Les communications professionnelles et critiques sont établies soit entre utilisateurs du secteur de la sûreté publique soit entre acteurs opérants des infrastructures critiques. Du fait des fortes exigences en termes de couverture, de priorité d’accès, de fiabilité et de résilience, sans oublier les services supplémentaires pour les utilisateurs professionnels, ces communications utilisent généralement les technologies PMR (Professional Mobile Radio). Vu la croissance des demandes de services, des changements importants sont attendus dans le domaine de la PMR. Les technologies PMR historiques échouent en effet à fournir des services à débits de données élevés, tels que les services vidéos et le transfert de photos. Ainsi, l’adaptation des technologies utilisées par les opérateurs commerciaux à la PMR apparaît comme une solution prometteuse. D’autre part, la prochaine génération de réseaux cellulaires prévoit une nouvelle variété d’applications et de services, dont les exigences de performances sont extrêmement hétérogènes. Ils se classent en trois groupes: enhanced Mobile BroadBand (eMBB), massive Machine-Type Communications (mMTC) et Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC). Récemment, les communications critiques ont été classées dans dans la famille URLLC des cas d’usage car elles sont prioritaires par rapport aux autres types de communications dans le réseau.Dans ce contexte, nous concentrons à renforcer la couverture des réseaux radio fournissant des communications de groupe, service essentiel fournit par les technologies PMR, afin de satisfaire les besoins. Tout d’abord, on évalue la performance des transmissions unicast et multicast, c’est à dire, les transmissions Multicast/Broadcast Single Frequency Network (MBSFN) et Single-Cell Point-To-Multipoint (SC-PTM), en termes de qualité radio, d’efficacité spectrale du système et de couverture de cellules, tout en considérant des configurations MBSFN statiques. Puis, nous étudions un modèle analytique pour estimer le Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) dans un réseau MBSFN.En outre, nous proposons un algorithme simple de répétitions sans requête, comme alternative à l’algoritgme Hybrid Automatic Repeat re-Quest (HARQ), afin d’améliorer la couverture du réseau en présence de communications de groupe. En considérant les caractéristiques du canal radio, ainsi que les contraintes de délai de service, nous justifions que notre modèle fournit un important gain par rapport aux algorithmes de répétitions traditionnels.Enfin, on évalue le compromis entre la couverture et la capacité d’un réseau utilisant les transmissions multicast, qui évolue en fonction de la taille du cluster de stations serveuses. On formule alors un problème d’optimisation dont l’objectif est de maintenir une probabilité de blocage acceptable du système, tout en maximisant le SINR moyen du groupe d’utilisateurs. Pour chaque groupe, on choisit le cluster de cellules d’une manière dynamique, en se fondant sur la minimisation d’une fonction sous-modulaire, qui prend en compte le trafic de chaque cellule du réseau à travers certains poids, ainsi que le SINR moyen du groupe. Ces poids sont optimisés au moyen de la méthode Nelder-Mead, dans le but de diriger la probabilité de blocage vers un certain seuil. Les résultats obtenus montrent l’importance du regroupement dynamique des cellules dans l’amélioration de la capacité et la couverture du système. / Business- and mission-critical communications are communications between professional users either from the public safety sector or operating critical infrastructures. Owing to special coverage, priority access, reliability and resilience requirements, as well as additional services for professional users, these communications are conveyed by Professional Mobile Radio (PMR) networks. Driven by the demand growth, significant changes are taking place in the PMR industry. The existing PMR technologies are indeed not well suited to provide high data rates mobile services like video and photo transfers; hence, the adoption of commercial technologies for mission-critical communications is gaining strong momentum. On the other hand, the next generation cellular networks are envisioned to support a large variety of applications and services with heterogeneous performance requirements, i.e., enhanced Mobile BroadBand (eMBB), massive Machine-Type Communications (mMTC) and Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC). Recently, mission-critical communications have been classified in a URLLC use case family, characterized by the need to a higher priority over other communications in the networks.In this context, we focus on enhancing the coverage of wireless networks providing group communications, the main service allowed by PMR networks, taking advantage of the current technologies (e.g. Multimedia Broadcast/Multicast Service), to meet the mission-critical communications needs. First, we evaluate the performance of unicast and multicast transmission techniques, i.e., the Multicast/Broadcast Single Frequency Network (MBSFN) and Single-Cell Point-To-Multipoint (SC-PTM), in terms of radio quality, system spectral efficiency and cell coverage, assuming static MBSFN configurations. Then, we introduce an analytical model to derive an approximate closed-form formula of the Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) in a MBSFN network.Furthermore, we propose a simple repetition scheme without request, as an alternative to Hybrid Automatic Repeat re-Quest (HARQ), in the aim of improving the network coverage in presence of group communications. By considering the wireless channel characteristics, as well as the service delay constraints, we show that our proposed scheme provides significant gains over traditional repetition schemes.Finally, we assess the trade-off in the cluster’s size of serving cells which arises between network coverage and capacity in multi-point transmissions. We formulate an optimization problem to maintain an acceptable system blocking probability, while maximizing the average SINR of the multicast group users. For group calls, a dynamic cluster of cells is selected based on the minimization of a submodular function that takes into account the traffic in every cell through some weights and the average SINR achieved by the group users. Traffic weights are then optimized using a Nelder-Mead simplex method with the objective of tracking a blocking probability threshold. Results show the importance of dynamic clustering in improving system capacity and coverage.

Cet exposé analyse les perspectives large bande des réseaux PMR, à travers l'évaluation du candidat LTE, et la proposition d'une possible évolution du codage canal, la solution brevetée des codes turbo à protection non uniforme. Une première étude dans le chapitre 2 se concentre sur l'analyse multi-couche et l'identification des problèmes clé des communications de voix et de vidéo sur un réseau LTE professionnel. Les capacités voix et vidéo sont estimées pour les liens montant et descendant de la transmission LTE, et l'efficacité spectrale de la voix en lien descendant est comparée à celle de PMR et GSM. Ce chapitre souligne certains points clé de l'évolution de LTE. S'ils étaient pas résolus par la suite, LTE se verrait perdre de sa crédibilité en tant que candidat à l'évolution de la PMR. Une telle caractéristique clé des réseaux PMR est le codage canal à protection non uniforme, qui pourrait être adapté au système LTE pour une évolution aux contraintes de la sécurité publique. Le chapitre 3 introduit cette proposition d'évolution, qui a été brevetée: les turbo codes à protection non uniforme intégrée. Nous proposons une nouvelle approche pour le codage canal à protection non uniforme à travers les codes turbo progressives hiérarchiques. Les configurations parallèles et séries sont analysées. Les mécanismes de protection non uniformes sont intégrés dans la structure de l'encodeur même à travers l'insertion progressif et hiérarchique de nouvelles données de l'utilisateur. Le turbo décodage est modifié pour exploiter de façon optimale l'insertion progressive de données dans le processus d'encodage et estimer hiérarchiquement ces données. Les propriétés des structures parallèles et séries sont analysées à l'aide d'une analogie aux codes pilotes, ainsi qu'en regardant de plus près leurs caractéristiques de poids de codage. Le taux de transmission virtuel et les représentations des graphs factor fournissent une meilleure compréhension de ces propriétés. Les gains de codage sont évalués à l'aide de simulations numériques, en supposant des canaux de transmission radio statiques et dynamiques, et en utilisant des codes de référence. Enfin, dans le chapitre 4, l'idée breveté du code turbo parallal progressif et hiérarchique (PPHTC) est évaluée sur la plateforme LTE. Une description détaillée de l'architecture des bearers de LTE est donnée, et ses conséquences sont discutées. Le nouveau codage canal est inséré et évalué sur cette plateforme, et ses performances sont comparées avec des schémas de transmission typique à LTE. L'analyse de la qualité de la voix aide à conclure sur l'efficacité de la solution proposée dans un système de transmission réel. Pourtant, même si cette dernière donne les meilleurs résultats, d'avantage d'optimisations devraient être envisagées pour obtenir des gains améliorés et mieux exploiter le potentiel du codage proposé. L'exposé se conclut dans le chapitre 5 et une courte discussion présente les futures perspectives de recherche / This dissertation analyzes the PMR broadband perspectives, through the evaluation of the preferred candidate, LTE, and the proposal of a possible channel coding evolution, the patented solution of unequal error protection embedded turbo codes. A first study in chapter 2 focuses on the multi-layer analysis and the identification of key issues for professional-like LTE for voice and video communications. The voice and video capacities are estimated for both downlink and uplink LTE transmissions, and the downlink LTE voice system efficiency is compared with that of the PMR and Global System for Mobile Communications (GSM). This chapter helps highlighting some of the key points. If not resolved, the latter could lead to the LTE downfall as a candidate for the PMR evolution. One such key characteristic of PMR systems is the unequal error protection channel coding technique, which might be adapted to the LTE technology for its evolution to public safety requirements. Chapter 3 further introduces the proposed evolution patented ideas: the unequal error protection embedded turbo codes. We propose a new approach for the unequal error protection channel coding through the progressive hierarchical turbo codes. Both parallel and serial turbo configurations are closely studied. The unequal error protection mechanisms are embedded in the encoder’s structure itself through the progressive and hierarchical insertion of new data. The turbo decoding is modified as to optimally exploit the progressive insertion of information in the encoding process and hierarchically estimate the corresponding data. Both parallel and serial configurations’ properties are analyzed using an analogy with a pilot code behavior, as well as a zoom on the weight error functions coefficients. The virtual code rate and factor graph interpretations also provide a better insight on the code properties. The code possible gains are highlighted through computer simulations in both static and dynamic transmission environments, by using carefully chosen benchmarks. Finally, in chapter 4, the patented idea of parallel progressive hierarchical turbo codes (PPHTC) is evaluated over the LTE platform. A detailed description is given of the voice transmission bearer architecture over LTE, and its consequences are discussed. The new channel code is inserted and evaluated over this platform and its performances compared with the existent LTE transmission schemes. The voice quality results help concluding on the efficiency of the proposed solution in a real transmission scenario. However, even though the newly presented solution gives the best results, further system optimizations should be envisaged for obtaining better gains and exploit the parallel progressive hierarchical turbo codes potential. The dissertation concludes in chapter 5 and a short discussion is given on future research perspectives

published_or_final_version / Business Administration / Master / Master of Business Administration

Approved for public release; distribution is unlimited / The radio channel places fundamental limitations on the performance of mobile ad hoc wireless networks. In the mobile radio environment, fading due to multipath delay spread impairs received signals. The purpose of this thesis is to develop a radio channel model and examine the effect of various parameters on channel behavior that is representative of environments in which mobile ad hoc wireless networks operate. The various physical phenomena considered are outdoor environments, fading and multipath propagation, type of terrains, and mobility (Doppler shift). A channel model based on a Tapped Delay Line (TDL) structure was developed and implemented in the MATLAB programming language, and the performance of the time-varying channel was studied by plotting the signal constellations. The simulation results indicate that the number of taps required in the TDL is 8 or less and the carrier frequency did not influence the performance significantly. The Jakes Doppler spectrum should be used in urban environments with high mobility; the Gaussian Doppler spectrum is the choice for low mobility urban environments and for the hilly terrain under both low and high mobility. / Civilian, Singapore Ministry of Defense

[pt] No cenário atual das telecomunicações móveis, os arranjos de antenas voltaram a receber grande atenção dos pesquisadores, especialmente quando esquemas adaptativos de modificação de seus diagramas de radiação são utilizados. Uma das aplicações que exploram o potencial dos arranjos de antenas é o seu uso como forma de aumentar consideravelmente a eficiência espectral dos sistemas móveis atuais e da próxima geração. A outra aplicação em evidência está voltada para sistemas de localização de posição, pois algumas das técnicas conhecidas envolvem a estimação de ângulos-de-chegada usando arranjos de antenas. Diante destas possibilidades, cresce em importância o estudo das variações do canal de propagação rádio móvel no domínio em que o uso dos arranjos de antenas atua: o espacial. O presente trabalho procura contribuir para o contexto em questão, com uma investigação experimental do canal real rádio-móvel nos domínios temporal (retardos) e espacial (ângulos-de-chegada). No que se refere ao contexto nacional, contribuições similares baseadas em simulações já são encontradas; baseadas em medidas não. Em particular, sondagens na faixa de 1,8 GHz em ambientes internos típicos foram realizadas. Duas técnicas distintas de sondagem temporalespacial foram implementadas, tomando por base uma sonda de canal faixa-larga montada e testada com sucesso, como contribuição principal de uma dissertação de mestrado recentemente apresentada por um integrante do mesmo grupo de pesquisa ao qual esta tese está vinculada. Uma das técnicas sintetiza o arranjo realizando as sondagens com uma única antena que é sucessivamente deslocada para ocupar as posições correspondentes às dos elementos do arranjo. A outra técnica emprega um arranjo real. Em ambas, a configuração mais simples para um arranjo foi utilizada: a linear uniforme. As sondagens não forneciam diretamente os espectros espaciais-temporais. As estimativas dos espectros foram processadas posteriormente, aplicando técnicas como o correlograma para o domínio do retardo, e quatro técnicas distintas para o domínio espacial, que foi o foco principal deste trabalho: duas convencionais; e duas paramétricas, com potencial de aumentar a resolução das estimativas, assumindo hipóteses razoáveis sobre as respostas esperadas. De posse das respostas espectrais estimadas, comparações com estimativas teóricas permitiram uma análise de desempenho das técnicas utilizadas. Adicionalmente à investigação experimental do canal espacial, procurou-se verificar o potencial da aplicação da teoria de wavelets ao estudo do canal rádiomóvel. Em especial, uma das principais aplicações daquela teoria foi testada como técnica de pós-processamento das respostas espectrais no domínio do retardo. A supressão de ruído por decomposição wavelet foi aplicada a um vasto conjunto de medidas de canal disponíveis, fruto de trabalhos anteriores do grupo de pesquisa ao qual esta tese está vinculada, com resultados expressivos. / [en] In the present mobile communications scenario, researchers have turned once again special attention to antennae arrays, particularly when adaptive schemes are employed to modify its radiation patterns. One of its main applications results in considerable increases to the spectral efficiency of present and next generation mobile systems. The other major application is headed towards position location systems, since some of the known techniques comprise angle-of-arrival estimation using antennae arrays. Under such possibilities, mobile radio propagation channel variations studies grow in relevance, specially regarding the antennae arrays main domain of action: the spatial domain. The present work tries to contribute to the overstated context, experimentally investigating the actual mobile radio channel over the temporal (delays) and spatial (angles of arrival) domains. Regionally speaking, similar contributions based on simulations are already found, but none based on measurements. In special, 1.8 GHz indoor soundings have been carried out. Two different temporal spatial sounding techniques have been deployed, based on na available wideband channel sounder successfully assembled and tested as the major contribution of a MSc. dissertation recently presented by a member of the same research team to which this thesis belongs. One of such techniques sinthesyzes the array carrying the sounding out with a single antenna, which is successively moved to occupy the spots corresponding to the array elements. The other method employs an actual array. For both cases, the simplest array configuration has been used: the uniform linear one. Space-time spectra were not directly available in real time during the soundings. Its estimates have been processed later, applying techniques such as the correlogram over the delay domain, and four distinct methods over the spatial domain, the main focus of the present work. Two conventional methods have been used, as well as two parametric ones, potentially capable to increase the estimates resolution, assuming reasonable hypotheses regarding the expected responses. With the estimated spectral responses in hands, comparisons with theoretical estimates allowed a performance assessment of the employed methods. In addition to the spatial channel experimental investigation, the wavelets theory potential of application to the mobile-radio channel study has been checked out. Notably, one of the wavelets theory major applications has been tested as a post-processing technique to improve delay-domain spectral responses. Wavelet decomposition based de-noising has been applied to a huge measurements ensemble, available as the product of previous works of the research group to which this thesis is attached, leading to remarkable results.

La croissance exponentielle du nombre de dispositifs communicants et des services sans fils émergents fixe des objectifs toujours plus haut pour répondre à la demande de capacité sans cesse croissante des utilisateurs. Cela pose des défis constants pour atteindre les objectifs envisagés. La réutilisation spectrale élevée (High efficiency spectral reuse) a été adopté, cependant, elle conduit à des interférences accrues sur le réseau, ce qui dégrade les performances. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est utilisé comme solution dans les réseaux de 4 G. Grâce à son orthogonalité, l'OFDM élimine l'interférence intra-cellulaire, mais l'interférence inter-cellule reste importante. Plusieurs méthodes connues sous le nom d'Inter-Cell interférences coordination (ICIC) ont été proposées pour les diminuer. L'ICIC permet la gestion des ressources radio coordonnée entre plusieurs cellules appelées ENodeB. Ces eNodeB peuvent partager les informations nécessaires grâce à l'interface X2 qui les relient, ces informations sont transmises par des messages LTE normalisés. Lorsque les ENodeBs sélectionnent égoïstement les ressources, la théorie de jeux non-coopératifs est largement appliquée pour trouver un juste équilibre. Dans cette thèse, nous mettons l'accent sur l'ICIC pour la liaison descendante d'un système OFDMA cellulaire dans le contexte du projet SOAPS (Spectrum opportuniste accès à la Sécurité publique). Ce projet a pour but l'amélioration de la planification des ressources de fréquences pour fournir des services à large bande dans les systèmes PMR (radiocommunications mobiles privées) en utilisant les technologies LTE. Nous adressons le problème d'ICIC en proposant quatre solutions différentes sous forme d'algorithmes entièrement décentralisés, ces algorithmes se basent sur la théorie des jeux non-coopératifs avec des équilibres de Nash purs des jeux considérés / The exponential growth in the number of communications devices has set out new ambitious targets to meet the ever-increasing demand for user capacity in emerging wireless systems. However, the inherent impairments of communication channels in cellular systems pose constant challenges to meet the envisioned targets. High spectral reuse efficiency was adopted as a solution to higher data rates. Despite its benefits, high spectral reuse leads to increased interference over the network, which degrades performances of mobile users with bad channel quality. To face this added interfence, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is used for the new 4th generation network. Thanks to its orthogonality OFDM eliminates the intra-cellular interference, but when the same resources are used in two adjacents cells, the inter-cell interference becomes severe. To get rid of the latter, several methods for Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) have been proposed. ICIC allows coordinated radio resources management between multiple cells. The eNodeBs can share resource usage information and interference levels over the X2 interface through LTE-normalized messages. Non-cooperative game theory was largely applied were eNodeBs selfishly selects resource blocks (RBs) in order to minimize interference. In this thesis, we stress on ICIC for the downlink of a cellular OFDMA system in the context of the SOAPS (Spectrum Opportunistic Access in Public Safety) project. This project focuses on the improvement of frequency resource scheduling for Broadband Services provision by PMR (Private Mobile Radio) systems using LTE technologies. We addressed this problem with four different solutions based on Non-cooperative game theory, three algorithms are devoted to RB selection in order to manage the interference, while the last one is a power control scheme with power economy and enhanced system performances

[pt] As características do canal rádio móvel são essenciais ao desenvolvimento de equipamentos e sistemas modernos de telecomunicações sem fio. Para os ambientes nos quais o sistemas operarão, o conhecimento dos principais parâmetros do canal em banda larga é obtido através do uso do conjunto formado por um equipamento transmissor e outro equipamento receptor com suas respectivas antenas. A este conjunto transmissor e receptor atribui-se o nome de sonda. Existem diversas tecnologias sobre as quais as sondas são projetadas e construídas. Em particular mencionam-se as técnicas STDCC (swept time-delay cross-correlation), o Filtro Casado e o OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing). Esta tese compara, por simulação, o desempenho de sondas que utilizam estas três técnicas. São propostas alterações nos métodos Filtro Casado e OFDM, de forma que estes proporcionem resultados mais precisos. Além disto, são estudadas imperfeições em dispositivos comuns a todas elas e comparadas sua influência sobre a qualidade das estimações, de forma isolada e combinada. Para o amplificador de potência é considerado o seu principal fator de degradação: suas não linearidades. Para o oscilador local existente no receptor é analisada a contribuição do ruído de fase. O ruído térmico, sempre presente à entrada do receptor em qualquer situação, é variado em uma extensa faixa de valores e o seu efeito sobre a precisão de cada método é analisado. Os resultados obtidos são apresentados na forma de tabelas e gráficos representando, diretamente, o resultado da comparação com o canal de referência ou por meio dos indicadores erro RMS e desvio padrão. / [en] The mobile radio channel characterization is essential to the development of modern wireless telecommunication equipment and systems. The main wideband channel parameters of the environments where these systems will operate are collected by the use of a set comprising a transmitter, a receiver and an aerial system. This set is named sounder. There are many techniques used to project and implement these sounders, such as STDCC (Swept Time-Delay Cross-Correlation), Matched Filter and OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). This thesis compares, by means of computer simulations, the performance of these three techniques. Some changes are proposed on the Matched Filter and OFDM methods to reach more precise results. Moreover, imperfections in common devices used by all sounders are studied, both independently and jointly, and the impact over the precision of channel estimations is analyzed. The main degradation factor of power amplifiers, which are the nonlinearities, was also considered, as well as the contribution of the phase noise in the receiver local oscillator. The effect of the thermal noise, always present on the receiver input, was also considered, over a large range of values. The results are presented by diagrams and tables showing results of comparisons with a reference channel or by mean of RMS errors and standard deviations.

Le déploiement d'une infrastructure de supervision permet une gestion plus intelligente des réseaux de distribution d'électricité comparé à un renforcement traditionnel pour répondre aux nouveaux enjeux de la maitrise de l'énergie (Consommations, EnR, VE, ...). Pour acheminer les données, les Courants Porteurs en Ligne (CPL) possèdent un atout majeur. En effet, cette technologie permet de superposer un signal de plus haute fréquence au signal électrique 50/60 Hz. Toutefois, le support de transmission est difficile et non maîtrisable. Ces travaux de recherche ont pour objectif d'apporter une contribution à cette problématique par l'élaboration d'une plateforme de simulation des réseaux pour des fréquences allant jusqu'à 1 MHz dans un but de transmission de données. Des éléments clés des réseaux sont traités de façon séparés puis assemblés pour estimer les performances des CPL « Outdoor » actuels. La variation du comportement des réseaux en fonction du temps et de la fréquence, en particulier des perturbations en tête d'installation clients sur 24h est étudiée. Les transformateurs entre les réseaux HTA et BT sont modélisés sous la forme d'un « modèle à constantes localisées » et d'un « modèle boite noire ». Les deux modèles sont appliqués sur un transformateur H61 100 kVA. Par la suite, une modélisation des câbles de distribution est proposée sous forme d'un « modèle cascadé ». Celle-ci est appliquée sur un câble souterrain BT. Chaque modèle est obtenu à l'aide de mesures d'impédances, et validé par des mesures de transmissions. Pour compléter, une étude préliminaire sur les communications radio mobile est réalisée pour la supervision des réseaux de distribution. / Establishing a supervisory infrastructure allows a better smart management than an expensive strengthening of distribution network to respond to new constraints at the energies control (Consumption, REN, EV ...). To transmit data, Power Line Communication (PLC) technologies present an advantage in this context. In fact, it enables a superposition of High Frequency (HF) signals on electrical signal 50/60 Hz. However, electric networks have not been developed to this application because of difficult propagation conditions. This research work makes a contribution to develop a simulation platform in objective to transmit data to 1 MHz. In first time, each network element is studied singly and in second time, together, to estimate "Outdoor PLC" transmission performance. The first element studied is the networks variation in function of frequency and time. Several 24h disturbance measurements on LV customers are presented. The second element is the transformers which established connection between Medium Voltage (MV) and Low Voltage (LV). The proposed modeling method is based on a "lumped model" and a "black box model". These models are applied to a 100 kVA H61 transformer most commonly used by French distribution system operator in rural and suburban networks. The third element is the power line used in MV and LV networks. The proposed modeling method is based on a "cascaded model" from the theory of transmission line. This model is applied to one power line used in LV underground network. Each model is obtained from various impedance measurements. To complete, an introductory study on mobile radio communication is performed to remote network distribution.

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.

Cette thèse a été effectuée dans le cadre du projet européen FP7 EMPHATIC (Enhanced Multicarrier Techniques for Professional Ad-Hoc and Cell-Based Communications). Plusieurs universités européennes et deux partenaires industriels: THALES Communications Security et CASSIDIAN ont participé à ce projet. L'objectif de ce projet est de développer, d'évaluer et de démontrer les apports des techniques multi-porteuses avancées, permettant une meilleure utilisation des bandes de fréquences radio existantes en fournissant des services de données à large bande, en coexistence avec les services traditionnels à bande étroite. Le projet porte sur l'application de radiocommunications mobiles professionnelles (Professional Mobile Radio : PMR). L'idée principale de ce projet est d'analyser la viabilité des systèmes à large bande utilisant des bancs de filtres (Filter Bank Multi Carrier : FBMC) conjointement avec une modulation d'amplitude en quadrature avec décalage (Offset Quadrature Amplitude Modulation : OQAM) dans le cadre de la 5ème génération (5G) des systèmes radio-mobiles. La modulation FBMC-OQAM se positionne comme candidate potentielle pour les futurs systèmes de communication. Cette modulation avancée offre de nombreux avantages tels que l’excellente localisation fréquentielle de sa densité spectrale de puissance (DSP), une robustesse au bruit de phase, aux décalages de fréquence ainsi qu’à l’asynchronisme entre les utilisateurs. Ces atouts, la rendent plus attrayant qu’OFDM pour l’application PMR, la radio cognitive (CR) et la 5G. Cependant, comme toute autre technique de modulation muti-porteuses, FBMC-OQAM souffre d’un facteur de crête ou d’un PAPR (pour Peak to Average Power Ratio) élevé. Lorsque l'amplificateur de puissance (AP), utilisé au niveau de l’émetteur, est opéré proche de sa zone non-linéaire (NL), ce qui est le cas dans la pratique, la bonne localisation fréquentielle de la DSP du système FBMC/OQAM est sérieusement compromise, en raison des remontées spectrales. Le premier objectif de cette thèse est de prédire l'étendue des remontées spectrales dans les systèmes FBMC-OQAM, introduites par la non-linéarité AP. Le deuxième objectif de ce travail est de proposer des techniques, pour les systèmes FBMC-OQAM, permettant la réduction du PAPR et la linéarisation de l’AP, afin d'atténuer les effets NL. L’utilisation des cumulants, a permis de prédire les remontées spectrales pour les signaux FBMC-OQAM après amplification NL. En outre, certains algorithmes de réduction du PAPR, basées sur des approches probabilistes et des techniques d'ajout de signaux, ont été proposés. La capacité de coexistence du système à large bande utilisant FBMC-OQAM avec des systèmes PMR à bande étroite en présence de PA a été analysée et il a été démontré que la coexistence est possible, à condition qu'il y est une bonne combinaison entre le recul du signal à l’entrée de l’AP (Input Back-Off : IBO), la réduction du PAPR et la linéarisation de l’AP. Enfin, une nouvelle technique de linéarisation de l’AP a été proposée pour le système FBMC-OQAM. / This thesis is part of the European FP7 EMPHATIC project (Enhanced Multicarrier Techniques for Professional Ad-Hoc and Cell-Based Communications) including various European universities and two main industrial partners: THALES Communications Security and CASSIDIAN. The EMPHATIC objective is to develop, evaluate and demonstrate the capability of enhanced multi-carrier techniques to make better use of the existing radio frequency bands in providing broadband data services in coexistence with narrowband legacy services. The project addresses the Professional Mobile Radio (PMR) application. The main idea is to analyze the viability of broadband systems based on filter-bank multi-carrier (FBMC) clubbed with o ffset quadrature amplitude modulation (OQAM) in the context of the future 5th Generation (5G) radio access technology (RAT). Increasingly, the FBMC-OQAM systems are gaining appeal in the probe for advanced multi-carrier modulation (MCM) waveforms for future communication systems. This advanced modulation scheme o ers numerous advantages such as excellent frequency localization in its power spectral density (PSD), a robustness to phase noise, frequency off sets and also to the multi-user asynchronism; making it more appealing than OFDM for PMR, cognitive radio (CR) and 5G RAT. However, like any other MCM technique, FBMC-OQAM suff ers from high PAPR. When the power amplifi er (PA) non-linearity, which is realistic radio-frequency impairment, is taken into account; the good frequency localization property is severely compromised, due to the spectral regrowth. The first objective of this PhD thesis is, to predict the extent of the spectral regrowth in FBMC-OQAM systems, due to the PA non-linearity. The second objective is to probe techniques for FBMC-OQAM systems, such as PAPR reduction and PA linearization, in order to mitigate the NL eff ects of PA. By cumulant analysis, spectral regrowth prediction has been done for FBMC-OQAM systems. Also, some algorithms for PAPR reduction, which are based on probabilistic approach and adding signal methods, have been proposed. The coexistence capability of the FBMC-OQAM based broadband system with the narrowband PMR systems in the presence of PA has been analyzed and it has been found that coexistence is possible, provided there is a symbiotic combination of PA Input Back-off (IBO), PAPR reduction and PA linearization. Finally, a novel PA linearization technique has been proposed for FBMC-OQAM.