Wireless devices have become an integral part of our everyday lives. Cell-phones, PDA's, Wi-Fi enabled laptops, smart homes and appliances, and automated highway systems are some of the examples of wireless devices and networks in common use. More and more applications and functionalities are constantly being added to these devices, and to support these new applications high data rate communication is required between the wireless devices. Achieving high data rates with wireless communication is impeded by severe fluctuations in the received signal strength (called fading) due to mobility, the exponential attenuation of signal power with distance (called path loss), and interference due to simultaneous transmissions by different users at the same time or over same frequency band. Two of the promising techniques to mitigate the effects of fading, path loss, and interference are: using multiple antennas at the transmitter and receiver, and employing extra nodes (called relays) in between the transmitter and its receiver to relay the transmitter's message to its receiver. This dissertation identifies the optimal transmit and receive strategy with multiple antennas that maximizes the transmission capacity of an ad-hoc wireless network. The transmission capacity is defined as the maximum number of transmitter-receiver pairs that can simultaneously communicate under a per transmission quality of service constraint. This dissertation also presents novel relay transmission strategies for multiple antenna equipped relay based communication that achieve near optimal performance, with Shannon capacity and diversity-multiplexing tradeoff (DMT) as the performance metrics. The Shannon capacity is defined as the maximum rate of reliable communication, while the DMT characterizes the maximum diversity gain for a given value of multiplexing gain in a multiple antenna system. DMT is used as the benchmark, since transmission strategies that meet the DMT are guaranteed to leverage both the advantages of multiple antenna systems. / text

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide band (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et à très basse consommation. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM). Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système. / This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.

Le développement des systèmes multiprocesseurs intégrés sur puce (MPSoC) répond au besoin grandissant des architectures de calcul intensif. En revanche, l'évolution de leurs performances est entravée par leurs réseaux de communication sur puce (NoC) à cause de leur consommation d'énergie ainsi que du retard. C'est dans ce contexte que les NoC à base d'interconnexions RF et filaires (RFNoC) ont émergé. Afin de gérer au mieux et d'optimiser la conception d'un RFNoC, il est indispensable de développer une plateforme de simulation intégrant à la fois des circuits analogiques et numériques.Dans un premier temps, la simulation temporelle d'un RFNoC avec des composants dont les modèles sont idéaux est utilisée pour optimiser l'allocation des ressources spectrales disponibles. Le cas échéant, nous proposons des solutions pour améliorer la qualité de signal transmis. Dans un deuxième temps, nous avons développé en VHDL-AMS des modèles comportementaux et précis de chacun des composants du RFNoC. Les modèles de l'amplificateur faible bruit (LNA) et du mélangeur, prennent en compte les paramètres concernant, l'amplification, les non-linéarités, le bruit et la bande passante. Le modèle de l'oscillateur local considère les paramètresconventionnels, notamment le bruit de phase. Quant à la ligne de transmission, un modèle fréquentiel précis, incluant l'effet de peau est adapté pour les simulations temporelles. Ensuite, l'impact des paramètres des composants sur les performances du RFNoC est évalué afin d'anticiper les contraintes qui s'imposeront lors de la conception du RFNoC. / The development of multiprocessor systems integrated on chip (MPSoC) respondsto the growing need for intensive computation systems. However, the evolutionof their performances is hampered by their communication networks on chip(NoC) due to their energy consumption and delay. It is in this context that the wired RF network on chip (RFNoC) was emerged. In order to better manage and optimize the design of an RFNoC, it is necessary to develop a simulation platform adressing both analog and digital circuits.First, a time domaine simulation of an RFNoC with components whose modelsare ideal is used to optimize the allocation of the available spectrum resources. Where appropriate, we provide solutions to improve the quality of transmitted signal. Secondly, we have developed, in VHDL-AMS, behavioral and accurate models of all RFNoC components. The models of the low noise amplifier (LNA) and the mixer take into account the parameters for the amplification, nonlinearities, noise and bandwidth. The model of the local oscillator considers the conventional parameters, including its phase noise. Concerning the transmission line, an accurate frequency model, including the skin effect is adapted for time domaine simulations. Then, the impact of component parameters on RFNoC performances is evaluatedto anticipate constraints of the RFNoC design.