Entrées multiples, sorties multiples (MIMO) massif est considéré comme l'une des technologies clés de la prochaine génération de communications sans fil. Afin d'effectuer des algorithmes de formation de faisceau en liaison descendante (DL) avec un grand réseau d'antennes, le plus grand défi est l'acquisition d'informations précises d'état de canal à l'émetteur (CSIT). Pour relever ce défi, le duplex à division temporelle (TDD) est favorable aux systèmes MIMO massif grâce à sa réciprocité de canal de la DL et la liaison montante (UL). Cependant, alors que le canal physique dans l'air est réciproque, les front-ends de radiofréquence (RF) dans les émetteurs-récepteurs ne le sont pas ; par conséquent, la calibration devrait être utilisée dans des systèmes pratiques pour compenser l'asymétrie matérielle RF. Dans cette thèse, nous nous efforçons de transformer le concept MIMO massif en réalité en utilisant la calibration de la réciprocité TDD. Les contributions peuvent être résumées comme suit. Tout d'abord, nous proposons un cadre unifié pour la calibration de la réciprocité, qui généralise diverses méthodes de calibration existant dans la littérature, offrant une vue supérieure sur le problème de calibration ainsi que l'ouverture de nombreuses innovations sur les méthodes de calibration. Deuxièmement, sur la base de cette représentation générale, nous proposons trois nouveaux schémas de calibration : une méthode de calibration rapide basée sur le groupement d'antennes, un schéma de calibration pour l'architecture hybride de formation de faisceau, ainsi qu'un mécanisme de suivi des paramètres de calibration et de surveillance de la santé du système qui permet une détection rapide du changement de paramètre. Troisièmement, nous avons effectué des mesures des paramètres de calibration sur une plate-forme réelle afin de révéler les propriétés matérielles. Quatrièmement, nous étudions, du point de vue du système, avec quelle précision un système MIMO massif TDD devrait être calibré. Enfin, grâce à la calibration de réciprocité TDD, nous avons construit un banc d’essai pour MIMO massif, qui est compatible avec l'évolution à long terme (LTE) basé sur la plate-forme « open source » OpenAirInterface, et peut directement fournir un service Internet à un appareil commercial. Le banc d'essai démontre la faisabilité d'intégrer le MIMO massif dans les normes actuelles du projet de partenariat de troisième génération (3GPP) et son utilisation dans le 5G peut être une évolution à partir des systèmes 4G actuels. / Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is considered as one of the key technologies that will enable the next generation of wireless communications. In order to perform downlink (DL) beamforming algorithms with large antenna arrays, the biggest challenge is the acquisition of accurate channel state information at the transmitter (CSIT). To take up this challenge, time division duplex (TDD) is favorable to massive MIMO systems thanks to its channel reciprocity in DL and uplink (UL). However, while the physical channel in the air is reciprocal, the radio-frequency (RF) front-ends in transceivers are not; therefore, calibration should be used in practical systems to compensate the RF hardware asymmetry. In this thesis, we focus on turning massive MIMO concept into reality based on TDD reciprocity calibration. The contributions can be summarized as follows. First, we propose a unified framework for reciprocity calibration, which generalizes various calibration methods existing in literature, providing a higher level view on the calibration problem as well as opening up possibilities of numerous innovations on calibration methods. Second, based on this general representation, we propose three new calibration schemes: a fast calibration method based on antenna grouping, a calibration scheme for hybrid beamforming architecture, as well as a calibration parameter tracking and system health monitoring mechanism which allows fast detection of parameter change. Third, we carried out measurements of calibration parameters on a real platform in order to reveal the hardware properties. Fourth, we study, from a system point of view, how accurately a TDD massive MIMO system should be calibrated. Last but not least, enabled by TDD reciprocity calibration, we build up an open source long term evolution (LTE) compatible massive MIMO testbed based on the OpenAirInterface platform, which can directly provide Internet service to a commercial device. The testbed demonstrates the feasibility of integrating massive MIMO into current 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standards and its usage in 5G can be a smooth evolution from current 4G systems.

Les réseaux radio actuelles utilisent le spectre inefficacement, car une bande de fréquence est allouée de façon permanente à une technologie spécifique. Vu que le spectre est une ressource limitée, cette attribution statique ne pourra bientôt plus combler les besoins des systèmes de transmission qui ne cessent de croître. On peut toutefois optimiser l'utilisation du spectre en permettant des transmissions secondaires (SU) dans les espaces libres du primaire (PU). Cette vision constitue l'objectif principal de la radio cognitive. Nous proposons d'évaluer les stratégies de transmission pour la coexistence des systèmes primaires (PU) et SU dans les mêmes réseaux. Plus concrètement, nous nous focalisons sur un scénario spatial interweave en émettant les signaux SU dans les espaces vides du PU à l'aide d'un précodeur linéaire. Néanmoins, ce précodage nécessite une connaissance a priori des canaux interférents. L'échange d'informations entre le PU et le SU étant proscrit, nous exploitons l'hypothèse de la réciprocité du canal. Cette hypothèse compense l'absence de coopération, mais elle n'est pas si évidente à exploiter en pratique à cause des perturbations des circuits radio fréquence. Nous suggérons de compenser ces perturbations par des méthodes de calibration relative. Nous proposons ensuite une implémentation temps-réel des solutions sur une plateforme LTE. Pour finir, nous généralisons l'approche RC à un système de transmission multi-utilisateurs, à travers une combinaison des techniques RC et massive MIMO, cette approche constitue s’établit comme une solution à la progression exponentielle du trafic. / The accelerated evolution of wireless transmission in recent years has dramatically increased the spectrum overcrowding. Indeed, the spectrum is inefficiently used in the conventional networks, since a frequency band is statically allocated to a specific technology called primary (PU). Whereas the radio spectrum is limited, this static frequency allocation will no longer be able to meet the increasing needs of bandwidth. However, the spectrum can be optimally used in enabling secondary (SU) transmissions, provided the latters do not harm the PU. This opportunistic vision of wireless transmissions is the main aim of Cognitive Radio (CR). CR enables smart use of wireless resources and is a key ingredient to perform high spectral efficiency. We focus on a spatial interweave (SIW) CR scenario which exploits the spatial white spaces to enable SU transmissions. The latter forms spatial beams using precoders, so that there is no interference towards the primary. Nevertheless, this precoding requires acquisition of the crosslink channel. However, due to the lack of cooperation between PU and SU, we acquire the channel thanks to channel reciprocity. Furthermore, the practical use of the reciprocity is not as straightforward as in theory, because it is is jeopardized by the nonreciprocal radio frequency front-ends. These perturbations are compensated in our study by relative calibration algorithms. Subsequently, we propose an implementation of our solutions in a real-time LTE platform. Eventually, we extend the CR model to a MU system in suggesting a combination of SIW and massive MIMO techniques. This scheme is an interesting candidate to overcome the exponential traffic growth.