La généralisation des nouvelles applications des communications sans fil nécessitera dans un avenir proche des communications très haut débit qui avoisineront 1Gb/s. Une des solutions proposées pour répondre à cette demande est basée sur l’utilisation de réseaux d’antennes à l’émission et à la réception connue sous la terminologie Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). Plus récemment, les techniques ultra large bande (ULB) ont connu un regain d’intérêt grâce aux débits très élevés qu’offre sa grande bande passante et les faibles puissances d’émission mises en jeux. Si on envisage l’association de ces deux techniques au sein même d’un système, il est nécessaire, lors de l’optimisation de la chaîne de communication, de connaître au préalable les caractéristiques du canal radio. L’objectif de cette thèse porte sur la caractérisation expérimentale multidimensionnelle (MD) du canal radio pour des communications en milieux confinés. L’intérieur des bâtiments et le tunnel ferroviaire seront deux exemples traités dans cette étude. Précisons que la demande de haut débit en tunnel ferroviaire concerne les communications multimédia pour des applications de vidéo surveillance et de contrôle commande. Les travaux originaux menés au cours de cette thèse ont porté sur :- Le développement d’un sondeur de canal MIMO large bande permettant une caractérisation directe dans le domaine temporel. - La caractérisation (MD) en polarisation croisée du canal de propagation à l’intérieur d’un bâtiment et en tunnel. - l’analyse phénoménologique de la technique de retournement temporel et des diversités de polarisation, fréquentielle et d’espace appliquées aux communications en tunnel. / Recent and future wireless applications require large data rates. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems were proposed as one solution to achieve higher spectral efficiency. More recently Ultra-Wideband (UWB) systems, have gained interest owing its extremely high data rates. However, precise knowledge of the radio channel is an essential issue to design the global system and, thus to reach such improvement in the performances of wireless communications. This thesis is mainly focused on the experimental characterization of the radio channel for systems with large bandwidth and MIMO. In general, most of the research on MIMO and UWB are performed in indoor environments. However, there are other scenarios where reliable communications are also needed, for example, in tunnels. In this special environment, there is an increasing necessity of developing and implementing control/command equipment, in order to develop safe and efficient trains and infrastructures. Thus, the objectives pursued in this thesis are:- Improve an existing frequency-domain MIMO channel sounder to achieve more enhanced capabilities.- Develop a wideband time-domain MIMO channel sounder in order to perform measurements directly in the time-domain.- Characterize the MIMO-UWB radio channel in office environment by means of measurements carried out in the underground level of the Universidad Politécnica de Cartagena. Multi dimensional channel parameters have been deduced from numerous measurement campaigns.- Study the propagation in tunnels and give physical interpretation of the performances of space, frequency and polarization diversity, and of time reversal techniques.

Le corrélateur cinq-port en technologie micro ruban composé d'un anneau à cinq branches et de trois détecteurs de puissance permet de calculer précisément le rapport complexe entre deux signaux hyperfréquences à partir des tensions mesurées aux trois sorties et d'un traitement numérique associé. Le cinq-port a un faible coût de réalisation et s'avère être moins sensible aux désappariements de phase et d'amplitude. De plus, il peut fonctionner dans une bande de fréquence large. Nous proposons dans ce travail un sondeur de canal multi-capteur utilisant les corrélateurs cinq-ports pour la mesure de propagation à l'intérieur des bâtiments. Ce sondeur; composé d'un réseau de 8 antennes quasi-Yagi et d'un réseau de 8 cinq-port en réception; permet de mesurer à la fois les retards de propagation et les directions d'arrivée (DDAs) en azimut et en élévation des trajets multiples. La différence de phase des signaux captés par les antennes permet de calculer les DDAs et les retards de propagation sont estimés à partir de la différence de phase des signaux mesurés à deux fréquences consécutives dans chaque cinq-port dans la bande 2.3 GHz à 2.5 GHz avec un pas de 4 MHz. L'algorithme MUSIC (Multiple Signal Classification) associé à un lissage spatial est utilisé pour l'estimation des directions d'arrivée et des retards de propagation. Les résultats de simulation et de mesure montrent que nous pouvons estimer un nombre de sources supérieur au nombre d'antennes. Ce sondeur de canal a un faible coût de réalisation et permet d'effectuer l'acquisition à un instant donné et en une seule fois de l'ensemble des mesures dans un plan donné.

Pour atteindre avec la 4G des débits théoriques supérieurs à 100 Mb/s et espérer pouvoir multiplier par 20 l’efficacité énergétique des futurs réseaux 5G, toute la richesse du canal de propagation doit être exploitée. Cet axe de recherche innovant d’optimisation de la couche physique de la communication se base sur la caractérisation multidimensionnelle « temps réel » du canal. Cette notion de "temps réel" signifie que toutes les dimensions spatiales (à l'émission et à la réception), temporelle, fréquentielle et polarimétrique seront explorées simultanément pour s'assurer des conditions de stationnarité du canal pendant la mesure. Le sondeur associé, objet de la thèse, doit également être capable de s’adapter à différents scénarii de propagation, y compris à un contexte de haute mobilité pour une liaison sol-sol entre trains à grande vitesse par exemple. Le système qui a ainsi été développé à l'aide de composants numériques programmables, fournit avec un temps de latence inférieur à quelques dizaines de µs et sans post traitement, 128 fonctions de transfert associées à un canal MIMO (8,16) dans 80 MHz de bande, la durée du signal transmis étant de 150 µs. Sa reconfigurabilité aisée lui confère l'originalité d'être multi fonctions pour s'adapter aux challenges à venir. Citons par exemple la cybersécurité des communications sans fil pour laquelle l'équipement aura les rôles de système de communication, de générateur d'interférences et de sondeur de canal.Dans le cadre de la localisation, via leur téléphone portable de personnes situées en forêt, les résultats des campagnes de mesures menées avec le sondeur soit au sol, soit embarqué dans un ULM, sont également décrits. / To be able to reach a bit rate higher than 100Mb/s with 4G systems and to multiply by 20 the energy efficiency of future 5G networks, all the propagation channel richness must be exploited. This innovative research area dealing with the physical layer optimization is based on the multidimensional channel characterization in "real time". This concept of “real time” means that space, time, frequency and polarimetric dimensions are explored simultaneously to ensure stationarity conditions of the channel during measurements. The channel sounder, subject of the thesis, must also be able to adapt to different scenarios of propagation, including a context of high mobility as, for example, in the case of a communication between high-speed trains. The system that has been developed, based on programmable digital components, allows measuring in a 80Mz bandwidth, 128 transfer functions associated with a (8,16) MIMO channel in less than a few tens of µs and without post-processing. The duration of the transmitted signal is 150 µs. Another originality of this sounder is its easy reconfigurability and its multi-function ability. For example, for studying cyber security of wireless communications, it would play the role of communication system, interference source and channel sounder. In the frame of localization of people in forest owing to their mobile phone, results of channel characterization conducted with the sounder placed either on the ground, or in an ULM, are also described and analyzed.

Cette thèse résume trois années de travail dans le domaine de la caractérisation large bande du canal radio pour des applications projectiles. L’instrumentation des projectiles évolue avec la miniaturisation de l’électronique et l’accroissement constant de ses performances. L’échange de données par liaison sans fil bi-directionnelle entre le projectile et lastation de base doit s’effectuer aussi efficacement que possible. Afin de répondre à cette exigence, il est fondamental d’optimiser chaque élément de la chaîne de communication. Le canal, qui est le support où la propagation des ondes radio prend place, est l’un des éléments à modéliser.Dans le but de caractériser le canal radio pour ces applications, cette thèse a été structurée en cinq chapitres: dans les premier et deuxième chapitres, le contexte général de la thèse est présenté, introduisant le cadre de la thèse et donnant les éléments nécessaires pour comprendre le reste du manuscrit. Au chapitre trois, nous abordons le problème du développement des briques nécessaires pour caractériser le canal de propagation. Une des contributions de cette thèse est la définition d’un ensemble de procédures pour effectuer une modélisation de canal. Au chapitre quatre et cinq, nous présentons nos résultats. Alors qu’au chapitre quatre une étude préliminaire du canal est effectuée, une caractérisation complète est donnée au chapitre cinq. Les chapitres se terminent par la présentation d’un modèle de canal dédié aux simulations de communications numériques afin d’améliorer la liaison avec le projectile. Dans une dernière étape, les conclusions et les questions ouvertes sont détaillées. / This thesis summarizes three years of work in the field of wideband characterization of the radio channel in projectile applications. The popularization of the miniaturized electronics has allowed the instrumentation of projectiles. The information gathered by the onboard sensors needs to be sent from the projectile to the base station as efficiently as possible by means of bi-directional communication links. In order to fulfill this requirement, it is fundamental to optimize every element in the communication chain. The channel, which is the medium where the radio wave propagation takes places, is one of the elements to be modeled. With the purpose of characterizing the radio channel in projectile applications, this thesis has been structured in five chapters: in chapter one and two, the general context of the thesis is presented, introducing the reader to this topic and giving the necessary elements to understand the rest of the manuscript. In chapter three, we address the problem of developing the necessary elements in order to characterize the propagation channel. The first contribution of this thesis is found here in the form of a set of procedures to perform channel modeling. In chapter four and five, we present our results. While chapter in chapter four a preliminary study of the channel is performed, in chapter five a complete characterization is given. The chapters ends with the presentation of the second contribution of this thesis, i.e.a channel model to be used in simulations in order to improve the projectile communication link. In a last stage, the conclusions and open questions are detailed.

Cette thèse s'est déroulée dans les laboratoires de FTR&D des sites de Belfort et d'Issy les Moulineaux, dans le cadre de l'école doctorale de l'ENST. Les travaux ont porté sur des aspects bande étroite et bande large du canal de propagation radiomobile dans le contexte particulier de la macrodiversité. Ils se sont répartis entre des expérimentations et des études plus théoriques visant justement à préparer ces expérimentations ou à en exploiter les résultats. Lors des phases de communications les plus critiques d'une transmission radiomobile, par exemple lorsque le mobile se trouve en bordure de cellule , on a tout intérêt à relier le mobile simultanément à plusieurs stations. Cela s'appelle la macrodiversité. Cette technique est inhérente au fonctionnement des systèmes radiomobiles de nouvelle génération. On parle ainsi de plus de 40% de mobiles en situation de macrodiversité dans le système CDMA. La mise en œuvre de l'algorithme de handover qui gère la macrodiversité, et les performances même de la macrodiversité, peuvent dépendre de l'affaiblissements moyens sur les différentes voies, voire des affaiblissements rapides ou des profils de réponses impulsionnelles instantanées. D'où l'importance de bien savoir caractériser les phénomènes de propagation dans ce contexte, ce qui constitua l'objectif prioritaire de cette thèse, même si certains résultats ont pu aussi être utilisés à d'autres fins. Nous avons d'abord entrepris des études bande étroite, qui se sont articulées autour de simulations et de mesures. Elles nous ont aidé à élaborer un modèle informatique très complet des masques, intégrant à la fois leurs propriétés d'inter et d'autocorrélation. Ce modèle a ensuite été porté sur différents environnements de calcul. Il permet de restituer avec plus de réalisme les masques lors de simulations systèmes. Nous avons complété ces études par des études large bande, qui nous ont amené à proposer des améliorations sur le sondeur et à définir de nouveaux protocoles de mesure. Nous avons ainsi breveté une méthode de mesure large bande en macrodiversité, méthode dont on pourrait s'inspirer pour effectuer, de façon plus générale, de l'identification de canal. Nous avons également mené une réflexion sur les séquences utilisées dans les sondeurs à compression d'impulsion et sur les moyens de les optimiser.

Ce manuscrit présente la conception d'un sondeur de canal de propagation en intérieur de bâtiment en contexte Ultra Large Bande ULB. Le sondeur est basé sur une architecture parallèle en réception composée de circuits cinq ports et d'un réseau d'antennes imprimées LTSA (Linear Tapered Slot Antenna). Le sondeur a été réalisé et testé dans la bande de fréquence ULB (6 to 8.5 GHz) alloué par l'ETSI . Les mesures réalisées ont permis d'étudier les directions d'arrivée (DOA) ainsi que le temps d'arrivée des ondes correspondantes aux multi trajets à l'intérieur d'un bâtiment. L'association de la technique cinq-port et de la méthode d'estimation MUSIC (Multiple Signal Classification) permet d'avoir un sondeur à faible coût de réalisation et à haute précision d'estimation. Plusieurs scénarios de propagation sont traités dans le manuscrit que se soit en condition de visibilité (LOS) ou de non visibilité (NLOS)