L'Internet des objets est l'un des concepts clefs stimulant l'évolution des réseaux mobiles dans le but de leur donner de nouvelles fonctionnalités de communication et de gestion d'objets dits connectés. Comparativement aux terminaux mobiles standards, les usages associés à ces objets connectés sont en général caractérisés par des débits modestes et de faibles ressources en capacité de calcul et en énergie. Les techniques de modulation spatiale (SM) sont proposées comme une solution prometteuse pour assurer les débits des objets connectés tout en maîtrisant le critère de la consommation énergétique. L'objectif de cette thèse est d'étudier les performances de différents schémas de transmission basés sur le concept SM mis en oeuvre en transmission ou en réception. Nous avons notamment proposé un système global de communication en liaisons montante (SM en transmission) et descendante (SM en réception) entre une station de base et un objet, dans lequel l'essentiel de la complexité de calcul est concentré à la station de base. Par ce système, une liaison avec un objet peut être établie en limitant les traitements au sein de l'objet à di simples fonctions d'activation/désactivation d'antenne et de détection à seuil. Par ailleurs, nous avons proposé des schémas SM étendus grâce auxquels l'efficacité spectrale atteignable devient égale au nombre d'antennes au sein de l'objet. Les expressions analytiques de la probabilité d'erreur binaire ont été développées pour l'ensemble des systèmes étudiés en utilisant différentes méthodes de détection. L'impact de la connaissance imparfaite de l'état des canaux de propagation ainsi que l'effet des corrélations entre antennes ont également été incorporés dans l'étude des performances des schémas SM de réception. Dans une dernière partie, nous avons proposé d'adapter les schémas SM de réception dans un environnement de propagation en ondes millimétriques en utilisant une formation de faisceau hybride analogique/numérique au niveau de l'émetteur. / Internet of Things is one of the keyword that represents the evolution in 5G that is able to connect the so-called Connected Devices (CD) to the network. These CDs are expected to require modest data rates and will be characterized by low resources in terms of both computation and energy consumption compared to other mobile multi-media devices. Spatial Modulation (SM) is proposed to be a promising solution to boost the data rate of the CD with a small ( or no) increase in energy consumption. Inspired by the advantages of SM, the objective of this thesis is to study the performance of different transmission scheme based on the SM concept at the transmitter and at tht receiver, for respectively an uplink and a downlink transmission between a BS and a CD. We proposed a global system where the higher computational complexity remains at the BS: The transmit SM is used for uplink, and the receive SM for downlink. It is shown that with SM, an ON­OFF keying for uplink and Single Tap detector for downlink could be sufficient for the transmission a the CD. Also, with Extended SM schemes, we increased the spectral efficiency of SM to be equal t< the number of antennas of CD in both uplink and downlink transmission. A framework for the derivation of the Bit Error Probability (BEP) is developed for all schemes with different detection methods. Impact of imperfect CSIT transmission has been studied when linear precoding is implemented for the receive spatial modulation, as well as the effect of antenna correlations. Finally we proposed to adapte the spatial modulation at the receiver with the mmWave environment, using hybrid beamformina at the transmitter.

De nos jours, l'utilisation des drones ne cesse d'augmenter et de nombreuses études sont réalisées afin de mettre en place des systèmes de communication dronique destinés à des applications non seulement militaires mais aussi civiles. Pour le moment, les règles d'intégration des drones commerciaux dans l’espace aérien doivent encore être définies et le principal enjeu occupation est d'assurer une communication fiable et sécurisée. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte de communication. Motivée par la croissance rapide du nombre des drones et par les nouvelles générations des drones commandés par satellite, la thèse vise à étudier les différents liens possibles qui relient le drone aux autres composants du système de communication. Trois principaux liens sont à mettre en place : le lien de contrôle, le lien de retour et le lien de mission. En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes droniques, l'efficacité spectrale devient un paramètre crucial pour leur déploiement à grande échelle. Afin de mettre en place un système de communication par drones spectralement efficace, une bonne compréhension des canaux de transmission pour chacune des trois liaisons est indispensable, ainsi qu’un choix judicieux de la forme d’onde. Cette thèse commence par étudier les canaux de propagation pour chaque liaison : canaux de type muti-trajets avec ligne de vue directe, dans un contexte d’utilisation de drones à moyenne altitude et longue endurance (drones MALE). L’objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux algorithmes de réception permettant d’estimer et égaliser ces canaux de propagation muti-trajets. Les méthodes proposées dépendent du choix de la forme d’onde. Du fait de la présence d’un lien satellite, les formes d’onde considérées sont de type mono-porteuse (avec un faible facteur de crête) : SC et EW-SCOFDM. L’égalisation est réalisée dans le domaine temporel (SC) ou fréquentiel (EW-SC-OFDM). L'architecture UAV prévoit l'implantation de deux antennes placées aux ailes. Ces deux antennes peuvent être utilisées pour augmenter le gain de diversité (gain de matrice de canal). Afin de réduire la complexité de l'égalisation des canaux, la forme d'onde EW-SC-OFDM est proposée et étudiée dans un contexte muti-antennes, dans le but d'améliorer l'endurance de l'UAV et d'accroître l'efficacité spectrale, une nouvelle technique de modulation est considérée: Modulation spatiale ( SM). Dans SM, les antennes de transmission sont activées en alternance. L'utilisation de la forme d'onde EW-SC-OFDM combinée à la technique SM nous permet de proposer de nouvelles structures modifiées qui exploitent l’étalement spectrale pour mieux protéger des bits de sélection des antennes émettrices et ainsi améliorer les performances du système. / Nowadays, several studies are launched for the design of reliable and safe communications systems that introduce Unmanned Aerial Vehicle (UAV), this paves the way for UAV communication systems to play an important role in a lot of applications for non-segregated military and civil airspaces. Until today, rules for integrating commercial UAVs in airspace still need to be defined, the design of secure, highly reliable and cost effective communications systems still a challenging task. This thesis is part of this communication context. Motivated by the rapid growth of UAV quantities and by the new generations of UAVs controlled by satellite, the thesis aims to study the various possible UAV links which connect UAV/aircraft to other communication system components (satellite, terrestrial networks, etc.). Three main links are considered: the Forward link, the Return link and the Mission link. Due to spectrum scarcity and higher concentration in aircraft density, spectral efficiency becomes a crucial parameter for largescale deployment of UAVs. In order to set up a spectrally efficient UAV communication system, a good understanding of transmission channel for each link is indispensable, as well as a judicious choice of the waveform. This thesis begins to study propagation channels for each link: a mutipath channels through radio Line-of-Sight (LOS) links, in a context of using Meduim Altitude Long drones Endurance (MALE) UAVs. The objective of this thesis is to maximize the solutions and the algorithms used for signal reception such as channel estimation and channel equalization. These algorithms will be used to estimate and to equalize the existing muti-path propagation channels. Furthermore, the proposed methods depend on the choosen waveform. Because of the presence of satellite link, in this thesis, we consider two low-papr linear waveforms: classical Single-Carrier (SC) waveform and Extented Weighted Single-Carrier Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (EW-SC-OFDM) waveform. channel estimation and channel equalization are performed in the time-domain (SC) or in the frequency-domain (EW-SC-OFDM). UAV architecture envisages the implantation of two antennas placed at wings. These two antennas can be used to increase diversity gain (channel matrix gain). In order to reduce channel equalization complexity, the EWSC- OFDM waveform is proposed and studied in a muti-antennas context, also for the purpose of enhancing UAV endurance and also increasing spectral efficiency, a new modulation technique is considered: Spatial Modulation (SM). In SM, transmit antennas are activated in an alternating manner. The use of EW-SC-OFDM waveform combined to SM technique allows us to propose new modified structures which exploit exces bandwidth to improve antenna bit protection and thus enhancing system performances.

Cette thèse étudie la technique dite de ‘Retournement Temporel’ afin d’améliorer l’efficacité énergétique des futurs réseaux mobiles d’une part, et réduire le coût des futurs terminaux mobiles, d’autre part. Le retournement temporel consiste à utiliser l’inverse temporel de la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre un émetteur et un récepteur pour préfiltrer l’émission d’un signal de données. Avantageusement, le signal ainsi préfiltré est reçu avec une puissance renforcée (c’est la focalisation spatiale) et un écho principal qui est renforcé par rapport aux échos secondaires (c’est la compression temporelle). Lors d’une étape préalable d’apprentissage, l’émetteur estime le canal en mesurant un signal pilote provenant du récepteur. La focalisation spatiotemporelle n’est obtenue qu’à condition que la propagation demeure identique entre la phase d’apprentissage et la phase de transmission de données : c’est la condition de ‘réciprocité du canal’. De nombreux travaux montrent que la focalisation spatiale permet de réduire la puissance émise nécessaire pour atteindre une puissance cible au récepteur d’une part, et que la compression temporelle permet de réduire la complexité du récepteur nécessaire pour gérer l’effet des échos multiples, d’autre part. Cependant, les études sur la réduction de la complexité du récepteur se limitent à l’ultra large bande. Des travaux de cette thèse (basés sur des simulations et des mesures expérimentales) montrent que pour des bandes de fréquences plus typiques des futurs réseaux mobiles (fréquence porteuse à 1GHz et spectre de 30 MHz à 100 MHz), grâce au retournement temporel, un récepteur simple et un signal monoporteuse suffisent pour atteindre de hauts débits. En outre, la condition de réciprocité du canal n’est pas vérifiée dans deux scénarios typiques des réseaux mobiles. Tout d’abord, dans la plupart des réseaux mobiles européens, le mode de duplex en fréquence est utilisé. Ce mode implique que l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre sur des fréquences porteuses distinctes, et donc à travers des canaux de propagations différents. De plus, lorsqu’on considère un récepteur sur un véhicule connecté en mouvement, l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre à des instants distincts, correspondants à des positions distinctes du véhicule, et donc à travers des canaux de propagations différents. Des travaux de cette thèse proposent des solutions pour obtenir la focalisation spatio-temporelle dans ces deux scenarios. Enfin, des travaux de la thèse explorent la combinaison du retournement temporel avec d’autres techniques de traitement de signal récentes (la modulation spatiale, d’une part, et une nouvelle forme d’onde multiporteuse, d’autre part), ou des scenarios de déploiement nouveaux (ondes millimétriques et très grands réseaux d’antennes pour inter-connecter les noeuds d’un réseau ultra dense) ou de nouvelles applications (guidage et navigation) envisageables pour les futurs réseaux mobiles. / This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a prefilter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the ‘channel reciprocity’ condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to interconnect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks.

Le développement de méthodes rapides, précises et ultra-sensibles pour la détection d'analytes cibles en solution est crucial pour la recherche et les applications potentielles en médecine ou biologie moléculaire. Une approche très prometteuse consiste à développer des nano-capteurs à partir de nano-objets métalliques (NOM) qui présentent une résonance d'extinction dans leur réponse optique. Cette résonance nommée résonance de plasmon de surface localisée (RPSL) peut être ajustée spectralement en jouant sur la nature, la morphologie et l'environnement du NOM. Mesurer des modifications sur la RPSL de nano-objets individuels en présence d'analytes cibles doit permettre de s'affranchir des effets de moyennes dans les mesures d'ensemble. De plus, cela ouvre la voie vers le développement d'échantillons micrométriques pour des tests multicibles sans étiquette (« label-free »).Dans ce travail on a développé un nouveau dispositif expérimental basé sur la technique de spectroscopie à modulation spatiale (SMS) permettant de sonder la réponse optique de NOM individuels en milieu liquide. En parallèle des méthodes de synthèse ont été mises au point pour obtenir des échantillons sondes stables permettant des mesures sur NOM unique, en particulier sur des bipyramides d'or qui présentent de nombreuses qualités intrinsèques faisant d'elles de bonnes candidates pour le « bio-sensing ».Des mesures ont été réalisées dans des environnements d'indice variable et les changements détectés sont en bon accord avec les simulations théoriques. De plus, de nombreuses études ont été réalisées pour comprendre l'influence des nombreux paramètres agissant sur la réponse optique des systèmes étudiés / Advances in the development of rapid, accurate and highly sensitive methods for detecting target analytes in solution will provide crucial tools for research and applications in medicine and molecular biology. One of the currently most promising approaches is the development of nanosensors based on the localized surface plasmon resonance (LSPR) of noble metal nano-objects (MNOs), which is an optical response that depends on their size, shape, composition and local environment. The ability to measure the modification of the reponse of a single MNO in the presence of a target analyte would allow each object to act as an independent probe with increased sensitivity as the signal would be isolated from the averaging effects of ensemble measurements. Furthermore it would allow the development of micrometric, functionalized multiprobe samples for multitarget label-free assays.In this work, a novel experimental setup based on the spatial modulation spectroscopy (SMS) technique has been developed to measure the optical response of individual nano-objects in a liquid environment. In parallel, a new technique has also been developed to elaborate stable probes for measurements with the new setup, with a focus on gold bipyramids due to numerous qualities that make them excellent candidates for biosensing probes. The setup has been used to measure the response of individual objects in environments of different real refractive indices and the detected changes have been shown to be in good agreement with theoretical calculations. Numerical studies have also been performed to investigate the influence on the optical response of numerous factors encountered in the studied systems

Au cours de ce travail de thèse à caractère expérimental, nous nous sommes attachés à mesurer les spectres absolus de section efficace d’absorption de nanotubes de carbone individuels placés dans différents environnements. Pour ce faire, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur la technique de spectroscopie à modulation spatiale qui permet d’accéder de manière directe à la section efficace d’absorption de nano-objets individuels. Cette méthode ne requière aucun a priori sur les propriétés des nanotubes, et très important nous affranchit des effets d’ensemble. Ainsi, nous avons pu étudier les propriétés d’absorption de nanotubes individuels simple et double parois dans les environnements suivants : suspendus librement, agrégés en petit fagot, et déposés sur substrat. Plus précisément, l’évolution de l’absorption excitonique des nanotubes est analysée en fonction des paramètres structuraux (diamètre, nombre de parois, chiralité) et de l’environnement de ces derniers. Un autre aspect de cette thèse a pour objet l’analyse des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de gaz de l’ordre du gigapascal, avec la possibilité d’accéder au régime des basses températures. Ici, nous nous sommes concentrés sur l’étude de transistors à effet de champ composés de petits fagots de nanotubes de carbone contactés à leurs extrémités par des électrodes en palladium. Dans ce cadre, nous avons notamment réalisé la première observation de l’effet de blocage de Coulomb sous pression. Au final, ce travail de thèse a permis d’analyser les propriétés optiques et électroniques intrinsèques aux nanotubes de carbone et leur évolution sous l’effet de différents environnements (écrantage diélectrique, dopage chimique, contrainte mécanique et pression hydrostatique). Ce travail a pu être réalisé grâce au développement de nouvelles techniques permettant de sonder ces propriétés au niveau du nanotube individuel / In this dissertation, we report on the experimental investigation of the optical properties of single- and double-wall carbon nanotubes. Despite numerous studies performed using photoluminescence or Raman and Rayleigh scattering, knowledge of their optical response is still partial. In particular direct quantitative measurement of their absorption cross-section has not been achieved yet. Using spatial modulation spectroscopy we have determined, over a broad optical spectral range, the spectrum and amplitude of the absorption cross-section of identified individual single- and double-wall carbon nanotubes. These quantitative measurements permit the determination of the oscillator strength of the different excitonic resonances. Furthermore, investigation of the same nanotube, either a single-wall or double-wall nanotube, freestanding or deposited on a substrate shows large broadening with increase of oscillator strength of the excitonic resonances, as well as stark weakening of polarization dependent antenna effects, due to nanotube-substrate interaction. Similar study on nanotube bundles and double-wall nanotubes demonstrate the importance of inter-tube and inter-wall exciton coupling effects which seem to be of different nature in these two types of sample. The second part of this thesis studies electrical transport in carbon nanotube bundles under high pressure condition and low temperature. The behavior of nanotubebased field-effect transistors has been investigated, in the classical and Coulomb blockade regime, under gas-pressure up to 0.9 GPa. Overall, this dissertation communicates on the quantitative analysis of the absorption and electronic properties of carbon nanotubes and how they are influenced by various environmental effects such as dielectric screening, stress induced strain, hydrostatic pressure, or chemical doping. The novelty of this work is to address these issues at the single nanotube level