L’utilisation d’une chambre réverbérante pour modéliser un canal de communication sans fil a récemment été proposée. La chambre réverbérante est une cavité métallique fermée dans laquelle se trouve une pale mécanique en mouvement permettant de modifier les conditions aux limites et d’ainsi obtenir en moyenne une répartition uniforme des champs. Cette cavité métallique fermée présente de nombreux avantages pour modéliser un canal de communication. Citons principalement le fait que l’environnement est reproductible grâce au mouvement de la pale. L’étude détaillée du canal de communication sans fil à l’intérieur de cet environnement est le sujet de cette thèse. Nous développons à la fois une approche théorique et expérimentale (dans 3 chambres réverbérantes différentes). En particulier, on caractérise ce canal dans les dimensions temporelles, fréquentielles et spatiales afin de dériver ensuite un modèle de canal. Nous nous intéressons en particulier aux systèmes sans fil multi-antennes car ceux-ci exploitent les trois dimensions (temps, fréquence, position). Ensuite, nous comparons l’environnement en chambre réverbérante au cas d’un environnement confiné, à savoir une voiture. Nous testons également une chaîne complète de transmission OFDM et SC-FDE sur base du modèle de canal en chambre développé dans cette thèse. Enfin, nous présentons un nouveau système de test composé de deux chambres réverbérantes couplées à l’aide d’un guide d’ondes dont les dimensions transverses peuvent être changées. Grâce à ce guide d’ondes, le degré de liberté du canal multi-antennes peut être contrôlé.

Cette thèse résume trois années de travail dans le domaine de la caractérisation large bande du canal radio pour des applications projectiles. L’instrumentation des projectiles évolue avec la miniaturisation de l’électronique et l’accroissement constant de ses performances. L’échange de données par liaison sans fil bi-directionnelle entre le projectile et lastation de base doit s’effectuer aussi efficacement que possible. Afin de répondre à cette exigence, il est fondamental d’optimiser chaque élément de la chaîne de communication. Le canal, qui est le support où la propagation des ondes radio prend place, est l’un des éléments à modéliser.Dans le but de caractériser le canal radio pour ces applications, cette thèse a été structurée en cinq chapitres: dans les premier et deuxième chapitres, le contexte général de la thèse est présenté, introduisant le cadre de la thèse et donnant les éléments nécessaires pour comprendre le reste du manuscrit. Au chapitre trois, nous abordons le problème du développement des briques nécessaires pour caractériser le canal de propagation. Une des contributions de cette thèse est la définition d’un ensemble de procédures pour effectuer une modélisation de canal. Au chapitre quatre et cinq, nous présentons nos résultats. Alors qu’au chapitre quatre une étude préliminaire du canal est effectuée, une caractérisation complète est donnée au chapitre cinq. Les chapitres se terminent par la présentation d’un modèle de canal dédié aux simulations de communications numériques afin d’améliorer la liaison avec le projectile. Dans une dernière étape, les conclusions et les questions ouvertes sont détaillées. / This thesis summarizes three years of work in the field of wideband characterization of the radio channel in projectile applications. The popularization of the miniaturized electronics has allowed the instrumentation of projectiles. The information gathered by the onboard sensors needs to be sent from the projectile to the base station as efficiently as possible by means of bi-directional communication links. In order to fulfill this requirement, it is fundamental to optimize every element in the communication chain. The channel, which is the medium where the radio wave propagation takes places, is one of the elements to be modeled. With the purpose of characterizing the radio channel in projectile applications, this thesis has been structured in five chapters: in chapter one and two, the general context of the thesis is presented, introducing the reader to this topic and giving the necessary elements to understand the rest of the manuscript. In chapter three, we address the problem of developing the necessary elements in order to characterize the propagation channel. The first contribution of this thesis is found here in the form of a set of procedures to perform channel modeling. In chapter four and five, we present our results. While chapter in chapter four a preliminary study of the channel is performed, in chapter five a complete characterization is given. The chapters ends with the presentation of the second contribution of this thesis, i.e.a channel model to be used in simulations in order to improve the projectile communication link. In a last stage, the conclusions and open questions are detailed.

Cette thèse a pour but de proposer toutes les avancées possibles dans l'utilisation du modèle de propagation Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF). Etant un modèle de propagation radio déterministe, le modèle MR-FDPF possède un haut niveau de précision, mais souffre des limitations communes à tous les modèles déterministes. Par exemple, un canal radio réel n'est pas déterministe, mais un processus aléatoire à cause par exemple des personnes ou objets mobiles, et ne peut donc être décrit fidèlement par un modèle purement déterministe. Dans cette thèse, un modèle semi-déterministe est proposé, basé sur le modèle MR-FDPF, qui introduit une part stochastique pour tenir compte des aspects aléatoires du canal radio réaliste. La partie déterministe du modèle est composée du path loss (atténuation d'espace), et la partie stochastique venant du shadow fading (masquage) et du small scale fading (évanouissement). De même, de nombreux simulateurs de propagation radio ne proposent que la prédiction de la puissance moyenne. Mais pour une simulation précise de la propagation radio il convient de prédire également des informations de fading permettant dès lors une prédiction précise du taux d'erreur binaire (BER) potentiel. Dans cette thèse, l'information de fading est déduite des simulations MR-FDPF et par la suite des valeurs réalistes de BER sont données. Enfin, ces données réalistes de BER permettent d'évaluer l'impact de schémas de modulation adaptatifs. Des résultats sont présentés dans trois configurations : systèmes SISO (mono-antenne à l'émission et à la réception), systèmes à diversité de type MRC, et systèmes large bande de type OFDM.

Les environnements intelligents et l’homme connecté semble être la prochaine évolution des télécommunications sans fil. En effet, le développement des nouvelles bandes de fréquence millimétriques permettront de créer des communications haut débit et de nouveaux types d’environnements, les Wireless Body Environment Networks, où les utilisateurs auront la possibilité d’interagir avec l’environnement. Pour développer ces environnements, il est nécessaire d’étudier les mécanismes de propagation et les canaux de communication sans fil autour du corps humain. Cette thèse analyse les canaux de propagation pour les réseaux corporels à 60 GHz et plus particulièrement trois scenarios: (i) la propagation entre une station de base externe et un noeud placé à proximité du corps (off-body) ; (ii) la propagation entre deux noeuds portés sur le corps (on-body) ; (iii) la communication entre une station de base externe et un noeud tenu porté par la main de l’utilisateur (near-body). Un modèle de canal numérique est proposé et implémenté pour modéliser la propagation off-body en environnement intérieur. Le modèle est basé sur le standard IEEE 802.11ad et une solution de la diffraction d’une onde plane incidente sur un modèle cylindrique du corps humain. Le modèle est développé pour deux polarisations orthogonales et les performances d’une communication WiGig sont étudiées via le bit error rate. La propagation on-body est étudiée pour deux différentes configurations: avec et sans ligne de vue directe. Ces scenarios mènent à des solutions analytiques différentes: l’équation de Norton et l’onde rampante. Ces solutions sont obtenues en utilisant des modèles de corps simplifiés et ont été validées expérimentalement. De plus, une méthode permettant d’améliorer le bilan de liaison entre deux dispositifs portés sur le corps en utilisant des plaques métalliques réduisant les pertes de propagation. Cette technique a été illustrée théoriquement en utilisant les équations de Millington. Une campagne de mesure a été effectuée sur un modèle de corps plat ayant les propriétés électriques de la peau humaine. Il a été montré que cette méthode permet d’augmenter le bilan de liaison de 20 dB. La région near-body s’étendant de 5 à 30 cm du corps humain est étudiée. Il s’agit de la région correspondant à la portée de main. Un algorithme numérique est proposé pour modéliser la présence d’un utilisateur dans un environnement intérieur. Un modèle statistique a aussi été proposé. Il a été montré que la distribution spatiale du champ suit une Two-Wave Diffuse Power distribution. / The smart environments and the connected human seems to be the future of wireless communications. The development of new frequency bands in the millimeter range will allow us to create high data rate communications which will led to the Wireless Body Environment Networks. In this kind of scenarios, it is expected that the user and the environment will interact. In order to develop such new applications, it is necessary to first study the propagation mechanisms and then, the communication channel underlying body centric environments. This thesis treats of channel models for 60 GHz Body Area Networks and more particularly of three kinds of scenarios: (i) the communication between an external base station and a worn node (off-body); (ii) the communication between two worn nodes (on-body); the communication between an external base station and a hand-held device (near-body). An indoor off-body channel model is numerically proposed and implemented. The model is based on the IEEE 802.11ad indoor standard channel at 60 GHz and a fast computation solution of the scattering of a plane wave by a circular cylinder. The model is developed for two orthogonal polarizations and the communications performances are studied. The on-body propagation is studied for two different configurations: line-of-sight and non-line-of-sight communications on the body. These scenarios led to different solutions for the channel knowing as, respectively, Norton’s equations and creeping formulations. These solutions are obtained using simplified geometries which has been experimentally validated. Further, in order to improve the propagation on the human body, a technique using metallic plates has been proposed. This technique has been theoretically studied using Milligton’s equations and experimentally assessed on a flat phantom with the properties of the human skin. The proposed method allows to save up to 20 dB. Finally, the near-body communication scenario has been introduced and studied. The near-body region is extended from 5 to 30 cm away of the user body which corresponds to the arm’s reach and models a handheld device. A numerical algorithm has been proposed to model indoor near-body environments. Also, a special has been given to statistical body shadowing. It has been shown that the fading follows a Two-Wave Diffuse Power distribution.

Au cours de ces dernières années, le réseau électrique est devenu un candidat incontournable pour la transmission de données à haut débit à l’intérieur des bâtiments. De nombreuses solutions sont actuellement à l’étude afin d’optimiser ces technologies connues sous le nom Courants Porteurs en Ligne (CPL) ou PLC (Power-Line Communications). La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) a été tout récemment transposée au réseau filaire électrique pour lequel différents modes d’alimentation peuvent être envisagés entre la phase, le neutre et la terre. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons deux contributions originales à l’étude des communications numériques sur le réseau électrique à l’intérieur des bâtiments. La première contribution concerne la modélisation du canal MIMO-PLC. En repartant d’un modèle du canal paramétrique SISO (Single-Input Single-Output) connu dans la littérature, nous proposons un modèle du canal MIMO en considérant un nouveau paramètre caractérisant la corrélation spatiale. Le modèle proposé permet de représenter fidèlement la corrélation spatiale des mesures effectuées à l’échelle européenne. La deuxième contribution concerne le bruit impulsif présent sur le réseau électrique domestique qui constitue un problème majeur dans les systèmes de communications. Nous proposons une méthode basée sur la notion de capacité de coupure afin d’optimiser le débit moyen dans les systèmes OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) soumis aux bruits impulsifs. D’abord, nous étudions la capacité du système en fonction d’une marge de bruit fournie aux symboles transmis. Ensuite, nous déterminons l’expression analytique de la probabilité de coupure (outage) d’un symbole OFDM en fonction de cette marge, en étudiant de manière détaillée l’interaction entre l’impulsion de bruit et le symbole. A partir de ces deux calculs, nous déduisons la capacité de coupure. Puis, nous proposons une approche qui maximise l’espérance mathématique du débit reçu. Finalement, nous présentons les résultats obtenus dans le cas particulier d’une transmission à haut débit sur PLC en présence de bruits impulsifs. / In recent years, the electrical network has become an essential candidate for high-speed data transmission inside buildings. Many solutions are currently underway in order to optimize these technologies known under the name of in-home Power-Line Communications (PLC). Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technique has recently been transposed into power-line networks for which different signal feeding possibilities can be considered between phase, neutral and earth wires. In this thesis, we propose two original contributions to indoor broadband PLC. The first contribution concerns the MIMO-PLC channel modeling. Based on a Single-Input Single-Output (SISO) parametric channel model presented in the literature, we propose a MIMO one by considering a new parameter which characterizes the spatial correlation. The proposed model enables an accurate description of the spatial correlation of European MIMO PLC field measurements. The second contribution is related to the impulsive noise present in power-line networks which constitutes a major problem in communications systems. We propose an outage capacity approach in order to optimize the average data rate in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems affected by impulsive noise. First, we study the channel capacity as a function of a noise margin provided to the transmitted symbols. Then we determine the analytical expression of the outage probability of an OFDM symbol in terms of the noise margin, by studying in detail the interaction between the noise impulse and the symbol. Based on the two aforementioned relations, we deduce the outage capacity. Then we propose an approach that enables to maximize the average system data rate. Finally, we present the results in the particular case of indoor broadband PLC in the presence of impulsive noise.

Le canal acoustique sous-marin (ASM) est réputé comme difficile. Il présente à la fois des effets de réflexion/réfraction générant de la dispersion temporelle importante, une atténuation fortement croissante avec la fréquence qui restreint la bande-passante disponible, ainsi qu'une forte variabilité du milieu, qui, combinée avec une faible célérité des ondes acoustiques, induit une dispersion fréquentielle conséquente. Contrairement à la recherche dans le domaine des radio-communications qui repose principalement sur des modèles de propagations bien établis, la recherche en communication ASM ne dispose pas de tels modèles et s'appuie majoritairement sur des expérimentations en mer. L'objectif principal de ce travail de thèse est de montrer que malgré notre connaissance limitée sur la réalité physique du canal, il est possible, en utilisant des outils théoriques adaptés, de déterminer en laboratoire des directives pertinentes aussi bien pour la sélection des modulations et la validation des modems correspondants que pour les prédictions de débit. Dans ce contexte, la théorie de l'information s'avère être un outil très précieux pour inférer un maximum de conclusions sur le canal et induire des directives pratiques sur les formats de modulation. Nous développons dans un premier temps un point de vue de théorie de l'information sur la modélisation de canaux acoustiques sous-marins doublement dispersifs en s'appuyant sur le principe d'entropie maximale. Dans un cadre d'inférence plus empirique, nous proposons ensuite un modèle de canal alimenté par des données réelles qui repose sur l'hypothèse selon laquelle une réponse impulsionnelle de canal mesurée en mer n'est qu'une observation d'un processus aléatoire sous-jacent. Nous dérivons dans un troisième temps de nouvelles bornes de capacité sur le canal ASM en considérant des hypothèses plus réalistes que l'état de l'art sur le sujet : le canal est ici supposé doublement dispersif, la puissance crête limitée et la réalisation courante du canal inconnue de l'émetteur et du récepteur (contexte non-cohérent). Enfin, nous nous intéressons à la structure "propre" du canal et cherchons à optimiser la forme d'onde de transmission pour trouver un bon compromis entre les notions très intriquées de robustesse et de débit qui caractérisent les performances des systèmes de communication.

Les communications optiques dans le spectre visible (VLC pour Visible-Light Communications) ont attiré une attention particulière depuis quelques années en tant qu'une solution prometteuse pour les réseaux sans fil à très haut-débit dans les milieux intra-bâtiment. Ainsi, cette technique exploite l'infrastructure d’éclairage basée sur les diodes électroluminescentes (LED) pour la transmission de l'information. Pour cette raison, elle offre de nombreux avantages, comparée aux techniques « classiques » basées sur les transmissions radiofréquences (RF), tels que l'existence d'une grande largeur de bande non réglementée, une sécurité de transmission intrinsèque et une immunité aux interférences électromagnétiques.Les principales contraintes liées à l'établissement d'une transmission VLC à très haut-débit dans ce contexte sont la propagation en trajets multiples et les caractéristiques non-idéales des LEDs commerciales, dites « blanches ». L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact réel de ces contraintes sur la transmission des données et de proposer des solutions efficaces de traitement du signal pour atténuer leurs effets. Nous commençons par étudier la réponse impulsionnelle du canal VLC grâce à l'élaboration d'un outil de simulation efficace. Nous évaluons ensuite la sélectivité en fréquence du canal de propagation en considérant différents critères, tels que la réponse fréquentielle, l'étalement temporelle du canal et le rapport signal à interférences. Dans un deuxième temps, compte tenu de la possibilité de la sélectivité en fréquence du canal et aussi la limitation de la bande passante des LEDs, nous étudions la pertinence de l'emploi de différentes techniques de transmission de signaux, notamment celle de l'OFDM optique (pour Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) afin de garantir des débits de transmission compétitifs avec la RF. Etant donné le facteur de crête ou PAPR (pour Peak-to-Average Power Ratio) élevé des signaux modulés en OFDM et la dynamique limitée des LEDs, nous proposons ensuite un nouveau schéma de transmission basé sur la modulation CAP (pour Carrier-less Amplitude and Phase) en plus de l'égalisation dans le domaine fréquentiel (FDE pour Frequency-Domain Equalization) au niveau du récepteur. Nous analysons les performances des liaisons VLC utilisant cette technique et les comparons à l'OFDM optique, en prenant particulièrement en compte la non-linéarité des LEDs. Enfin, nous démontrons l'intérêt de l'utilisation du schéma de transmission CAP-FDE à travers des résultats expérimentaux. / Visible Light Communications (VLC) have attracted particular attention in the research community since a few years as a promising solution for high-speed indoor wireless networks. By exploiting the existing solid-state light-emitting diode (LED) lighting infrastructure, VLC offer numerous advantages such as a large unlicensed bandwidth, transmission security, and immunity to electro-magnetic interference compared to their radiofrequency counterparts. Within the context of indoor VLC, the multipath propagation channel and the non-ideal characteristics of the commercial white LEDs cause the main limitations for achieving high data-rate transmission. The objective of this thesis is to investigate the true impact of these limitations on the data transmission and to propose efficient signal processing solutions to mitigate their adverse effects. We start by the study of the indoor VLC channel impulse response by developing an efficient simulation tool. We then consider evaluating the channel frequency selectivity through different metrics. Next, given the potentially frequency-selective channel and the limited modulation bandwidth of the LEDs, we investigate the suitability of employing different signal transmission techniques including optical orthogonal frequency-division multiplexing (O-OFDM) in order to achieve high data-rate transmission. Given the high peak-to-average power ratio (PAPR) of O-OFDM signals and the limited dynamic range of the LEDs, we then propose a novel transmission scheme, which consists of using carrier-less amplitude and phase (CAP) modulation together with frequency domain equalization (FDE) at the receiver. We analyze the performance of the VLC link using this technique and compare it with the O-OFDM schemes, especially by taking the non-linear characteristics of the LED into account. Lastly, we demonstrate the merits of using the CAP-FDE transmission scheme via some experimental results.

Actuellement, la majorité des équipements électroniques prenant place dans nos véhicules s'interconnectent encore par des liens câblés. Or, l'établissement d'un réseau sans fil permet de remplacer ces liens existants. Afin de permettre cette connectivité et pour répondre aux exigences futures, une solution qui accepte suffisamment de débit doit être développée. Parmi les solutions actuelles possibles, l'Ultra-Large Bande est le candidat idéal. De manière générale, cette Thèse se consacre à l'étude de la propagation à l'intérieur d'une voiture. Afin d'évaluer les performances de ce type de système à l'intérieur d'un véhicule, un modèle de canal pouvant reproduire avec fidélité la propagation intra-véhiculaire est nécessaire. De par la similarité entre les environnements, le modèle de canal proposé est basé sur la théorie des chambres réverbérantes. Compte tenu des faibles dimensions de l'environnement et de la proximité des antennes par rapport aux passagers, l'idée est de réduire l'énergie absorbée par ces derniers tout en maximisant celle-ci à la position d'un récepteur visé. Parmi les solutions possibles, le retournement temporel apparait comme une technique idéale pour répondre à ces objectifs. Cette technique permet en effet de focaliser temporellement et spatialement le signal électromagnétique au niveau du récepteur. Dans cette Thèse, une évaluation des performances du RT à l'intérieure d'une voiture est proposée. Cette étude nous a amenés à porter notre attention sur les propriétés spatiales de l'énergie totale portée par un signal utilisant le retournement temporel et, de ce fait, nous proposons un nouveau formalisme de la distribution spatiale de cette énergie. / Current vehicles still use wired links to interconnect the embedded electronic equipment. However, advances in wireless technologies permit to replace these links with wireless personal area networks. To enable this connectivity and to meet the future requirements, a solution that provides sufficient data rate must be developed. One technological candidate that can be used to meet the data rate requirements is Ultra-Wide Band. This thesis investigates the ultra-wideband propagation environment in intra-vehicular environments. In order to evaluate the performances of UWB inside a vehicle, channel models that accurately reproduce the intra-vehicular propagation characteristics are required. Because of obvious similarities, the proposed model is based on reverberation chamber theory. Given the small size of the environment and the proximity of the antennas to the passengers, one goal of intra-vehicular communications is to reduce the energy absorbed by the passengers while maximizing the energy at the position of the intended receiver. Among the possible solutions, Time Reversal appears to be the ideal technique to meet this objective. Time Reversal permits to spatially and temporally focus the electromagnetic signal at the receiver. In this thesis, a performance evaluation of Time Reversal inside a car is proposed. Moreover, a model of the spatial properties of the total energy of a signal using Time Reversal is proposed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’utilisation d’une chambre réverbérante pour modéliser un canal de communication<p>sans fil a récemment été proposée. La chambre réverbérante est une cavité<p>métallique fermée dans laquelle se trouve une pale mécanique en mouvement<p>permettant de modifier les conditions aux limites et d’ainsi obtenir en moyenne<p>une répartition uniforme des champs. Cette cavité métallique fermée présente de<p>nombreux avantages pour modéliser un canal de communication. Citons principalement<p>le fait que l’environnement est reproductible grâce au mouvement de<p>la pale.<p>L’étude détaillée du canal de communication sans fil à l’intérieur de cet environnement<p>est le sujet de cette thèse. Nous développons à la fois une approche<p>théorique et expérimentale (dans 3 chambres réverbérantes différentes). En particulier,<p>on caractérise ce canal dans les dimensions temporelles, fréquentielles<p>et spatiales afin de dériver ensuite un modèle de canal. Nous nous intéressons en<p>particulier aux systèmes sans fil multi-antennes car ceux-ci exploitent les trois<p>dimensions (temps, fréquence, position).<p>Ensuite, nous comparons l’environnement en chambre réverbérante au cas d’un<p>environnement confiné, à savoir une voiture. Nous testons également une chaîne<p>complète de transmission OFDM et SC-FDE sur base du modèle de canal en<p>chambre développé dans cette thèse.<p>Enfin, nous présentons un nouveau système de test composé de deux chambres<p>réverbérantes couplées à l’aide d’un guide d’ondes dont les dimensions transverses<p>peuvent être changées. Grâce à ce guide d’ondes, le degré de liberté du<p>canal multi-antennes peut être contrôlé. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished