L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier l'association des techniques de transmission multi-antennes (MIMO) avec des schémas de réception itératifs dans un contexte de transmission sans fil haut débit.<br /><br />A largeur de bande et qualité de réception équivalentes, l'utilisation d'antennes multiples en communications numériques permet d'augmenter le débit utile de la transmission. Cependant sous l'hypothèse d'une non connaissance du canal à l'émission, les potentialités du canal MIMO ne sont généralement exploitées qu'au prix d'une réception très complexe, difficilement réalisable au sein d'un circuit intégré. <br /><br />Tout d'abord, afin de lutter contre la sélectivité fréquentielle et de simplifier le traitement en réception, nous choisissons d'associer la modulation multi-porteuses OFDM à des schémas de transmission MIMO. Par ailleurs, en étendant les résultats obtenus dans le domaine de la turbo-égalisation au contexte multi-antennes, nous étudions une technique de réception itérative adaptée au schéma de transmission MIMO-OFDM. L'utilisation de filtres linéaires optimisés au sens du critère Minimum Mean Square Error (MMSE) confère aux récepteurs une complexité raisonnable et conciliable avec les exigences d'implémentation.<br /><br />Les récepteurs proposés sont ensuite associés à des techniques complémentaires telles que le précodage linéaire ou le MC-CDMA. Il est démontré qu'en dimensionnant convenablement l'émission il est possible de tirer parti de toute la diversité du canal de propagation tout en exploitant de façon optimale sa capacité.<br /><br />Les performances de différents systèmes sont enfin évaluées sur différents canaux théoriques puis réalistes, en examinant notamment l'influence de la corrélation entre antennes et en intégrant la fonction d'estimation de canal. Dans ces différents contextes, la comparaison avec des systèmes conventionnels montre l'intérêt d'utiliser une réception itérative.

L’estimation de canal joue un rôle important dans les communications mobiles sans fil et en particulier dans les systèmes multi-antennes MIMO. Contrairement aux techniques classiques d’estimation de canal basées sur des séquences d’apprentissage ou des symboles pilotes, les techniques aveugles ne nécessitent aucune insertion de symboles d'apprentissage et permettent d'augmenter le débit utile. Les principales difficultés des techniques aveugles résident dans l’ambiguïté présente sur les estimées. Les techniques d’estimation semi-aveugles, basées sur les mêmes méthodes que l’estimation aveugle, sont plus robustes. Elles exploitent l’information aveugle ainsi que l’information provenant d’un nombre réduit de symboles d’apprentissage. Cette estimation du canal de communication est très utile dans les systèmes MIMO et permet de précoder le signal MIMO-OFDM en lui appliquant un pré-mélange permettant d'améliorer les performances. De nombreux types de précodeurs existent et leurs performances varient en fonction des critères d'optimisation retenus (Water-Filling, MMSE, Equal Error, max-SNR, max-d min …), mais aussi avec la qualité de l'estimation du canal de communication. Nous étudions dans cette thèse l’impact de l’utilisation de l’information du canal (CSI) provenant des méthodes d’estimation aveugle et semi-aveugle, dans l’application des précodeurs linéaires MIMO. Nous présentons également une étude statistique de l’erreur d’estimation provenant de ces méthodes. L’optimisation de ces précodeurs nous mène par la suite à exploiter un autre procédé permettant l’amélioration des performances : les codes correcteurs d’erreur. Nous nous intéressons particulièrement aux codes LDPC non-binaires et leur association avec les précodeurs linéaires MIMO. Nous montrons qu’une adaptation est possible et s’avère bénéfique dans certains cas. L’optimisation de cette association nous a permis de proposer un nouveau précodeur basé sur la maximisation de l’information mutuelle, robuste et plus performant. / Channel estimation plays an important role in wireless mobile communications, especially in MIMO systems. Unlike conventional channel estimation techniques based on training sequences or pilot symbols, blind techniques does not require the insertion of training symbols and allow higher throughput. The main problems of the blind lies in the ambiguity over the estimated channel. Based on the same methods as the blind estimation, the semi-blind estimation techniques are more robust. They exploit the blind information along with information provided by a small number of training symbols. The channel estimation is useful in MIMO systems and allows the precoding of the MIMO-OFDM signal by applying a pre-mixture in order to improve performance. Many types of precoders exist and their performance varies depending not only on the optimization criteria (Water-Filling, MMSE, Equal Error, max-SNR, max-d min ...), but also on the estimated channel. In this thesis we study the impact of using the channel information (CSI) from the blind and semi-blind estimation techniques to apply MIMO linear precoders. We also present a statistical study of the estimation error of these methods. The optimization of these precoders leads eventually to use another process allowing more performance improvement: the error correcting codes. We are particularly interested in non-binary LDPC codes and their association with linear MIMO precoders. We show that a matching is possible, and is beneficial in some cases. The optimization of this combination has allowed us to propose a new robust and more efficient precoder based on the maximization of mutual information.

Le premier système de TV numérique utilisant la modulation OFDM à avoir été standardisé est le système DVB-T. Ses algorithmes d'estimation de canal et de synchronisation fréquentielle sont basés sur l'exploitation de symboles pilotes qui sont connus à l'avance par les récepteurs et sont transmis sur certaines sous-porteuses. Dans notre étude, nous proposons d'étaler chaque symbole pilote sur plusieurs sous-porteuses. De nouveaux algorithmes de réception basés sur ces pilotes étalés sont développés et analysés. Aussi, un nouveau schéma MIMO appelé Space Code Block Code est proposé pour l'estimation de canal. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'optimisation de schémas MIMO dans un réseau mono-fréquence (SFN). Un nouveau schéma MIMO appelé Space Time Space Block Code ou MIMO 3D est proposé. Une analyse sur le choix des différents codes constituant le schéma MIMO 3D est effectuée pour un réseau SFN avec deux sites puis trois sites d'émission.

Les standards « Long-term evolution » (LTE) et LTE-Advanced (LTE-A) devraient influencer fortement l’avenir de la cinquième génération (5G) des réseaux mobiles. Ces normes exigent de hauts débits de données et une qualité de service de très bon niveau, ce qui permet d’assurer un faible taux d’erreur, avec une faible latence. Par ailleurs, la complexité doit être limitée. Dans le but de déterminer des solutions technologiques modernes qui satisfont ces contraintes fortes, nous étudions dans la thèse des systèmes de communication sans fil MIMO codés. D’abord, nous imposons un simple code convolutif récursif systématique (RSC) pour limiter la complexité et la latence. En considérant des récepteurs itératifs, nous optimisons alors la performance en termes de taux d’erreur de ces systèmes en définissant un précodage linéaire MIMO et des techniques de mapping appropriées. Dans la deuxième partie de la thèse, nous remplaçons le RSC par un LDPC non-binaire (NB-LDPC). Nous proposons d’utiliser les techniques de précodage MIMO afin de réduire la complexité des récepteurs des systèmes MIMO intégrant des codes NB-LDPC. Enfin, nous proposons également un nouvel algorithme de décodage itératif à faible complexité adapté aux codes NB-LDPC. / The long-term evolution (LTE) and the LTE-Advanced (LTE-A) standardizations are predicted to play essential roles in the future fifth-generation (5G) mobile networks. These standardizations require high data rate and high quality of service, which assures low error-rate and low latency. Besides, as discussed in the recent surveys, low complexity communication systems are also essential in the next 5G mobile networks. To adapt to the modern trend of technology, in this PhD thesis, we investigate the multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication schemes. In the first part of this thesis, low-complex forward error correction (FEC) codes are used for low complexity and latency. By considering iterative receivers at the receiver side, we exploit MIMO linear precoding and mapping methods to optimize the error-rate performance of these systems. In the second part of this thesis, non-binary low density parity check (NB-LDPC) codes are investigated. We propose to use MIMO precoders to reduce the complexity for NB-LDPC encoded MIMO systems. A novel low complexity decoding algorithm for NB-LDPC codes is also proposed at the end of this thesis.

L'engouement du grand public pour les objets communicants et l'évolution des technologies a entraîné le besoin de transférer des quantités grandissantes d'informations en un minimum de temps. L'arrivée de l'UWB à la fin des années 90 a apporté aux communications sans fil une solution à cette problématique. L'UWB permet en effet d'atteindre de très hauts débits de transmission sur de courtes distances dans des environnements intra-bâtiment. Parmi les solutions envisagées pour cette nouvelle couche physique très haut débit, le système MB-OFDM répond bien aux contraintes environnementales. L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier et de proposer une amélioration du système MB-OFDM.<br /><br />Après la présentation du système MB-OFDM et de ses performances, nous proposons une nouvelle forme d'onde pour l'UWB nommée LP-OFDM. Elle est obtenue en ajoutant au système MB-OFDM une fonction de précodage linéaire combinant avantageusement l'OFDM et la technique d'étalement de spectre. L'utilisation du précodage linéaire permet une meilleure exploitation de la diversité fréquentielle du canal. Il offre également une plus grande granularité dans le choix des débits, augmentant ainsi la flexibilité du système. Il est important de souligner que l'ajout de la fonction de précodage linéaire s'accompagne d'une augmentation minime de la complexité du système.<br /><br />Des techniques d'optimisation du système sont proposées. Afin de minimiser l'interférence entre les codes d'étalement, une technique reposant sur l'allocation des séquences d'étalement est décrite et un critère de sélection proposé. Nous avons également mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre le rendement de codage et la longueur des séquences d'étalement afin de tirer au mieux partie de la diversité du canal tout en limitant l'interférence entre les codes. Une amélioration notable des performances du système LP-OFDM est ainsi obtenue par rapport au système MB-OFDM. Le système LP-OFDM étendu au cas du MIMO utilisant un codage temps-espace d'Alamouti est également étudié. Les résultats obtenus montrent là encore une amélioration significative des performances permettant d'envisager une augmentation de la portée ou des débits de transmission.<br /><br />Enfin, l'impact d'un interférent à bande étroite de type WiMAX sur les performances du système LP-OFDM est étudié comparativement au système MB-OFDM. Il en ressort que le système LP-OFDM est plus robuste que le système MB-OFDM face à un brouilleur. L'utilisation du précodage linéaire permet en effet d'étaler la puissance du signal interférent en réception lors du déprécodage linéaire.