Le medium sans fil est une ressource partagée et limitée. Les normes sans fil actuelles partagent toujours le principe de partage du medium Half-Duplex: la transmission et la réception de signaux sont effectuées dans deux intervalles de temps distincts ou deux bandes de fréquences différentes. En outre, l'émetteur-récepteur ne peut émettre et recevoir qu’un signal à la fois. Cette thèse suit une autre approche: au lieu de partager le support avec le principe de Half-Duplex, toute la bande de fréquence autorisée est partagé pour la transmission et la réception simultanée, approche qui est appelée Full-Duplex. Dès lors, on peut concevoir une architecture d'un émetteur-récepteur radio flexible à large bande pour traiter deux types de signaux différents à la fois. Pour approcher cet objectif, nous utilisons une méthode de suppression active analogique de l’auto-interférence (AARFSIC) et l'annulation active numérique d'auto interférence dans le domaine temporel (ADSICT) pour annuler la forte auto-interférence (SI) induite par le principe Full-Duplex. Basé sur la radio Full-Duplex, nous proposons un système flexible Dual-Band (FDDB) émetteur-récepteur radio OFDM-Full Duplex en la combinant avec un front-end RF double bande. S'appuyant sur ces principes, nous exposons trois contributions principales: Nous présentons une technique d’annulation analogique de l’auto-interférence (ASIC), qui peut annuler complètement l’auto-interférence à trajet direct ou multi-trajets, basée sur la combinaison des méthodes AARFSIC et DSICT. Ensuite, nous présentons la conception et l'évaluation d'une radio OFDM Full-Duplex, y compris l'analyse et la qualification de l'impact du bruit thermique et du bruit de phase sur les performances du système. Enfin, nous développons une radio dual-bande FDDB OFDM qui peut fonctionner sur deux fragments de spectre séparés. Afin d'éliminer l'impact du déséquilibre I/Q sur la radio FDDB, une méthode d’estimation des déséquilibres I/Q et de compensation, simple mais efficace, est présentée. La simulation au niveau système menée avec ADS et Matlab montre que cette méthode peut effectivement compenser des déséquilibres I/Q aussi bien élevés que faibles. / The wireless medium is a shared and limited resource. Current wireless standards always share the medium with Half-Duplex principle: the transmission and reception of signals are done in two separate time slots or two different frequency bands. Besides, the transceiver can only transmit and receive one signal at a time. This dissertation takes an alternate approach: Instead of sharing the medium with Half-Duplex principle, the entire licensed frequency band is shared for simultaneous transmission and reception, which we call Full-Duplex. Besides, the design concept for a wideband flexible radio transceiver can process two different types of signals at a time. To approach this goal, we use an active analog radio frequency self-interference cancellation (AARFSIC) method or a combination scheme of the AARFSIC and active digital self interference cancellation in time domain (ADSICT) to cancel the strong self-interference (SI) induced by the Full-Duplex principle. Based on the Full-Duplex radio, we propose a flexible Full-Duplex Dual-Band (FDDB) OFDM radio transceiver by combining it with a Dual-Band RF front-end. Building on these, we make three main contributions: We present an active self-interference cancellation (ASIC) scheme, which can cancel both the strong one-path and multi-path SI completely, based on the combination of the AARFSIC and DSICT. Next, we introduce the design and evaluation of a Full-Duplex OFDM radio, including the analysis and qualification of the impact of the thermal noise and phase noise on the system performance. Finally, we develop a FDDB OFDM radio that can work on two separate spectrum fragments. In order to eliminate the impact of the I/Q imbalance on the FDDB radio, a simple but practical digital I/Q imbalance estimation and compensation method is presented. The system level simulation conducted with ADS and Matlab software shows that this method can effectively compensate both high and low I/Q imbalance.

Abstract This thesis considers data transmission in a full-duplex (FD) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system, where a FD capable base station (BS) bidirectionally communicates with multiple half-duplex (HD) users in downlink (DL) and uplink (UL) channels using the same radio resources. The main challenge in FD communications is how to deal with the self-interference (SI) between transmit and receive antennas at the BS. The work carried out in the thesis is motivated by recent advanced techniques in hardware design demonstrating that the SI can be suppressed to a degree that possibly allows for FD transmission in cellular networks. In particular, this thesis attempts to explore the potential gains in terms of the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) that can be brought by the FD MU-MIMO model. As the first of its kinds, the thesis aims to present a solid mathematical framework and report interesting results that foster research on wireless communications in general and FD communications in particular. For the FD system of interest the major challenge is due to the SI and co-channel interference from users in the UL channel to the ones in the DL channel, resulting in the coupling between the two channels. As a result we are concerned with the problem of joint transmit processing design to maximize the SE and EE subject to certain power constraints. Since the design problems are natually non-convex, it is difficult to find the globally optimal solutions or even when possible it is not practically appealing. Our contributions to solving these design problems are on the development of several iterative algorithms that can obtain locally optimal solutions. The proposed algorithms are built upon a framework of local optimization strategies such as the sequential parametric convex approximation and the Frank-Wolfe methods. In special cases closed-form designs are also presented. The reported results show that when the SI is sufficiently suppressed the considered FD MU-MIMO system with the proposed SE designs achieves a significantly better SE but consumes more energy, compared to the HD counterpart. In terms of EE the proposed EE scheme is superior to the proposed SE design. Moreover, in the low transmit power region, the EE design achieves a worse EE than the HD system but a better one in the high trasmit power regime when the SI power is low. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee datansiirtoa samanaikaisesti kaksisuuntaisessa (full-duplex, FD) usean käyttäjän moniantennijärjestelmässä (MU-MIMO), jossa FD-kykyinen tukiasema on yhtä aikaa yhteydessä vuorosuuntaisten (half-duplex, HD) käyttäjien kanssa laskevalla (DL) ja nousevalla (UL) siirtotiellä käyttäen samoja radioresursseja. FD-kommunikaation suurin haaste liittyy lähetys- ja vastaanottoantennien välisen omahäiriön (SI) hallintaan. Tässä työssä hyödynnetään tuoreita tutkimustuloksia, joissa edistyneillä häiriönvaimennustekniikoilla on kyetty vaimentamaan omahäiriö tasolle, jolla FD-lähetys solukkoverkoissa on toteutuskelpoista. Tässä työssä tutkitaan etenkin mahdollisia FD MU-MIMO –järjestelmän tuomia suorituskykyparannuksia spektrinkäytön tehokkuudessa (SE) ja energiatehokkuudessa (EE). Väitöskirjalla on uutuusarvoa matemaattisessa suorituskykyarvioinnissa ja työn mielenkiintoiset tulokset edistävät jatkotutkimusta aiheen ympärillä. Tutkittavan FD-järjestelmän merkittävänä haasteena on omahäiriön ja muiden käyttäjien siirtosuuntien välisen samankanavan häiriön yhteisvaikutus, jonka johdosta siirtosuunnat kytkeytyvät toisiinsa. Tämä johtaa lähetysprosessoinnin yhteisoptimointiin, jossa spektri- ja energiatehokkuus pyritään maksimoimaan määritetyillä tehorajoituksilla. Nämä suunnitteluongelmat eivät ole luonteeltaan konvekseja, joten niihin on vaikeaa löytää globaalisti optimaalisia ratkaisuja ja vaikka onnistuisikin niin ne eivät yleensä ole käytännöllisiä. Työssä esitetään useita iteratiivisia algoritmejä, joilla saavutetaan paikallisesti optimaalisia ratkaisuja. Ehdotetut algoritmit pohjautuvat paikallisten optimointistrategioiden viitekehykseen, jossa käytetään esimerkiksi peräkkäistä parametristä konveksiapproksimaatiota ja Frank-Wolfe –menetelmiä. Erityistapauksissa suljetun muodon ratkaisut on myös esitetty. Raportoidut tulokset osoittavat, että omahäiriön ollessa riittävästi vaimennettu mallinnetulla järjestelmällä saavutetaan spektrinkäytön optimointimielessä huomattavaa etua HD-verrokkiin lisääntyneen energian kulutuksen kustannuksella. Energiatehokkuuden optimointiin pohjautuvalla strategialla puolestaan päästään suurempiin suorituskykyetuihin. Pienillä lähetystehoilla energiatehokkuus voi kuitenkin olla HD-järjestelmää alempi, mutta vastaavasti suurten lähetystehojen alueella tilanne on päinvastainen kunhan omahäiriön teho on tarpeeksi alhainen.

With the tremendous growth in the mobile data traffic, the demand for highdata rate is increasing rapidly, and higher frequency resources shall be exploredto alleviate the congestion in the overcrowded spectrum, thus, the millimeterwave (mmWave) frequency resource ranging from 30 GHz to 300 GHz has beenrecognized as a nature fit for the fifth-generation (5G) and beyond network. Tocompensate the severe path-loss in the mmWave band as well to realize theefficient transmissions by applying the low-cost architecture, it is of intereststo investigate the beamforming schemes with large-scale antenna arrays andthe full-duplex (FD) relaying strategy, which are indispensable in the operationof directional signal transmission and the efficient spectrum utilization inthe mmWave transmission, respectively. However, the self-interference (SI)occurring between the separate antenna arrays is the main impediment inrealizing a FD wireless node while considering the simultaneous transmission andreception.This thesis project aims to design efficient hybrid beamforming algorithms toimprove spectral efficiency and eliminate SI. The orthogonal matching pursuit(OMP)-based hybrid analog-digital beamforming design, and the alternatingdirection method of multipliers (ADMM)-based schemes are explored to improvethe spectral efficiency and eliminate the SI in this work. Moreover, a fast ADMMenabledhybrid precoding approach with SI cancellation is proposed to achievethe efficient performance and superior convergence compared with the existingschemes, as it is verified by the presented numerical simulations. / Med den enorma tillväxten i den mobila datatrafiken ökar efterfrågan påhög datahastighet snabbt, och högre frekvensresurser ska undersökas för attminska trängseln i det överbefolkade spektrumet, vilket innebär att Volymvågens(mmwave) frekvensresurs, som sträcker sig från 30 GHz till 300 GHz, har erkäntssom en naturlig resurs för den femte generationen (5G) och utanför nätverket.För att kompensera den allvarliga förlusten av tågläge i mmwave-bandet ochför att förverkliga de effektiva sändningarna genom att tillämpa den billigaarkitekturen.Det är av intresse att undersöka strålformningsprogrammen medstorskaliga antennmatriser och strategin för återutläggning av hela duplex (FD),som är oumbärliga för att driva den direkta signal överföringen och det effektivaspektrumutnyttjandet i mmwave-transmissionen.separata antennmatriser är etthuvudhinder för att förverkliga en trådlös nod från FD samtidigt som manöverväger samtidig överföring och mottagning.Syftet med detta avhandlingsprojekt är att utforma effektiva kombineradestrålformningsinformationsalgoritmer för att förbättra spektraleffektiviteten ocheliminera SI. Den ortogonala matchande jakten (OMP)-baserad hybrid analogdigitalstrålformning, och metoden med alternerande riktning för multiplikatorer(ADMM)-baserade system utforskas för att förbättra spektraleffektiviteten ochelimineraSI i det här arbetet. Dessutom föreslås en snabb, adMM-aktiveradhybrid förkonditionering med SI-annullering för att uppnå effektiv prestandaoch överlägset konvergens jämfört med de befintliga systemen, eftersom denkontrolleras av de presenterade numeriska simuleringarna.

Les émetteurs-récepteurs actuels tendent à devenir multi-standards c’est-àdireque plusieurs standards de communication peuvent cohabiter sur la même puce. Lespuces sont donc amenées à traiter des signaux de formes très différentes, et les composantsanalogiques subissent des contraintes de conception de plus en plus fortes associées au supportdes différentes normes. Les auto-interférences, c’est à dire les interférences généréespar le système lui-même, sont donc de plus en plus présentes, et de plus en plus problématiquesdans les architectures actuelles. Ces travaux s’inscrivent dans le paradigmede la « radio sale » qui consiste à accepter une pollution partielle du signal d’intérêtet à réaliser, par l’intermédiaire d’algorithmes, une atténuation de l’impact de ces pollutionsauto-générées. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à différentes auto-interférences(phénomène de "spurs", de "Tx leakage", ...) dont on étudie les modèles numériques etpour lesquelles nous proposons des stratégies de compensation. Les algorithmes proposéssont des algorithmes de traitement du signal adaptatif qui peuvent être vus comme des« algorithmes de soustraction de bruit » basés sur des références plus ou moins précises.Nous dérivons analytiquement les performances transitionnelles et asymptotiques théoriquesdes algorithmes proposés. On se propose également d’ajouter à nos systèmes unesur-couche originale qui permet d’accélérer la convergence, tout en maintenant des performancesasymptotiques prédictibles et paramétrables. Nous validons enfin notre approchesur une puce dédiée aux communications cellulaires ainsi que sur une plateforme de radiologicielle. / Radio frequency transceivers are now massively multi-standards, which meansthat several communication standards can cohabit in the same environment. As a consequence,analog components have to face critical design constraints to match the differentstandards requirements and self-interferences that are directly introduced by the architectureitself are more and more present and detrimental. This work exploits the dirty RFparadigm : we accept the signal to be polluted by self-interferences and we develop digitalsignal processing algorithms to mitigate those aforementioned pollutions and improve signalquality. We study here different self-interferences and propose baseband models anddigital adaptive algorithms for which we derive closed form formulae of both transientand asymptotic performance. We also propose an original adaptive step-size overlay toimprove transient performance of our method. We finally validate our approach on a systemon chip dedicated to cellular communications and on a software defined radio.

En raison de la demande croissante de services de communication sans fil et de la limitation des ressources de spectre, la radio cognitive (CR) a été initialement proposée pour résoudre la pénurie de spectre. CR divise les systèmes transmetteurs-récepteurs de communication en deux catégories : les Utilisateurs Principaux (PU) et les Utilisateurs Secondaires (SU). PU a le droit légal d'utiliser la bande spectrale, tandis que SU est un utilisateur opportuniste qui peut transmettre sur cette bande chaque fois qu'elle est vacante afin d'éviter toute interférence avec le signal de PU. De ce fait, la détection des activités de PU devient une priorité principale pour toute CR.Le Spectrum Sensing devient ainsi une partie importante d’un système CR, qui surveille les transmissions de PU. En effet, le Spectrum Sensing joue un rôle essentiel dans le mécanisme du fonctionnement du CR en localisant les canaux disponibles et, d'autre part, en protégeant les canaux occupés des interférences de la transmission SU. En fait, Spectrum Sensing a gagné beaucoup d'attention au cours de la dernière décennie, et de nombreux algorithmes sont proposés. Concernant la fiabilité de la performance, plusieurs défis comme le faible rapport signal sur bruit, l'incertitude de bruit (NU), la durée de détection du spectre, etc. Cette thèse aborde les défis de la détection du spectre et apporte quelques solutions. De nouveaux détecteurs basés sur la détection des caractéristiques cyclo-stationnaires et la densité spectrale de puissance (PSD) du signal de PU sont présentés. Un algorithme de test de signification de corrélation canonique (CCST) est proposé pour effectuer une détection cyclo-stationnaire. CCST peut détecter la présence des caractéristiques cycliques communes parmi les versions retardées du signal reçu. Ce test peut révéler la présence d'un signal cyclo-stationnaire dans le signal de mélange reçu. Une autre méthode de détection basée sur la PSD cumulative est proposée. En supposant que le bruit est blanc (sa PSD est plate), la PSD cumulative s'approche d'une droite. Cette forme devient non linéaire pour les signaux de télécommunication. Distinguer la forme cumulative PSD peut donc conduire à diagnostiquer l'état du canal.La radio cognitive Full-Duplex (FD-CR) a également été étudiée dans ce manuscrit, où plusieurs défis sont analysés en proposant de nouvelles contributions. Le fonctionnement FD permet au CR d'éviter la période de silence pendant la détection du spectre. Dans le système CR classique, le SU cesse de transmettre pendant la détection du spectre afin de ne pas affecter la fiabilité de détection. Dans FD-CR, SU peut éliminer la réflexion de son signal transmis et en même temps réaliser le Spectrum Sensing. En raison de certaines limitations, le résidu de l'auto-interférence ne peut pas être complètement annulé, alors la crédibilité de la détection du spectre est fortement affectée. Afin de réduire la puissance résiduelle, une nouvelle architecture de récepteur SU est élaborée pour atténuer les imperfections du circuit (comme le bruit de phase et la distorsion non linéaire de l'amplificateur à faible bruit du récepteur). La nouvelle architecture montre sa robustesse en assurant une détection fiable et en améliorant le débit de SU. / Due to the increasing demand of wireless communication services and the limitation in the spectrum resources, Cognitive Radio (CR) has been initially proposed in order to solve the spectrum scarcity. CR divides the communication transceiver into two categories: the Primary (PU) or the Secondary (SU) Users. PU has the legal right to use the spectrum bandwidth, while SU is an opportunistic user that can transmit on that bandwidth whenever it is vacant in order to avoid any interference to the signal of PU. Hence the detection of PU becomes a main priority for CR systems. The Spectrum Sensing is the part of the CR system, which monitors the PU activities. Spectrum Sensing plays an essential role in the mechanism of the CR functioning. It provides CR with the available channel in order to access them, and on the other hand, it protects occupied channels from the interference of the SU transmission. In fact, Spectrum Sensing has gained a lot of attention in the last decade, and numerous algorithms are proposed to perform it. Concerning the reliability of the performance, several challenges have been addressed, such as the low Signal to Noise Ratio (SNR), the Noise Uncertainty (NU), the Spectrum Sensing duration, etc. This dissertation addresses the Spectrum Sensing challenges and some solutions are proposed. New detectors based on Cyclo-Stationary Features detection and the Power Spectral Density (PSD) of the PU are presented. CanonicalCorrelation Significance Test (CCST) algorithm is proposed to perform cyclo-stationary detection. CCST can detect the presence of the common cyclic features among the delayed versions of the received signal. This test can reveal the presence of a cyclo-stationary signal in the received mixture signal. Another detection method based on the cumulative PSD is proposed. By assuming the whiteness of the noise (its PSD is at), the cumulative PSD approaches a straight line. This shape becomes non-linear when a telecommunication signal is present in the received mixture. Distinguishing the Cumulative PSD shape may lead to diagnose the channel status.Full-Duplex Cognitive Radio (FD-CR) has been also studied in this manuscript, where several challenges are analyzed by proposing a new contribution. FD functioning permits CR to avoid the silence period during the Spectrum Sensing. In classical CR system, SU stops transmitting during the Spectrum Sensing in order to do not affect the detection reliability. In FD-CR, SU can eliminate the reflection of its transmitted signal and at the same time achieving the Spectrum Sensing. Due to some limitations, the residual of the Self Interference cannot be completely cancelled, then the Spectrum Sensing credibility is highly affected. In order to reduce the residual power, a new SU receiver architecture is worked out to mitigate the hardware imperfections (such as the Phase Noise and the Non-Linear Distortion of the receiver Low-Noise Amplifier). The new architecture shows its robustness by ensuring a reliable detection and enhancing the throughput of SU.

Les émetteurs-récepteurs actuels tendent à devenir multi-standards c’est-àdireque plusieurs standards de communication peuvent cohabiter sur la même puce. Lespuces sont donc amenées à traiter des signaux de formes très différentes, et les composantsanalogiques subissent des contraintes de conception de plus en plus fortes associées au supportdes différentes normes. Les auto-interférences, c’est à dire les interférences généréespar le système lui-même, sont donc de plus en plus présentes, et de plus en plus problématiquesdans les architectures actuelles. Ces travaux s’inscrivent dans le paradigmede la « radio sale » qui consiste à accepter une pollution partielle du signal d’intérêtet à réaliser, par l’intermédiaire d’algorithmes, une atténuation de l’impact de ces pollutionsauto-générées. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à différentes auto-interférences(phénomène de "spurs", de "Tx leakage", ...) dont on étudie les modèles numériques etpour lesquelles nous proposons des stratégies de compensation. Les algorithmes proposéssont des algorithmes de traitement du signal adaptatif qui peuvent être vus comme des« algorithmes de soustraction de bruit » basés sur des références plus ou moins précises.Nous dérivons analytiquement les performances transitionnelles et asymptotiques théoriquesdes algorithmes proposés. On se propose également d’ajouter à nos systèmes unesur-couche originale qui permet d’accélérer la convergence, tout en maintenant des performancesasymptotiques prédictibles et paramétrables. Nous validons enfin notre approchesur une puce dédiée aux communications cellulaires ainsi que sur une plateforme de radiologicielle. / Radio frequency transceivers are now massively multi-standards, which meansthat several communication standards can cohabit in the same environment. As a consequence,analog components have to face critical design constraints to match the differentstandards requirements and self-interferences that are directly introduced by the architectureitself are more and more present and detrimental. This work exploits the dirty RFparadigm : we accept the signal to be polluted by self-interferences and we develop digitalsignal processing algorithms to mitigate those aforementioned pollutions and improve signalquality. We study here different self-interferences and propose baseband models anddigital adaptive algorithms for which we derive closed form formulae of both transientand asymptotic performance. We also propose an original adaptive step-size overlay toimprove transient performance of our method. We finally validate our approach on a systemon chip dedicated to cellular communications and on a software defined radio.