites. Cette hybridation est une alternative à la complexité des réseaux d’antennes conventionnels pour répondre aux exigences d’une architecture modulaire, générique et reconfigurable. L’intérêt majeur de ce concept est de proposer une architecture d’antenne permettant de réduire la complexité du circuit de formation des faisceaux (par la réduction du nombre d’éléments rayonnants à alimenter) tout en adressant les problématiques d’adaptation (TOS actif) des éléments excités. Ceci est permis grâce à la présence d’éléments parasites qui permettent de gérer la diffusion des couplages sur l’antenne. Cette thèse décrit le principe du concept hybride et propose une évaluation de ses potentialités. Par la suite, une définition des éléments à mettre en œuvre pour réaliser une preuve de concept est effectuée, en mettant l’accent sur l’importance de la caractérisation expérimentale. Les performances d’un prototype d’antenne hybride reconfigurable sont ensuite présentées afin de valider les développements et conclure sur cette solution innovante. / The work of this thesis aims to investigate a new concept of reconfigurable antenna allowing a good trade-off between performances, complexity and cost. This concept is called ‘hybrid’ because it is based on the capabilities of thinned arrays and parasitic element antennas. It is an alternative to classical antenna arrays and their complexity. The proposed concept has a modular architecture, and a good versatility for reconfigurable beams. The main advantage of this hybrid antenna is the simplicity of its beam formation network (BFN) which requires only a few number of excited elements. The antenna uses parasitic elements to manage the effects of couplings between the electromagnetic access. The problematic of active VSWR is also solved at the antenna level, avoiding the use of additional components in the BFN. This work details the principle of the reconfigurable hybrid antenna concept. The potentialities are evaluated. The elements required to realize a proof of concept are then defined, using a dedicated experimental setup. A prototype is manufactured and the performances have been checked to validate this innovative concept.

L'interférence entre stations de base est considérée comme le principal facteur limitant les performances des réseaux cellulaires. Nous nous intéressons aux différents schémas de coordination multi-point (CoMP) proposés dans la norme LTE-A pour y faire face, en tenant compte de l'aspect dynamique du trafic et de la mobilité des utilisateurs. Les résultats sont obtenus par l'analyse mathématique de modèles markoviens et par des simulations du système. Nous montrons l'importance de l'algorithme d'ordonnancement sur les performances en présence d'utilisateurs mobiles, pour des services de téléchargement de fichier et de streaming vidéo. Nous proposons un nouvel algorithme d'ordonnancement basé sur la dé-priorisation des utilisateurs mobiles se trouvant en bord de cellule, afin d'améliorer l'efficacité globale du système. Nous montrons ensuite qu'il est intéressant d'activer la technique dite Joint Processing uniquement dans un réseau à forte interférence, son activation dans un réseau à faible interférence pouvant conduire à une dégradation des performances. Nous proposons un nouveau mécanisme de coordination où une cellule ne coopère que lorsque sa coopération apporte un gain moyen de débit suffisant pour compenser les pertes de ressources engendrées. Nous considérons enfin la technique de formation de faisceaux coordonnée. Nous montrons notamment que la coordination n'est pas nécessaire lorsque l'on dispose d'un grand nombre d'antennes par station de base, un simple mécanisme d'ordonnancement opportuniste permettant d'obtenir des performances optimales. Pour un nombre limité d’antennes parstation de base, la coordination est nécessaire afin d’éviter l’interférence entre les faisceaux activés, et permet des gains de performance substantiels. / Interference is still the main limiting factor in cellular networks. We focus on the different coordinated multi-point schemes (CoMP) proposed in the LTE-A standard to cope with interference, taking into account the dynamic aspect of traffic and users’ mobility. The results are obtained by the analysis of Markov models and system-level simulations. We show the important impact of the scheduling strategy on the network performance in the presence of mobile users considering elastic traffic and video streaming. We propose a new scheduler that deprioritizes mobile users at the cell edge, in order to improve the overall system efficiency. We show that it is interesting to activate Joint Processing technique only in a high-interference network, its activation in a low-interference network may lead to performance degradation. We propose a new coordination mechanism, where a cell cooperates only when its cooperation brings a sufficient mean throughput gain, which compensates the extra resource consumption. Finally, we show that the coordination of beams is not necessary when a large number of antennas is deployed at each base station; a simple opportunistic scheduling strategy provides optimal performance. For a limited number of antennas per base station,coordination is necessary to avoid interference between the activated beams, allowing substantial performance gains.