Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Τα ψηφιακά συστήματα UWB (Ultra Wide-Band) παρέχουν τη δυνατότητα ασύρματης μετάδοσης σε πολύ υψηλό ρυθμό. Λόγω του μεγάλου εύρους ζώνης, το κανάλι εισάγει πολλαπλές ανακλάσεις οι οποίες φέρουν μεγάλο ποσοστό της ωφέλιμης ενέργειας του μεταδιδόμενου σήματος. Η ικανότητα του δέκτη για σύλληψη όσο το δυνατόν περισσότερης ωφέλιμης ενέργειας έχει αντίκτυπο στη συνολική απόδοση του συστήματος. Η χρήση της τεχνικής διαμόρφωσης με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (OFDM), που στην συγκεκριμένη περίπτωση (UWB) συνδυάζεται με πολυζωνική (Multi-band) μετάδοση, απλοποιεί τη διαχείριση του συνολικού φάσματος συχνοτήτων. Όμως η διαμόρφωση OFDM παρουσιάζει ιδιαίτερη ευαισθησία σε προβλήματα τόσο διασυμβολικής παρεμβολής (ISI) όσο και διακαναλικής παρεμβολής (ICI), λόγω του έντονου διασκορπιστικού χαρακτήρα του καναλιού καθώς επίσης και τυχόν αποκλίσεων που εμφανίζονται στους ταλαντωτές πομπού-δέκτη. Τα παραπάνω επιβάλλουν τη χρήση σύνθετων αλγορίθμων συγχρονισμού και συντονισμού (time and frequency synchronization) μεταξύ πομπού και δέκτη για την ομαλή λειτουργία. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής θα πραγματοποιηθεί επιλογή κατάλληλων αλγορίθμων για τα προαναφερθέντα προβλήματα, οι οποίοι θα πρέπει να πληρούν τις προδιαγραφές του υπό διαμόρφωση διεθνούς προτύπου 802.15.3α και θα αναπτυχθούν βέλτιστες αρχιτεκτονικές VLSI, με στόχο τόσο το χαμηλό κόστος υλοποίησης όσο και την χαμηλή κατανάλωση ισχύος. / In this project have been studied the low power VLSI architecture for synchronization algorithms in Multi-band UWB Wireless systems. The main issues are timing and frequency synchronization algorithms.

Today, owners of small communicating device are interested in transmitting or receiving various multimedia data. By increasing the number of antennas at the transmitter and/or the receiver side of the wireless link, the diversity/Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) techniques can increase wireless channel capacity without the need for additional power or spectrum in rich scattering environments. However, due to the limited space of small mobile devices, the correlation coefficients between MIMO antenna elements are very high and the total efficiencies of MIMO elements degrade severely. Furthermore, the human body causes high losses on electromagnetic wave. During the applications, the presence of users may result in the significant reduction of the antenna total efficiencies and highly affects the correlations of MIMO antenna systems. The aims of this thesis are to investigate and enhance the MIMO/diversity performance of multiple antenna systems in the free space and the presence of users. The background and theory of multiple antenna systems are introduced briefly first. Several figures of merits are provided and discussed to evaluate the multiple antenna systems. The decoupling techniques are investigated in the multiple antenna systems operating at the higher frequencies (above 1.7 GHz) and with high radiation efficiency. The single, dual and wide band isolation enhancements are realized through the half-wavelength decoupling slot, quarter-wavelength decoupling slot with T-shaped impedance transformer, tree-like parasitic element with multiple resonances, as well as the different polarizations and radiation patterns of multiple antennas. In the lower bands (lower than 960 MHz), due to the low radiation efficiency and strong chassis mode, the work mainly focused on how to directly reduce the correlations and enlarge the total efficiency. A new mode of mutual scattering mode is introduced. By increasing the Q factors, the radiation patterns of multiple antennas are separated automatically to reduce the correlations. With the inter-element distance larger than a certain distance, a higher Q factor also improved the total efficiency apart from the low correlation. A wideband LTE MIMO antenna with multiple resonances is proposed in mobile terminals. The high Q factors required for the low correlation and high efficiencies in mutual scattering mode is reduced with another mode of diagonal antenna-chassis mode. Hence, the bandwidth of wideband LTE MIMO antenna with multiple resonances mentioned above can be further enlarged while maintaining the good MIMO/diversity performance. The user effects are studied in different MIMO antenna types, chassis lengths, frequencies, port phases and operating modes. Utilizing these usefully information, an adaptive quad-element MAS has been proposed to reduce the user effects and the some geranial rules not limited to the designed MAS have also been given. / <p>QC 20130121</p> / EU Erasmus Mundus External Cooperation Window TANDEM

Dans ce travail nous nous intéressons à la modélisation des couches MAC et PHY dans le cadre des réseaux sans fil à faible, portée. Il présente les techniques de modélisation utilisées pour l'intégration des couches MAC-PHYs (Medium Access Control and Physical layer) de type IR-UWB (Impulse Radio Ultra Wideband) d'une part, et des nouvelles techniques de transmission à 60GHz incluant le beamforming d'autre part, dans le simulateur GloMoSim/QualNet. La modélisation de IR-UWB est basée sur la prise en compte directe des collisions d'impulsions et de l'interférence multi-utilisateur au niveau de la couche PHY par l'introduction du concept de séquences de réception et la notion d'orthogonalité en réception. L'architecture de modélisation proposée est basée sur l'utilisation d'une matrice d'interférence, elle a été développée en deux étapes : une première modélisation basée sur des trains d'impulsions uniformément espacées et une deuxième modélisation plus complète prenant en compte l'utilisation des séquences de sauts aléatoires également appelés séquences de time hopping. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur une application typique des réseaux de capteurs dans le cadre d'une application de détection d'intrusion sur une surface protégée. La modélisation à 60 GHz à pour but la prise en compte des nouvelles techniques d'amélioration du débit, notamment l'agrégation et le beamforming. La prise en compte du beamforming est basée sur la définition, des diagrammes de rayonnement des antennes ainsi que de l'interface MAC-PHY/Antenne. La modélisation des deux protocoles de beamforming définis dans le standard 802.15.3c est également effectuée. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur un système de distribution de contenu multimédia.

L'ultra large bande (UWB) est une nouvelle technologie à fort potentiel pour les futurs réseaux personnels WPAN (wireless personal area networks) à très haut débit et faible portée. L'objectif de cette thèse est de proposer un nouveau système UWB, de type LP-OFDM (linear precoded orthogonal frequency division multiplexing) pour les applications WPAN, visant à améliorer la solution MB-OFDM (multiband OFDM), supportée par l'Alliance WiMedia.<br />Dans un premier temps, une étude analytique est menée sur l'apport de la composante de précodage au système UWB, cette composante se réduisant en pratique à une simple addition d'une matrice d'étalement fréquentiel. La fonction de précodage est ensuite optimisée et différentes stratégies d'allocation dynamique des ressources sont étudiées. En considérant une approche classique tenant compte du taux d'erreur symbole (TES) ainsi qu'une nouvelle approche tenant compte du taux d'erreur binaire (TEB) moyen, différents algorithmes d'allocation dynamique visant à maximiser la portée ou le débit du système, ou à minimiser le TEB moyen du système, sont proposés. Les résultats analytiques montrent l'avantage d'utiliser une composante de précodage pour les applications UWB dont le canal est très sélectif en fréquence.<br />Dans un second temps, une étude système complémentaire à l'étude analytique est réalisée pour le système LP-OFDM UWB. Une composante MIMO est ajoutée au système, d'une part pour augmenter la portée du système à bas et moyen débit, et d'autre part pour augmenter le débit du système qui peut atteindre dans ce cas 1 gigabit/s. Les résultats de simulation sur le système proposé montrent que ce système est plus performant que le système MB-OFDM pour les débits déjà proposés dans la norme, et qu'il offre un débit deux fois plus important que ceux de la norme avec même une meilleure performance en terme de TEB.

L'ultra large bande (UWB) est une nouvelle technologie à fort potentiel pour les futurs réseaux personnels WPAN (wireless personal area networks) à très haut débit et faible portée. L'objectif de cette thèse est de proposer un nouveau système UWB, de type LP-OFDM (linear precoded orthogonal frequency division multiplexing) pour les applications WPAN, visant à améliorer la solution MB-OFDM (multiband OFDM), supportée par l'Alliance WiMedia.<br />Dans un premier temps, une étude analytique est menée sur l'apport de la composante de précodage au système UWB, cette composante se réduisant en pratique à une simple addition d'une matrice d'étalement fréquentiel. La fonction de précodage est ensuite optimisée et différentes stratégies d'allocation dynamique des ressources sont étudiées. En considérant une approche classique tenant compte du taux d'erreur symbole (TES) ainsi qu'une nouvelle approche tenant compte du taux d'erreur binaire (TEB) moyen, différents algorithmes d'allocation dynamique visant à maximiser la portée ou le débit du système, ou à minimiser le TEB moyen du système, sont proposés. Les résultats analytiques montrent l'avantage d'utiliser une composante de précodage pour les applications UWB dont le canal est très sélectif en fréquence.<br />Dans un second temps, une étude système complémentaire à l'étude analytique est réalisée pour le système LP-OFDM UWB. Une composante MIMO est ajoutée au système, d'une part pour augmenter la portée du système à bas et moyen débit, et d'autre part pour augmenter le débit du système qui peut atteindre dans ce cas 1 gigabit/s. Les résultats de simulation sur le système proposé montrent que ce système est plus performant que le système MB-OFDM pour les débits déjà proposés dans la norme, et qu'il offre un débit deux fois plus important que ceux de la norme avec même une meilleure performance en terme de TEB.

Dans les décennies à venir, la connaissance d’informations très précises concernant la position d’un objet permettra de créer des applications révolutionnaires dans les domaines sociaux, médicaux, commerciaux et militaires. La technologie Ultra-Wideband (UWB) est considérée comme un bon candidat permettant de fournir des capacités de localisation précise grâce à la mesure de l’estimation du temps d'arrivée (TOA). Dans cette thèse, des algorithmes de mesure de distance dans le cas multi-utilisateurs pour des systèmes UWB sont étudiés afin d'atteindre une bonne précision pour une faible complexité, avec de la robustesse aux interférences multi-utilisateur et dans le cas d’un grand nombre d'utilisateurs. Au cours de la dernière décennie, les signaux chaotiques ont reçu une attention significative en raison d'un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Les signaux chaotiques sont des signaux non périodiques, déterministes ou considérés comme pseudo-aléatoires provenant de systèmes dynamiques non linéaires. Leur bonne autocorrélation et leurs faibles propriétés d’inter corrélation les rendent particulièrement résistants aux évanouissements par trajets multiples et capables d'atténuer les interférences multi-utilisateur (MUI). En raison de leur grande sensibilité aux conditions initiales, il est possible de générer un grand nombre de signaux chaotiques pour accroître la capacité globale du système. Dans cette thèse, deux nouveaux algorithmes d'estimation de TOA sont proposés dans un cadre multi-utilisateur avec une faible complexité et une bonne robustesse. Le nombre d'utilisateurs pris en charge par ces deux algorithmes est beaucoup plus grand que dans le cas des estimateurs de TOA actuels. Cependant, l'utilisation de séquences d'étalement classique et d’impulsion limite l'amélioration des performances et la capacité du système. Afin d’apporter des améliorations, des signaux chaotiques sélectionnés sont utilisés comme séquences d'étalement ou impulsion dans les algorithmes proposés. Grâce à l'utilisation de signaux chaotiques, notre algorithme est non seulement amélioré, mais permet également l’utilisation d’un plus grand nombre d'utilisateurs par comparaison avec l’algorithme utilisant des signaux classiques / In the coming decades, highly accurate position information has the potential to create revolutionary applications in the social, medical, commercial and military areas. Ultra-Wideband (UWB) technology is considered as a potential candidate for enabling accurate localization capabilities through Time-of-Arrival (TOA) based ranging techniques. Over the past decade, chaotic signals have received significant attention due to a number of attractive features. Chaotic signals are aperiodic, deterministic, and random-like signals derived from nonlinear dynamical systems whose good autocorrelation, low cross-correlation and sensitivity to the initial conditions make them particularly suitable to ranging systems. In this thesis, two new multiuser TOA estimation algorithms are proposed with low complexity and robustness to MUI, the number of users supported by which is much larger than current multiuser TOA estimators. While, the use of classic spreading sequences and ranging pulse constrain the further improvement of ranging performance and system capacity. For breaking through the limit brought by the classic signals, the selected chaotic signals are employed as the spreading sequences or ranging pulse in our proposed algorithms. With the use of chaotic signals, our proposed algorithm not only obtains the additional improvement, but also with capability to support larger number of users comparing with its counterpart using classic signals

[pt] Neste trabalho, quatro métodos projetados especificamente para a estimação de sistemas esparsos são originalmente elaborados e apresentados. São eles: Encolhimentos Sucessivos, Expansões Sucessivas, Minimização da Norma l1 e Ajuste Automático do fator de regularização do Custo LS. Os quatro métodos propostos baseiam-se na técnica de estimação de sistemas lineares e invariantes no tempo pelo critério dos mínimos quadrados, universalmente conhecida por sua denominação em inglês - Least Squares (LS) Estimation, e incorporam técnicas relacionadas a otimização convexa e à teoria de compressive sensing. Os resultados obtidos em simulações mostram que os métodos em questão têm desempenho superior que a estimação LS convencional e que o algoritmo Recursive Least Squares (RLS) com regularização convexa denominado l1-RLS, em muitos casos alcançando o desempenho ótimo apresentado pelo método de estimação LS Oráculo, no qual o suporte da resposta ao impulso em tempo discreto do sistema estimado é conhecido a priori. Além disso, os métodos propostos apresentam custo computacional menor que do algoritmo l1-RLS. / [en] In this thesis, four methods specifically designed for sparse systems estimation are originally developed and presented, which were called here: Relaxations method, Successive Expansions method, l1-norm Minimization method and Automatic Adjustment of the Regularization Factor method. The four proposed methods are based on the Least Squares (LS) Estimation method and incorporate techniques related to convex optimization and to the theory of compressive sensing. The simulation results show that the proposed methods herein present superior performance than the ordinary LS estimation method and the Recursive Least Squares (RLS) with convex regularization method (l1-RLS), in many cases achieving the same optimal performance presented by the LS Oracle method. Furthermore, the proposed methods demand lower computational cost than the l1-RLS method.

Nous nous intéressons dans cette thèse à la vision à travers les murs (VTM) par radar ULB, avec comme objectif la mise au point d’une chaîne de traitement de l’information (CTI) complète pouvant être utilisée par différents types de radar imageur VTM. Pour ce faire, nous souhaitons prendre en compte le moins possible d’information a priori, ni sur les cibles, ni sur leur contexte environnemental. De plus, la CTI doit répondre à des critères d’adaptabilité et de modularité pour pouvoir traiter les informations issues de deux types de radar, notamment, le pulsé et le FMCW, développés dans deux projets dans lesquels s’inscrivent les travaux de cette thèse. L’imagerie radar est un point important dans ce contexte, nous l’abordons par la combinaison des algorithmes de rétroprojection et trilatération, et montrons l’amélioration apportée avec l’utilisation d’un détecteur TFAC prenant en compte la forme des signatures des cibles. La mise au point de la CTI est notre principale contribution. Le flux d’images radar obtenu est scindé en deux parties. La première séquence dynamique contient les cibles mobiles qui sont ensuite suivies par une approche multihypothèse. La seconde séquence statique contient les cibles stationnaires ainsi que les murs intérieurs qui sont détectés par une méthode s’appuyant sur la transformée de Radon. Nous avons produit un simulateur VTM fonctionnant dans le domaine temporel et fréquentiel pour mettre au point les algorithmes de la CTI et tester leur robustesse. Plusieurs scénarios de simulation ainsi que de mesures expérimentales, montrent que la CTI construite est pertinente et robuste. Elle est ainsi validée pour les deux systèmes radar. / This report is focused on Through-the-wall surveillance (TTS) using UWB radar, with the objective of developing a complete information processing pipeline (IPP) which can be used by different types of imaging radar. To do this, we want to take into account any a priori information, nor on the target, or their environmental context. In addition, the IPP must meet criteria of adaptability and modularity to process information from two types of radar, including pulsed and FMCW developed in two projects that are part of the work of this thesis. Radar imaging is an important point in this context ; we approach it by combining backprojection and trilateration algorithms and show the improvement with the use of a CFAR detector taking into account the shape of the targets signatures.The development of the IPP is our main contribution. The flow of radar images obtained is divided into two parts. The first dynamic sequence contains moving targets are tracked by a multiple hypothesis approach. The second static sequence contains stationary targets and interior walls that are highlighted by Radon transformbases approach. We developed a simulator operating in time and frequency domain to design the algorithms of the IPP and test their robustness. Several simulated scenarios and experimental measurements show that our IPP is relevant and robust. It is thus validated for both radar systems.

This thesis describes design and experimental verification of three types of the wideband antenna Bow-tie antenna, Vivaldi antenna and Spiral antenna. The tracked parameters are bandwidth, input impedance, gain and directivity patterns. Next step is design of millimeter-wave horn antennas. Attention is turned to the proper construction of a wideband feeder of the horn. For the final antenna structure, a bow-tie dipole and a Vivaldi antenna were chosen. The antenna construction is aimed to provide a wide bandwidth on one hand and a high gain on the other hand.

Disertační práce je zaměřena na měření a modelování kanálu uvnitř a vně vozidla pro komunikaci a lokalizaci. Pro účely vytvoření integrovaného inteligentního dopravního systému ITS (Intelligent transportation system) je důležitý odhad vlastnosti kanálů pro vnitřní a venkovní scénáře. Za tímto účelem je vhodné provést řadu činností, které jsou obsahem disertační práce: Simulace fyzické vrstvy 802.11p, její srovnávání s 802.11a, měření kanálu pro různé scénáře pro 802.11p a pro širokopásmový systém (UWB), vytvoření modelů kanálů pro 802.11p a UWB a výzkum vlastností lokalizace založené na měření v pásmu UWB. Výzkum komunikace vozidla s okolím založená na IEEE 802.11p standardu. Jedním z cílů disertační práce je ukázat rozdíly mezi standardy fyzické vrstvy IEEE 802.11a a IEEE 802.11p prostřednictvím simulace s použitím modelu kanálu HIPERPLAN/2. V práci je uvedena simulace přenosu signálu 802.11p kanálem ITU-R M.1225 s odlišným zpožděním a středním výkonem (pro chodce a vozidla). Vliv kanálu na signál je analyzován za použití simulace v prostředí MATLABu pomocí vyhodnocení chybovosti. Určení vlastností kanálů v kmitočtovém pásmu 5,8 GHz pro standard IEEE 802.11p a UWB. Experimenty byly prováděny pro vnitřní a vnější prostředí vozidla. Bylo zjištěno, že pro protokol 802.11p může být trend (dlouhodobý vývoj) profilu PDP (power delay profile) nejlépe aproximován pomocí modelu obsahujícího dvě klesající exponenciální funkce, na rozdíl od Saleh-Valenzuelova (S-V) modelu, který je více vhodný pro UWB systémy pracující v pásmu 3 až 11 GHz. Vytvoření odpovídající impulzní odezvy (CIR) s využitím trendu PDP. Informace o CIR byla použita pro simulaci 802.11p za účelem vyhodnocení chybovosti při použití Ricianova modelu. Výsledky odhadu BER ukazují vhodnost protokolu pro vnitřní a vnější prostředí bezdrátových aplikací. Výsledky simulací dále ukazují, že se chybovost zásadně nemění a proto je možné určit střední křivku BER pro celou sadu změřených dat. Určení vlivu malé změny polohy antény na vlastnosti kanálu. Práce ukazuje náhodnost parametrů UWB kanálu pro malé změny polohy antény okolo vozidla, zaparkovaného v podzemní garáži. Ztráty šířením jsou monotónně rostoucí se vzdáleností, avšak náhodně se mění v závislosti na úhlu a výšce antén, a proto je vyhodnocení vzdálenosti pomocí síly signálu pro tyto scénáře nevhodné. Na druhé straně může být pro spolehlivé určení vzdálenosti bez ohledu na úhel nebo výšku antény použita doba příchodu prvního svazku. Ověření vlivu změn konfigurace kanálu na parametry S-V modelu. Práce demonstruje závislost parametrů Saleh-Valenzuela modelu v na vzdálenosti a výšce antén, avšak ukazuje, že jejich průměrné hodnoty jsou blízké IEEE 802.15.3 standardu. Ověření možnosti lokalizace pomocí metody TOA (time of arrival). Vzdálenost mezi anténami byla určena z profilu PDP s využitím lineární závislosti vzdálenosti na zpoždění. Souřadnice vysílací antény byly nalezeny pomocí dvou přijímacích antén pomocí 2-D lokalizační techniky TOA. Porovnání vypočtených souřadnic s původními vykazuje chybu menší než 6%, což ukazuje vhodnost navrženého přístupu pro lokalizaci vozidel.