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<p dir="ltr">This Research focuses on developing artificial intelligence tools to detect and mitigate cyber-attacks targeting unmanned aerial vehicles. </p>

This dissertation explores the integration and optimization of advanced communication technologies within the collaborative mobile system (CMS), focusing on the system design, implementation, and evaluation over unmanned aerial vehicles (UAVs). Collectively, this dissertation tackles the key challenges of connectivity and performance within CMS. This work demonstrates practical implementations and sheds light on the challenges and opportunities for CMS. The dissertation emphasizes the importance of adaptability and scalability in network design and implementation, particularly in leveraging the integration of hardware and software to adapt to promising architectures. By providing insights into performance under real-world conditions, this work explores the interplay of innovations in UAVs, mobile communications, network architecture, and system performance, paving the way for future network investigation and development.

Due to the increasing demand of broadband capability and reconfigurability for mobile applications, there is an enormous interest to develop appropriate analog receiver front-ends. In this respect, one promising candidate group is the Six-Port-based direct conversion receiver. The presented work focuses on the investigation of Six-Port-based mobile receiver front-ends with their specific systematical signal processing. Thereby, issues of spurious interfering signals which are generated within the down conversion process of such receivers are of special interest. Based on a comprehensive description of the analog signal processing within additive frequency conversion, a reason could be identified why existing Six-Port receivers have not found any practical application in mobile communication yet – the dynamic DC-offset. With this insight compensation techniques were developed to overcome the negative influences of the dynamic DC-offset. Furthermore, this work presents novel Six-Port-based receiver architectures which, on the one hand, keep the advantages of additive mixing systems like: low power consumption, broadband capability and simplicity of implementation especially for mm-wave transmissions. On the other hand, these novel architectures comprise compensation techniques such that systematically generated spurious signals are inherently compensated in the analog part of the receiver. Moreover, the influence of impairments of phase and amplitude within the IQ-branches of a receiver was investigated. The resulting, unwanted IQ-imbalance was shown to be a mixing method (multiplicative or additive) independent spurious effect. It is suggested to compensate for IQ-imbalance in the digital part of the receiver system. This can be realized with the use of adaptive algorithms. The comparison with conventional analog receiver architectures (especially homodyne receivers) with respect to the reception of today’s and future digitally modulated transmission signals indicate the proposed Six-Port-based receiver architectures to be suitable candidates to fulfill the difficult tasks of modern mobile communication.

Due to the increasing demand of broadband capability and reconfigurability for mobile applications, there is an enormous interest to develop appropriate analog receiver front-ends. In this respect, one promising candidate group is the Six-Port-based direct conversion receiver. The presented work focuses on the investigation of Six-Port-based mobile receiver front-ends with their specific systematical signal processing. Thereby, issues of spurious interfering signals which are generated within the down conversion process of such receivers are of special interest. Based on a comprehensive description of the analog signal processing within additive frequency conversion, a reason could be identified why existing Six-Port receivers have not found any practical application in mobile communication yet – the dynamic DC-offset. With this insight compensation techniques were developed to overcome the negative influences of the dynamic DC-offset. Furthermore, this work presents novel Six-Port-based receiver architectures which, on the one hand, keep the advantages of additive mixing systems like: low power consumption, broadband capability and simplicity of implementation especially for mm-wave transmissions. On the other hand, these novel architectures comprise compensation techniques such that systematically generated spurious signals are inherently compensated in the analog part of the receiver. Moreover, the influence of impairments of phase and amplitude within the IQ-branches of a receiver was investigated. The resulting, unwanted IQ-imbalance was shown to be a mixing method (multiplicative or additive) independent spurious effect. It is suggested to compensate for IQ-imbalance in the digital part of the receiver system. This can be realized with the use of adaptive algorithms. The comparison with conventional analog receiver architectures (especially homodyne receivers) with respect to the reception of today’s and future digitally modulated transmission signals indicate the proposed Six-Port-based receiver architectures to be suitable candidates to fulfill the difficult tasks of modern mobile communication.

Dans cette thèse, nous présentons la conception, le développement et le test de trois systèmes de reconnaissance automatique de cibles (ATR) visant à reconnaître des avions non-coopératifs, c’est-à-dire des avions ne fournissant par leur identité, en utilisant des signaux de radars passifs bistatiques. Les radars passifs bistatiques utilisent un ou plusieurs émetteurs d’opportunité (déjà présents sur le terrain), avec des fréquences allant jusqu’à 1 GHz pour les émetteurs considérés ici, et un ou plusieurs récepteurs déployés par le gestionnaire du système et non-colocalisés avec les émetteurs. Les seules informations utilisées sont les signaux réfléchis sur les avions et les signaux directement reçus qui sont tous les deux collectés par le récepteur, quelques informations concernant l’émetteur, et la configuration géométrique du radar bistatique.Les trois systèmes ATR que nous avons construits utilisent respectivement les images radar, les surfaces équivalentes radar (SER) complexes bistatiques et les SER réelles bistatiques. Nous utilisons des données acquises soit sur des modèles d’avions placés en chambre anéchoique à l’ONERA, soit sur des avions réels en utilisant un banc d’essai bistatique consistant en un émetteur VOR et un récepteur basé sur la radio-logicielle (SDR), et que nous avons déployé aux alentours de l’aéroport d’Orly. Nous décrivons d’abord la phénoménologie radar pertinente pour notre problème ainsi que les fondements mathématiques pour la dérivation de la SER bistatique d’un objet, et pour la construction d’images radar d’un objet.Nous utilisons deux méthodes pour la classification de cibles en classes prédéfinies : les arbres extrêmement aléatoires (extra-trees) et les méthodes de sous-espaces. Une caractéristique-clé de notre approche est que nous divisons le problème de reconnaissance global en un ensemble de sous-problèmes par décomposition de l’espace des paramètres (fréquence, polarisation, angle d’aspect et angle bistatique) en régions. Nous construisons un classificateur par région.Nous validons en premier lieu la méthode des extra-trees sur la base de données MSTAR, composée d’images radar de véhicules terrestres. Ensuite, nous testons cette méthode sur des images radar d’avions que nous avons construites à partir des données acquises en chambre anéchoique. Nous obtenons un pourcentage de classification allant jusqu’à 99%. Nous testons ensuite la méthode de sous-espaces sur les SER bistatiques (complexes et réelles) des avions que nous avons extraits des données de chambre anéchoique. Nous obtenons un pourcentage de classification allant jusqu’à 98%, avec des variations suivant la fréquence, la polarisation, l’angle d’aspect, l’angle bistatique et le nombre de paires émetteur-récepteur utilisées. Nous testons enfin la méthode de sous-espaces sur les SER bistatiques (réelles) extraites des signaux acquis par le banc d’essai déployé à Orly. Nous obtenons une probabilité de classification de 82%, avec des variations suivant l’angle d’aspect et l’angle bistatique. On a donc démontré dans cette thèse que l’on peut reconnaitre des cibles aériennes à partir de leur SER acquise en utilisant des signaux de radars passifs bistatiques. / We present the design, development, and test of three novel, distinct automatic target recognition (ATR) systems for the recognition of airplanes and, more specifically, non-cooperative airplanes, i.e. airplanes that do not provide information when interrogated, in the framework of passive bistatic radar systems. Passive bistatic radar systems use one or more illuminators of opportunity (already present in the field), with frequencies up to 1 GHz for the transmitter part of the systems considered here, and one or more receivers, deployed by the persons managing the system, and not co-located with the transmitters. The sole source of information are the signal scattered on the airplane and the direct-path signal that are collected by the receiver, some basic knowledge about the transmitter, and the geometrical bistatic radar configuration. The three distinct ATR systems that we built respectively use the radar images, the bistatic complex radar cross-section (BS-RCS), and the bistatic radar cross-section (BS-RCS) of the targets. We use data acquired either on scale models of airplanes placed in an anechoic, electromagnetic chamber or on real-size airplanes using a bistatic testbed consisting of a VOR transmitter and a software-defined radio (SDR) receiver, located near Orly airport, France. We describe the radar phenomenology pertinent for the problem at hand, as well as the mathematical underpinnings of the derivation of the bistatic RCS values and of the construction of the radar images.For the classification of the observed targets into pre-defined classes, we use either extremely randomized trees or subspace methods. A key feature of our approach is that we break the recognition problem into a set of sub-problems by decomposing the parameter space, which consists of the frequency, the polarization, the aspect angle, and the bistatic angle, into regions. We build one recognizer for each region. We first validate the extra-trees method on the radar images of the MSTAR dataset, featuring ground vehicles. We then test the method on the images of the airplanes constructed from data acquired in the anechoic chamber, achieving a probability of correct recognition up to 0.99.We test the subspace methods on the BS-CRCS and on the BS-RCS of the airplanes extracted from the data acquired in the anechoic chamber, achieving a probability of correct recognition up to 0.98, with variations according to the frequency band, the polarization, the sector of aspect angle, the sector of bistatic angle, and the number of (Tx,Rx) pairs used. The ATR system deployed in the field gives a probability of correct recognition of $0.82$, with variations according to the sector of aspect angle and the sector of bistatic angle.

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.

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.