Le déferlement mondial des services de télécommunications, impose, aux réseaux qui les supportent, d'augmenter de plus en plus leurs capacités afin de subvenir aux besoins de ses utilisateurs dont le nombre ne cesse de croître. Le spectre radio, ressource de base pour les communications sans fils, ne suit malheureusement pas cette croissance. Même si des marges réutilisables sont disponibles, leur accès est limité par des politiques strictes de gestion du spectre radio-fréquentiel. Pour remédier à cette situation, les organismes régulateurs des télécommunications se dirigent vers un paradigme de gestion plus flexible, en autorisant de nouvelles méthodes basées sur l'accès dynamique au spectre (DSA - dynamic spectrum access) et les radio cognitives (CR - cognitive radio). Dans ce travail doctoral, est proposée une nouvelle technique pour traiter la problématique de la disponibilité du spectre radio-fréquentiel. Appelée multiplexage fréquentiel par sous-espace de Vandermonde (VFDM -Vandermonde-subspace frequency division multiplexing), elle permet à deux technologies d'accès radio (RATs - radio access technologies) de fonctionner côte-a-côte dans un environnement de petites cellules CR. Ceci se fait en partageant la bande radio tout en protégeant des interférences les systèmes pour lesquels le spectre radio avait été originellement réservé. VFDM transmet les données pré-codées dans le noyau du canal interférant entre l'émetteur opportuniste et le récepteur originel en utilisant la sélectivité en fréquence des canaux et duplexage temporel (TDD - time division duplexing). Le travail de cette thèse propose une approche exhaustive du développement de la technologie VFDM, en allant des bases théoriques jusqu'à la démonstration de faisabilité. Ainsi, les bases théoriques proposées ont été en premier lieu analysées. Puis, en partant de ces bases théoriques, VFDM a été graduellement développé vers une chaîne émetteur-récepteur complète. Des résultats significatifs sont apparus à mi-chemin dans la phase de développement, comme par exemple, l'établissement de stratégies de précodage optimales ou la mise en évidence d'aspects critiques lors de l'implémentation. Sous certaines conditions, VFDM permet aux réseaux secondaires opportunistes d'être utilisés en même temps que le réseau originel, aux seules contraintes de la connaissance des canaux et de l'accroissement de la complexité du système. Au travers des résultats obtenus en simulation, il a été démontré que des taux de transfert de données significatifs peuvent être atteints, et ce, malgré que les capacités de VFDM soient toujours limitées par la taille du sous-espace de Vandermonde du canal interfèrent primaire-secondaire. Finalement, la chaîne émetteur-récepteur développée démontre la faisabilité de cette méthode.

Le déferlement mondial des services de télécommunications, impose, aux réseaux qui les supportent, d’augmenter de plus en plus leurs capacités afin de subvenir aux besoins de ses utilisateurs dont le nombre ne cesse de croître. Le spectre radio, ressource de base pour les communications sans fils, ne suit malheureusement pas cette croissance. Même si des marges réutilisables sont disponibles, leur accès est limité par des politiques strictes de gestion du spectre radio-fréquentiel. Pour remédier à cette situation, les organismes régulateurs des télécommunications se dirigent vers un paradigme de gestion plus flexible, en autorisant de nouvelles méthodes basées sur l’accès dynamique au spectre (DSA - dynamic spectrum access) et les radio cognitives (CR - cognitive radio). Dans ce travail doctoral, est proposée une nouvelle technique pour traiter la problématique de la disponibilité du spectre radio-fréquentiel. Appelée multiplexage fréquentiel par sous-espace de Vandermonde (VFDM -Vandermonde-subspace frequency division multiplexing), elle permet à deux technologies d’accès radio (RATs - radio access technologies) de fonctionner côte-a-côte dans un environnement de petites cellules CR. Ceci se fait en partageant la bande radio tout en protégeant des interférences les systèmes pour lesquels le spectre radio avait été originellement réservé. VFDM transmet les données pré-codées dans le noyau du canal interférant entre l’émetteur opportuniste et le récepteur originel en utilisant la sélectivité en fréquence des canaux et duplexage temporel (TDD - time division duplexing). Le travail de cette thèse propose une approche exhaustive du développement de la technologie VFDM, en allant des bases théoriques jusqu’à la démonstration de faisabilité. Ainsi, les bases théoriques proposées ont été en premier lieu analysées. Puis, en partant de ces bases théoriques, VFDM a été graduellement développé vers une chaîne émetteur-récepteur complète. Des résultats significatifs sont apparus à mi-chemin dans la phase de développement, comme par exemple, l’établissement de stratégies de précodage optimales ou la mise en évidence d‘aspects critiques lors de l’implémentation. Sous certaines conditions, VFDM permet aux réseaux secondaires opportunistes d’être utilisés en même temps que le réseau originel, aux seules contraintes de la connaissance des canaux et de l’accroissement de la complexité du système. Au travers des résultats obtenus en simulation, il a été démontré que des taux de transfert de données significatifs peuvent être atteints, et ce, malgré que les capacités de VFDM soient toujours limitées par la taille du sous-espace de Vandermonde du canal interfèrent primaire-secondaire. Finalement, la chaîne émetteur-récepteur développée démontre la faisabilité de cette méthode. / The global deployment of PCS is pushing for more and more network capacity to accommodate an exponentially growing user base. Radio spectrum, the basic resource in radio communications, unfortunately does not follow this growth. Even though the current spectrum usage leaves margins for re-use, it is limited by the current fixed spectrum management policies. To remediate this issue, spectrum regulators are switching to a flexible management paradigm, leveraging new DSA schemes based on CR. In this PhD work, a novel CR-DSA technology is introduced to address spectrum scarcity problem. Called VFDM, it allows two RAT to operate side-by-side in a small-cell CR setting, sharing the band while protecting the legacy system from interference. VFDM transmits data pre-coded on the null-space of the interfering cross channel (channel from the opportunistic transmitter to the legacy receiver), assuming frequency selectivity and TDD communications. This PhD work proposes a rather exhaustive approach to the development of VFDM: to go from the theoretical basis up to a proof-of-concept development. Initially the theoretical background, basis of the technique itself was introduced and analyzed. Then, VFDM was gradually developed from a pure mathematical concept up to a full transceiver. During this development, several important mid-way results were developed, such as the multi-user strategy for pre-coding and critical implementation aspects. VFDM, under certain constraints, has been shown to allow a secondary opportunistic network to successfully be installed along with a legacy primary one at merely the cost of channel knowledge and added complexity. By means of numerical examples, it has been shown that significative rates can be attained, even though VFDM's performance is constrained by the size of the Vandermonde-subspace of the interfering channel between the secondary transmitter and primary receiver. Finally, a working VFDM transceiver implementation is shown, providing a proof-of-concept of the technique.

Au cours de la dernière décennie, les réseaux cellulaires ont connu une augmentation exponentielle de la demande de données. En conséquence, nous constatons des chutes de capacités occasionnelles et des problèmes de couverture, aggravés par des politiques de gestion du spectre inefficaces et des structures réseaux obsolètes. Le développement de nouvelles politiques pour le management du spectre, telles que les schémas de dynamic spectrum access (DSA), permettra, avec le déploiement de réseaux multi-niveaux, de traiter les problèmes précédemment évoqués et encadrer les réseaux mobiles de prochaine génération. Un réseau ainsi conçu pourra augmenter la capacité offerte par les réseaux actuels et atteindre les niveaux de performance requis par les demandes de data des utilisateurs, via une utilisation plus efficace du spectre disponible et une meilleure réutilisation spatiale. Dans cette thèse, nous nous concentrons principalement sur le problème inhérent au fait de posséder deux niveaux de transmission au sein de notre réseau (mini et macro stations de base) qui doivent dès lors se partager une bande commune, capitaliser sur le spectre disponible et éviter les situations d’interférences où elles s’annihilent mutuellement. Dans ce cas, la question de la coexistence se pose et elle ne peut être atteinte que si des techniques de management d’interférence sont développées pour mitiger/annuler l’interférence générée par ces deux transmetteurs. Le travail se décompose en trois parties et propose une approche plutôt exhaustive pour le développement de nouvelles techniques de DSA et gestion de l'interférence, d’un niveau purement théoriques aux premières trames de preuve de concept. / In the last decade, cellular networks have been characterized by an ever-growing user data demand. This caused increasing capacity shortfall and coverage issues, aggravated by inefficient fixed spectrum management policies and obsolete network structures. From a practical point of view, novel technical and architectural solutions have been proposed to frame next generation cellular networks, capable of meeting the identified target performance to satisfy the user data demands. Specifically, new spectrum management policies based on the so-called dynamic spectrum access (DSA), together with hierarchical approaches to network planning, where a tier of macro base stations is underlaid with a tier of massively deployed low-power small base stations, are seen as promising candidates to achieve this scope. The resulting two-tiered network layout may improve the capacity of current networks in several ways, thanks to a better average link quality between the devices, a more efficient usage of spectrum resources and a potentially higher spatial reuse. In this thesis, we focus on the challenging problem arising when the two tiers share the transmit band, to capitalize on the available spectrum and avoid possible inefficiencies. In this case, the coexistence of the two tiers is not feasible, if suitable interference management techniques are not designed to mitigate/cancel the mutual interference generated by the active transmitters in the network. This thesis is divided in three main parts, and proposes a rather exhaustive approach to the development of new DSA and interference management techniques, to go from the theoretical basis up to a proof-of-concept development.