Dans les réseaux mobiles du future, un déploiement plus dense des points d’accés radio est prévu pour satisfaire la demande accrue de débit, mais les terminaux utilisateurs peuvent être affectés par une interférence inter-cellulaire plus forte. Par chance, la centralisation des traitements de signal en bande de base dans l’achitecture Cloud RAN (C-RAN) offre la possibilité de la coordination et du traitement conjoint de plusieurs cellules. Pour réellement permettre de déployer ces techniques, une étude bout-à-bout du CRAN est nécessaire selon plusieurs aspects, notamment l’architecture fonctionnelle, la stratégie de coordination, l’implémentation du traitement de signal multiutilisateur et les optimisations possibles pour un fonctionnement plus efficace.Dans cette thèse, nous proposons en premier une architecture qui définit le placement des fonctions du traitement en bande de base entre les unités distribuées et le serveur central. Le but de ce design est de permettre la réalisation des fonctions multi-utilisateurs en transmettant avec la moins de débit possible sur les liens de fronthaul reliant les différentes entités. Dans un second temps, nous présentons comment il est possible de coordiner les différentes cellules servies par le C-RAN en utilisant le concept de réseaux définis par logiciels adapté pour les réseaux d’accès radio. Nous avons mis en place un prototype démontrant la faisabilité de la méthode de contrôle proposée. Finalement, nous étudions l’allocation adaptative du débit sur les liens de fronthaul transportant les symboles numériques quantifiés des utilisateurs en besoin de traitement multi-cellulaire sur la voie montante pour exploiter l’interférence entre eux. Nous proposons un modèle d’optimisation qui inclut le coût des transmissions fronthaul pour maximiser ainsi le gain obtenu par l’opérateur du réseau où la communication multiutilisateur a lieu. Nous réalisons l’optimisation pour différents modèles de coût et en utilisants deux types de données: d’abord les estimations de canal supposées parfaites et disponibles en temps réel, puis seulement les statistiques du canal. Nous montrons que la méthode d’optimisation proposée permet d’exploiter plus efficacement les liens de fronthaul dans l’architecture précedemment définie. / In future mobile networks denser deployment of radio access points is planned to satisfy demand of higher throughput, but an increased number of mobile users can suffer from inter-cell interference. Fortunately, the centralization of base-band processing offered by Cloud Radio Access Network (C-RAN) architecture enables coordination and joint physical layer processing between cells. To make practical deployment of these techniques possible, we have to study C-RAN in an end-to-end view regarding several aspects: the functional architecture of a deployment, the multi-cell coordination strategy, the implementation of multi-user signal processing and possibilities for optimization to increase operational efficiency.In this thesis, first, we propose an architecture defining the placement of base-band processing functions between the distributed remote units and the central processing unit. The aim of this design is to enable multi-cell processing both on the uplink and the downlink while requiring low data rate between the involved entities. Secondly, we study how low latency coordination can be realized inside the central unit using software defined networking adapted to radio access networks. Our demonstration through a real-time prototype deployment shows the feasibility of the proposed control framework. Finally, we investigate adaptive allocation of fronthaul rate that is used for transferring quantized base-band symbols for users participating in uplink multi-cell reception in order to exploit interference between them. We propose an optimization model that includes the cost of fronthaul tranmissions and aims to maximize the gain of network operators from multi-user transmissions in C-RAN. We solve the optimization problem for different fronthaul pricing models, in a scenario where real-time and accurate channel estimates are available and in another where only channel statistics are exploited. Using our method - fitting in the architecture that we have defined - cost efficiency of fronthaul usage can be significantly improved.

Depuis une dizaine d'années, l'avènement des techniques multi-antennes (ou MIMO) pour les communications sans fil, mobiles ou fixes, a révolutionné les possibilités offertes pour de nombreux domaines d'application des télécommunications. La disposition de plusieurs antennes de part et d'autre du lien augmente considérablement la capacité des systèmes sans fil. Cependant, les al- gorithmes numériques à mettre en œuvre pour réaliser ces systèmes sont autrement complexes et constituent un challenge quant à la définition d'architectures matérielles performantes. L'objectif du travail présent repose précisément sur la définition optimale de solutions architecturales, dans un contexte CDMA, pour contrer cette problématique. Le premier aspect de ce travail porte sur une étude approfondie des algorithmes spatio- temporels et des méthodes de conception en vue d'une implantation matérielle efficace. De nom- breux schémas de détection sont proposés dans la littérature et sont applicables suivant trois critères qui sont : la qualité de service, le débit binaire et la complexité algorithmique. Cette dernière constitue une contrainte forte pour une mise en application à faible coût de terminaux mobiles intégrant ces applications. Aussi, il est nécessaire de disposer d'outils performants pour simuler, évaluer et affiner (prototypage rapide) ces nouveaux systèmes, candidats probables pour les télécommunications de quatrième génération. Le second aspect concerne la réalisation d'un transcepteur multi-antennes sans codage de ca- nal, intégrant la technologie d'accès multiple par répartition de codes dans le cas d'un canal large bande. Un système mono-antenne WCDMA, généralisable à un nombre quelconque d'antennes, a été intégré et simulé au sein de la plate-forme de prototypage rapide Lyrtech. L'architecture développée intègre les principaux modules du traitement en bande de base, à savoir le filtrage de Nyquist, la détection des multiples trajets suivie de l'étape de détection. Le prototype MIMO- WCDMA développé est caractérisé par sa flexibilité suivant le nombre de voies entrantes, le for- mat d'entrée des échantillons, les caractéristiques du canal sans fil et la technologie ciblée (ASIC, FPGA). Le troisième aspect se veut plus prospectif en détaillant de nouveaux mécanismes pour réduire le coût matériel des systèmes multi-antennes. Le principe d'allocation adaptative de la virgule fixe est présenté dans le but d'adapter le codage des données suivant les caractéristiques du canal sans fil et de minimiser en conséquence la complexité du circuit. D'autre part, le concept d'ar- chitectures adaptatives est proposé afin de minimiser l'énergie consommée au sein d'un système embarqué suivant le contexte d'application.

Les travaux présentés dans cette thèse proposent des solutions à forte efficacité spectrale pour les communications mobiles multi-antennes et multiporteuses, particulièrement optimisées pour la voie descendante des systèmes hertziens. Cette étude s'inscrit dans un contexte fortement concurrentiel pour l'accès de masse au haut-débit sans fil, et contribue à l'effort collectivement mené au sein des projets européens sur les systèmes dits de 4e génération (4G). La première partie du document cadre l'étude en identifiant les contraintes physiques, technologiques et financières, ainsi que les exigences des systèmes 4G en termes de services, débit et mobilité. En particulier, une complexité raisonnable au récepteur mobile est requise en voie descendante pour honorer coût et consommation. Dans un souci de réalisme, le canal de propagation radio-mobile large-bande MIMO est caractérisé. Les corrélations en temps/fréquence/espace induisent le dimensionnement du système de communication numérique proposé. La deuxième partie du document est consacrée à l'étude des systèmes multi-porteuses, multi-utilisateurs, et multi-antennes, afin d'unifier l'approche et d'explorer plusieurs axes en utilisant au mieux les propriétés du canal. Tout d'abord, le choix de l'accès large-bande multi-utilisateurs s'est porté sur la combinaison de l'OFDM et d'étalement en accès multiple CDMA, afin de discuter du compromis diversité/orthogonalité suivant les algorithmes de chip-mapping et de détection employés. Ensuite, pour exploiter les gains de réseau d'antennes, diversité et multiplexage offerts par le canal MIMO en fonction du contexte, un état de l'art des techniques multi-antennes est dressé. La classification proposée permet d'établir une stratégie tout en conservant une faible complexité de détection. Nous détaillons les systèmes les plus réalistes en contexte mobile et en voie descendante, n'ayant pas connaissance du canal en émission. La chaîne de communication MIMO-OFDM-CDMA complète est finalement présentée en insistant sur la flexibilité des algorithmes linéaires adoptés. La troisième partie du document s'attache à optimiser les combinaisons précédentes en contexte réaliste, et propose des techniques de codage et d'estimation temps/fréquence/espace innovantes. Tout d'abord, une approche pragmatique amène à considérer des solutions exploitant la diversité qui assurent robustesse, détection simple et compatibilité avec l'ensemble des terminaux. Nous privilégions un codage spatial de rendement unitaire, et proposons d'agir sur les trajets multiples grâce aux antennes supplémentaires. Des axes d'optimisation sont fournis au niveau codage, chip-mapping, détection et propagation de fiabilités. Comparé aux méthodes OSTBC ou CDD, des gains sont illustrés en performance, répartition de puissance, potentiel d'adaptabilité et de robustesse... Ensuite, en relâchant légèrement les contraintes de complexité et d'orthogonalité spatiale, nous proposons de nouvelles solutions en contexte plus favorable. Même avec une simple détection linéaire MMSE, ces techniques offrent un potentiel supérieur en haut-débit mobile dès que le nombre d'antennes augmente. Enfin, nous introduisons des méthodes d'estimation du canal MIMO adaptées aux systèmes précédents, utilisant des symboles pilotes répartis et éventuellement les données décodées de manière itérative afin de répondre à un ensemble de compromis sur des récepteurs variés. Les nombreux résultats obtenus démontrent la pertinence des solutions développées.