Cette thèse a apporté une contribution au défi de la caractérisation des canaux radios en bandes millimétriques ainsi que la validation d'un outil de simulation déterministe à travers un grand nombre de campagnes de mesures réalisées dans divers scénarios représentatives. Des questions de recherche liées à la caractérisation des canaux radio en bandes millimétriques et sa prédiction à travers un outil de simulation déterministe ont été abordées. Fournir des résultats précis et reproductibles est nécessaire dans le développement d'un système de communication. Ce défi peut être relevé en réalisant des campagnes de mesures qui capturent la réalité du canal de propagation constituant le point de départ. Dans cette thèse, les principales motivations scientifiques derrière ces campagnes de mesures étaient d'étudier la variabilité dans le temps et l'effet de l'environnement sur le canal de propagation dans les bandes millimétriques. Les bandes de fréquences adressées dans cette thèse sont identifiées comme étant importantes par l'UIT en vue d'un futur déploiement de la 5G à savoir 15, 28, 32 et 83 GHz. Les environnements considérés sont une conférence room, bureau, bibliothèque et micro-cellulaire. Les campagnes de mesures ont été menées en utilisant un sondage de canal fréquentiel avec l'utilisation d'un analyseur de réseau. L'exploitation des résultats de mesures ont permis d'apporter des éléments de réponses concernant le canal de propagation dans ces bandes de fréquences. D'autre part, les données de mesures ont été utilisés pour évaluer les performances et contribuer à la calibration d’un simulateur de canal radio à tracé de rayons (RT) reposant sur une approche déterministe. Le simulateur de canal déterministe utilisé dans cette thèse incorpore les mécanismes de propagation tels que le LOS, la réflexion et la diffraction. Le RT a permis de prédire le canal de propagation dans les bandes millimétriques avec une concordance acceptable avec les données de mesures. Ces résultats démontrent que le canal de propagation en bandes millimétriques a pour avantage d'être prédit avec de simple outil déterministe. / This thesis has contributed to the challenge of the radio channel characterizations in millimeter wave bands as well as the validation of a deterministic simulation tool through a large number of measurement campaigns carried out in various representative scenarios. Research questions related to the characterization of radio channels in millimetric bands and its prediction through a deterministic simulation tool were discussed. Providing accurate and repeatable results is necessary for the development of a communication system. This challenge can be meet by conducting measurement campaigns that capture the reality of the propagation channel and therefore constituting the starting point. In this thesis, the main scientific motivations behind these measurement campaigns were to study the time variability and the effect of the scattering environment of the propagation channel in the millimetric bands. The frequency bands addressed in this thesis are identified as important by the ITU for a future deployment of 5G, namely 15, 28, 32 and 83 GHz. The environments considered are a conference room, office, library and microcellular. The measurement campaigns were conducted using a frequency channel sounding technique with the use of a vector network analyzer. The exploitation of the measurement data provided some answers about the radio chennel propagation in these frequency bands. On the other hand, the measurements data were used to evaluate the performance and to contribute to the calibration of the ray-tracing tool (RT) based on a deterministic approach. The RT used in this thesis incorporates propagation mechanisms such as LOS, reflection and diffraction. The RT predicted the propagation channel in the millimeter bands with an acceptable level of agreement with respect to the measurement data. These results demonstrate that the propagation channel in millimetric bands has the advantage of being predicted with a simple deterministic tool.

This thesis treats of channel models for polarized multi-antenna wireless systems. Polarized multi-antenna systems are systems that use perpendicularly polarized, co-located antennas at the base station and at the mobile terminal, in order to benefit from the so-called polarization diversity. Such systems benefit from the advantages of MIMO systems while still maintaining a compact equipment size. Two models will be presented in this thesis. The first one is the Polarized-Input Polarized-Output (PIPO) channel model, the second one is the Polarized-Diffuse-Directional channel model. The PIPO model is a statistical channel model for tri-polarized to tri-polarized communication systems. A tri-polarized antenna system is a tranceiver using three perpendicular antennas. The aim of the PIPO channel model is to have a model that has a simple mathematical structure, so it can be used for solving precoding equations or capacity calculations. Although the PIPO model has a very simple structure, it takes the following parameters into account: coherent channel component, cross-polar channel power imbalance, inter-channel correlation, short- and long-scale time variance. Experimental measurements are used to parameterize the model. It is shown how the model parameters are extracted from experimental measurements, and the results are analyzed to allow further simplification of the model. The PDD model, on the other hand, is a geometry-based stochastic channel model. It models the channel as a sum of clusters, where each cluster consists of groups of multipath components (MPCs). The PDD model includes two novelties that will be developed in detail in this thesis. - The model considers polarization on a per-cluster basis. This permits to have a more accurate description of the polar-angular spectrum. - The diffuse multipath component (DMC) is included by considering a diffuse component for each cluster. The diffuse cluster component is then modeled as the sum of a set of diffuse MPCs. The model is specified in detail, and it is shown how the model can be generated. Experimental measurements were carried out to parameterize the model. A new extraction technique for extracting the specular-diffuse clusters from the measurements is proposed. This technique is based on joint clustering of the specular MPCs and the bins of the diffuse component. The experimental results are analyzed, and superimposed with environment information to gain further insight into the physical aspects of clustered propagation. Finally, both models are validated. Several validation metrics are introduced, and their pertinence in the context of polarized MIMO systems is highlighted. Both models are successfully validated, and the advantages and limitations of each models are investigated. Cette thèse traite des modèles de canal pour systèmes sans-fils multi-antennes polarisés. Des systèmes multi-antennes polarisés sont des systèmes qui utilisent des antennes polarisées perpendiculairement co-localisées à la station de base et au terminal mobile, dans le but de bénéficier de la diversité de polarisation. De tels systèmes peuvent bénéficier des avantages des systèmes MIMO tout en diminuant l'encombrement des équipements. Deux modèles seront présentés dans cette thèse. Le premier est le modèle Polarized-Input Polarized-Output (PIPO), le second est le modèle Polarized-Diffuse-Directional (PDD). Le modèle PIPO est un modèle statistique pour des systèmes de communication tri-polaire à tri-polaire. Un système tri-polaire est un émetteur ou un récepteur qui utilise trois antennes perpendiculaires. Le but du modèle de canal PIPO est d'avoir un modèle qui a une structure mathématique simple, afin qu'il puisse être utilisé pour résoudre des équations de précodage ou des calculs de capacité. Malgré la structure simple du modèle PIPO, il tient compte des paramètres suivants: la composante cohérente du canal, les différences de puissance entre canaux cross-polaires, la corrélation entre canaux, les variations à courte et à longue échelle de temps. Des mesures expérimentales ont été réalisées afin de paramétriser le modèle. Les techniques pour extraire les paramètres du modèle des mesures expérimentales sont présentées, et les résultats sont analysés afin de permettre une simplification supplémentaire du modèle. Le modèle PDD, quant à lui, est un modèle de canal stochasique-géométrique. Il modélise le canal comme une somme de clusters, où chaque clusters est composé d'un groupe de chemins multi-trajets. Le modèle PDD inclut les deux nouveautés suivantes qui seront développées en détail dans cette thèse. - Le modèle considère une polarisation par cluster. Ceci permet d'avoir une description plus exacte du spectre angulaire-polaire. - La composante diffuse est prise en compte en incluant une composante diffuse pour chaque cluster. La composante diffuse d'un cluster est alors modelisée comme une somme de multi-trajets diffus. Le modèle est spécifié en détail, et il est présenté comment le modèle peut être généré. Des mesures expérimentales ont été faites afin de paramétriser le modèle. Une nouvelle technique d'extraction est proposée pour extraire les clusters spéculaires-diffus. Cette technique est basée sur le clustering conjoint des multi-trajets spéculaires et des "bins" de la composante diffuse. Les résultats expérimentaux sont analysés, et superposés avec l'information de l'environnement de mesure afin d'avoir une connaissance accrue des aspects physiques de la propagation par clusters. Finalement, les deux modèles sont validés. Plusieurs métriques de validations sont introduites, et leur pertinence dans le cadre des systèmes MIMO polarisés est mis en avant. Les deux modèles sont validés avec succès, et les avantages et limitations de chaque modèle sont investigués.

Les télécommunications sans fil connaissent un intérêt toujours soutenu depuis plus d'une décennie car elles permettent une simplification des infrastructures par rapport aux télécommunications filaires, une mobilité accrue des terminaux, et finalement un usage plus souple pour l'utilisateur.<br /><br />Le défi actuel de ce champ des télécommunications est d'assurer une augmentation des débits de transmission. Pour cela plusieurs techniques sont envisagées, parmi lesquelles la montée en fréquence vers le spectre des ondes millimétriques. Cette approche est à la base de cette thèse qui présente les résultats de la caractérisation et de la modélisation statistique du canal de propagation intra-bâtiment à 60 GHz. Ces travaux sont basés sur plusieurs campagnes de mesure menées principalement en milieu résidentiel.<br /><br />Les principaux résultats soulignent l'importance du problème d'obstruction provoqué par l'activité humaine, ainsi que la difficulté de la propagation entre les pièces d'un bâtiment. Enfin, ces mesures révèlent que la mise en œuvre d'une diversité angulaire au sein du réseau devrait permettre de contrer ces deux difficultés. Par ailleurs, sont proposés des modèles de la propagation spatio-temporel et variant dans le temps, basés sur les propriétés statistiques des différentes caractéristiques du canal.

Le besoin d'améliorer la capacité des réseaux sans-fil, pour la transmission de données et les applications multimédia des systèmes de communications numériques, a amené à s'intéresser aux techniques de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour augmenter le débit et la qualité des transmissions. Les systèmes MIMO se servent de réseaux d'antennes, à la fois à l'émission et à la réception d'une communication radio et ainsi exploitent la dimension spatiale pour la transmission de l'information. Les performances expérimentales d'un système de communication peuvent être évaluées en utilisant un simulateur matériel du canal de propagation. Cette thèse a pour objectif la conception et la réalisation de la partie numérique d'un simulateur matériel pour les canaux de propagation MIMO, pour les réseaux UMTS et WLAN. La simulation matérielle du canal radio assure la vitesse de traitement nécessaire. D'autres avantages de la simulation matérielle sont l'évaluation des performances en temps réel et la comparaison de divers systèmes de radiocommunication dans un canal de propagation variant dans le temps, dans les mêmes conditions de test. L'étude de faisabilité a permis d'établir deux approches, l'une pour les environnements indoor, l'autre pour les environnements outdoor. Les architectures numériques proposées ont été étudiées et implémentées dans un composant programmable FPGA. L'évaluation des performances et de la complexité montre l'intérêt de ces architectures. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet PRIR SIMPAA 2, avec le soutien de la Région Bretagne.

Les systèmes de navigation par satellites sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. De nouveaux besoins émergent, majoritairement en environnement urbain. Dans ce type d'environnement très obstrué, le signal reçu par l'utilisateur a subit des atténuations ainsi que des réfractions/diffractions, ce qui rend difficile la démodulation des données et le calcul de position de l'utilisateur. Les signaux de navigation par satellites étant initialement conçus dans un contexte d'environnement dégagé, leurs performances de démodulation sont donc généralement étudiées dans le modèle de canal de propagation AWGN associé. Or aujourd'hui ils sont utilisés aussi en environnements dégradés. Il est donc indispensable de fournir et d'étudier leurs performances de démodulation dans des modèles de canal de propagation urbain. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, le but final étant d'améliorer les performances de démodulation des signaux GNSS en milieux urbains, en proposant un nouveau signal. Afin de pouvoir fournir et analyser les performances de démodulation des signaux de navigation par satellite en milieux urbains, un outil de simulation a été développé dans le cadre de cette thèse : SiGMeP pour « Simulator for GNSS Message Performance ». Il permet de simuler la chaine entière d'émission/réception d'un signal de navigation par satellites et de calculer ses performances de démodulation en milieu urbain. Les performances de démodulation des signaux existants et modernisés ont donc été calculées avec SiGMeP en environnement urbain. Afin de représenter au mieux ces performances pour qu'elles soient le plus réalistes possibles, une nouvelle méthode adaptée au cas urbain est proposée dans ce manuscrit. Ensuite, pour améliorer ces performances de démodulation, l'axe de recherche s'est essentiellement porté sur le « codage canal ». Pour décoder l'information utile transmise, le récepteur calcule une fonction de détection à l'entrée du décodeur. Or la fonction de détection utilisée dans les récepteurs classiques correspond à un modèle de canal AWGN. Ce manuscrit propose donc une fonction de détection avancée, qui s'adapte au canal de propagation dans lequel l'utilisateur évolue, ce qui améliore considérablement les performances de démodulation, en ne modifiant que la partie récepteur du système. Enfin, dans le but de concevoir un nouveau signal avec de meilleures performances de démodulation en environnement urbain que celles des signaux existants ou futurs, un nouveau codage canal de type LDPC a été optimisé pour une modulation CSK. En effet, la modulation CSK est une modulation prometteuse dans le monde des signaux de type spectre étalé, qui permet de se débarrasser des limitations en termes de débit de données qu'impliquent les modulations actuelles des signaux de navigation par satellites. / Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are increasingly present in our everyday life. Further operational needs are emerging, mainly in urban environments. In these obstructed environments, the signal emitted by the satellite is severely degraded due to the many obstacles. Consequently, the data demodulation and the user position calculation are difficult. GNSS signals being initially designed in an open environment context, their demodulation performance is thus generally studied in the associated AWGN propagation channel model. But nowadays, GNSS signals are also used in degraded environments. It is thus essential to provide and study their demodulation performance in urban propagation channel models. It is in this context that this PhD thesis is related, the final goal being to improve GNSS signals demodulation performance in urban areas, proposing a new signal. In order to be able to provide and study GNSS signals demodulation performance in urban environments, a simulation tool has been developed in this PhD thesis context: SiGMeP for ‘Simulator for GNSS Message Performance'. It allows simulating the entire emission/reception GNSS signal chain in urban environment. Existing and modernized signals demodulation performance has thus been computed with SiGMeP in urban environments. In order to represent this demodulation performance faithfully to reality, a new methodology adapted to urban channels is proposed in this dissertation. Then, to improve GNSS signals demodulation performance in urban environments, the research axis of this thesis has focused on the ‘Channel Coding' aspect. In order to decode the transmitted useful information, the receiver computes a detection function at the decoder input. But the detection function used in classic receivers corresponds to an AWGN propagation channel. This dissertation thus proposes an advanced detection function which is adapting to the propagation channel where the user is moving. This advanced detection function computation considerably improves demodulation performance, just in modifying the receiver part of the system. Finally, in order to design a new signal with better demodulation performance in urban environments than one of existing and future signals, a new LDPC channel code has been optimized for a CSK modulation. Indeed, the CSK modulation is a promising modulation in the spread spectrum signals world, which permits to free from limitation sin terms of data rate implied by current GNSS signals modulations.

L'exploitation, le contrôle et la signalisation des systèmes de métros modernes et en particulier les métros sans conducteur, reposent sur deux familles de systèmes de communication radio sans fil : les transmissions vitales pour la signalisation et le contrôle des trains à faible débit et les transmissions non vitales très haut débit pour la vidéo surveillance embarquée, le télé-diagnostic,l'information des clients, etc. Lors de la mise en œuvre de tels systèmes de transmission, l'industriel doit donc garantir à l'exploitant de métro des performances concernant les débits et la qualité de la transmission en termes de perte de paquets d'information. Dès lors, appréhender le comportement du canal de propagation est un élément clé pour prédire et améliorer les performances des systèmes de transmission.L'objectif de ces travaux de thèse est double et concerne :• D'une part, la réduction des temps de calcul d'un simulateur de canal à tracé de rayons 3D qui prédit avec précision le comportement du canal de propagation, mais reste coûteux en temps de calculs pour les simulations dynamiques. Nous proposons dans cette thèse une méthode qui s'appuie sur trois critères de visibilité pour simplifier la description de lagéométrie de l'environnement sans pénaliser la prédiction des paramètres caractéristiques du canal de propagation ;• D'autre part, la mise en œuvre d'un nouveau modèle de canal de propagation MIMO dynamique en tunnel rectiligne de section rectangulaire qui permettra d'optimiser des systèmes de transmission multi antennaires (MIMO) pour des applications de transmissions sans fil pour les métros en tunnel. Ce modèle s'inspire globalement du modèle de canal utilisé / The exploitation, control and signalling systems for metro and especially modern driverless metros, are based on two families of radio communication systems Wireless : vital transmissions for signalling and train control low-flow and nonvital transmissions with very high bandwidth for video-tracking systems, telediagnosis, customer information, etc.. During the implementation ofsuch transmission systems, the industrial must therefore ensure the metro operator performance on throughput and transmission quality in terms of packet loss information. Therefore, understanding the behavior of the propagation channel is a key to predict and improve performance of transmission systems.The aim of this thesis is twin and concerns :• On the one hand, the computation time reduction of a 3D ray tracing simulator that accurately predicts the behavior of the propagation channel, but it is expensive in times of calculation for dynamic simulations. We propose here a new method based on three visibility criteria to simplify the geometry description of the environment without degrading the characteristic parameters prediction of the propagation channel ;• On the other hand, the construction of a new model for MIMO propagation channel dynamics in straight tunnel of rectangular section which will optimize transmission systems multi-antennary (MIMO) applications for wireless transmission in metros tunnel. This model draws broadly from the channel model used in the standard WINNER and is fed by the results extracted from the 3D ray tracing channel simulator. The results obtained in this thesis are encouraging and offer many opportunities.

L'étude au cours de cette thèse a permis d'aborder en partie les défis des communications BANs à 60 GHz. Cette fréquence présente des intérêts pour les applications BANs, principalement la réduction des interférences, la miniaturisation poussée des antennes, la large bande disponible permettant d'utiliser une technique de communication à faible consommation d'énergie. Pourtant, la forte atténuation à cette fréquence et l'influence du corps, rendent l'établissement d'une liaison BAN fiable et efficace en termes d'énergie à 60 GHz un vrai défi. Pour une analyse détaillée de canal de communication à cette fréquence, une antenne planaire a été conçue et utilisée pour des mesures sur le corps. Les mesures on-body montrent que les liaisons courtes et en conditions LOS (Line Of Sight) sont possibles à 60 GHz, les autres liaisons nécessitent le routage en multi-saut. Pour les scénarios off-body considérés, la faisabilité de l'utilisation des BANs à 60 GHz pour des systèmes de faible consommation d'énergie a été démontrée. En comparaison avec une fréquence dans la bande UWB (4 GHz), la probabilité d'interruption de communication à 60 GHz est toujours inférieure (8%) à celle à 4 GHz (15%), en respectant les standards de puissance pour les deux fréquences. Sur le plan analytique, pour franchir les difficultés de séparation antenne-canal sur le corps (ou " de-embedding "), plutôt que de considérer le gain d'antenne, une approche théorique basée sur la méthode des images complexes est présentée pour comparer deux antennes canoniques sur le corps en termes d'efficacité et de bilan de liaison. / The 60 GHz-band is interesting for BAN applications mainly for less interference than at microwave frequencies, further antenna miniaturization, wide available band adapted to low energy consumption communication. Nevertheless, the high attenuation at this frequency and the body influence on the propagation enhance the link budget. The design of a reliable and effective communications between nodes on body or for off-body links at 60 GHz is a real challenge. It requires a detailed analysis of the communication channel. For that, a planar antenna was designed and used for channel measurements on body. The on-body measurements show that short-distance and LOS (Line Of Sight) links are possible. The other links with high attenuation could be recovered by applying multi-hop routing techniques. In addition, the dynamics of the body is taken into account by statistical channel measurement on-body at 60 GHz and off-body at two frequencies, 60 GHz and 4 GHz. For the considered off-body scenarios, by taking into account transmission power standards and receiver sensitivity, regarding low power consumption receivers in the literature, the outage probability at 60 GHz is always lower than 8 % whereas that at 4 GHz is lower than 15 %. In the channel consideration, difficulties arise to separate the antenna from the channel (de-embedding) because of the strong influence of the body presence on antenna parameters. A theoretical approach based on the complex images method has been presented to compare two canonical antennas on the body in terms of efficiency and link budget. This result is useful to estimate the energy consumption and to choose antennas for BANs.

Les progrès réalisés dans les domaines des réseaux de capteurs disséminées, de l'identification radiofréquence ou des communications millimétriques présagent l'apparition de petits objets, intelligents, autonomes et communiquant par le biais de transmissions radiofréquences. Dans ce contexte, les orientations aléatoires et variables des dispositifs les uns par rapport aux autres engendrent de fortes variations du bilan de transmission en raison de l'anisotropie de rayonnement ainsi que des désadaptations de polarisation entre antennes. Il existe donc un besoin pour de petites antennes bas coût aux caractéristiques de rayonnement optimisées pour une transmission indépendante de leurs orientations relatives. La première partie de ce travail a consisté à proposer un nouveau critère, appelé fonction de couverture isotrope, permettant de caractériser rigoureusement les performances des antennes dans un tel contexte. Cette méthode a permis de comparer diverses antennes de la littérature et d'étudier les effets de leurs propriétés de rayonnement. L'influence de l'environnement de propagation a également été étudiée. La seconde partie a consisté à proposer deux nouvelles antennes répondant à cette problématique tout en prenant en compte les fortes contraintes d'intégration et de miniaturisation. Un prototype a été réalisé et valide l'approche de conception suivie. Finalement, un dernier développement envisage le cas des multi antennes. Une extension de la méthode de caractérisation est proposée. L'une des structures précédentes est développée en deux versions à deux accès et illustre le principe d'une antenne isotrope à double polarisation orthogonale aux performances optimales.

Depuis peu, le grand public manifeste un engouement pour des objets communicants qui requièrent le transfert rapide d'une quantité d'information sans cesse croissante. Dans ce contexte, l'un des challenges scientifiques repose sur la recherche de techniques de transmissions radio à très haut débit sur de courtes portées. Une technique possible est l'utilisation de signaux UWB, lesquels ont été autorisés en février 2002 par l'organisme américain de régulation des fréquences. Pour évaluer les performances des systèmes UWB, la modélisation du canal de propagation est indispensable. Ces modélisations sont généralement statistiques. L'objectif de la thèse a consisté à examiner l'apport de la modélisation déterministe pour l'étude du canal UWB. Les travaux présentés portent sur l'étude de l'impact des mécanismes de propagation sur les signaux UWB, sur la conception d'un outil de modélisation déterministe et sur la réalisation de campagnes de mesures pour l'évaluation de l'outil.

L'Ultra Wide Band (UWB) est une technique de communication radio à haut débit et courte portée qui utilise des bandes de fréquence de 500 MHz à plusieurs GHz. Cette thèse présente une caractérisation expérimentale du canal de propagation UWB afin de proposer des modèles pour le développement de ces systèmes.<br />Les deux techniques de sondage proposées permettent la mesure du canal statique dans la bande 3,1 – 11,1 GHz et le sondage en temps réel dans la bande 4 – 5 GHz. Plusieurs campagnes de mesure réalisées en environnement intérieur de bureau sont détaillées. Leur analyse permet de dégager les paramètres grande échelle et les évanouissements rapides du canal statique, avec une étude particulière de l'influence de la fréquence. Des études spécifiques sont dédiées aux variations du canal UWB dues au mouvement des antennes et au passage de personnes. Un modèle statistique est proposé, permettant de reproduire les effets du canal de propagation UWB, en configurations statique et dynamique.