La nécessité d'une transmission sans fils des données à des débits élevés, à la fois fiables et avec de faible latence a donné lieu à ces dernières années à une succession de normes sans fil, allant de 3G-4G, WLAN à la cinquième génération (5G) des réseaux mobiles. Dans ce contexte, les équipementiers, ainsi que les opérateurs, doivent élaborer des méthodes d'essai standard précises et efficaces pour évaluer les performances des systèmes et des terminaux. Les méthodologies de test en direct par voie aérienne ("Over-The-Air") (OTA) visent à reproduire des environnements multi-trajets radio en laboratoire de manière répétable et contrôlable, en évitant les coûteuses mesures in-situ. L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthodologie d'essai OTA, afin de reproduire la propagation des canaux radio, sur une large bande et d'évaluer les performances des systèmes sans fil dans des environnements réels. La thèse débute en présentant les bases de la chaîne radio et de certains modèles de chaînes présentés dans la littérature. Ensuite, un examen critique des méthodologies OTA existantes dans la littérature est fourni. Parmi les différentes méthodologies, nous avons opté pour l'approche de la chambre anéchoïde multi-sonde, qui consiste à déployer un certain nombre de sondes autour d'un équipement radio sous test et à les alimenter avec un émulateur d’évanouissements (fading). Cette méthodologie fournit une reproduction précise des caractéristiques des canaux spatiaux, qui sont nécessaires pour évaluer la performance des terminaux multi-antennes dans des environnements réels. L'avantage le plus important de cette méthodologie est la capacité d'imiter différents modèles de canaux en termes de résolution spatiale, d’évanouissements angulaire et temporel. Un outil de simulation a été développé pour étudier et déterminer les caractéristiques de l'installation OTA pour différents types de canaux d’intérêt. En particulier, le nombre et la mise en place des antennes nécessaires et la taille de l'installation ont été étudiés en fonction de la taille électrique du dispositif testé. Sur la base des études de dimensionnement, une configuration OTA expérimentale a été réalisée pour reproduire les caractéristiques des canaux dans l'espace tridimensionnel pour une plage de fréquences de 2 à 6 GHz. / The need for high data-rate, reliable and low latency transmission in wireless communication systems motivated a multitude of wireless standards, spanning from 3G-4G, WLAN to the upcoming fifth generation (5G) of mobile networks. In this context, technology providers, as well as operators, need to develop accurate and cost effective standard test methods, to evaluate devices performance. Over-The-Air (OTA) test methodologies aim to reproduce radio multipath environments in laboratory in repeatable and controllable manner, avoiding costly field test. The focus of this thesis is to propose a new OTA test methodology, in order to emulate radio channel propagation, over a wide band, and to evaluate the performance of the wireless systems in real environments. We start our study by introducing the basics of radio channel and some channel models presented in literature. Then a critical review of existing OTA methodologies in literature is provided. Among the different methodologies we opted for the multi-probe anechoic chamber approach, which consists into deploying a number of probes around a device, and feed them with fading emulator. This methodology provides an accurate reproduction of spatial channel characteristics, which are needed to assess the performance of multi-antenna terminals in real environments. The most important advantage of this methodology is the capability to emulate different channel model in term of spatial resolution, angular and temporal fading. A simulation tool was developed to investigate and determine the OTA setup under different channel condition. In particular the number and emplacement of antennas needed and the size of the setup were investigated as a function of the electrical size of the device under test. Based on the dimensioning studies, an experimental OTA setup was realized to reproduce the channel characteristics in the three dimensional space for a frequency range from 2 to 6 GHz.

Les forts besoins en matière d'économie de carburant, de réduction des coûts de maintenance et de diminution des accidents routiers, ont conduit à la conception et à la commercialisation d'une gamme de systèmes embarqués sans fil, installés dans les véhicules roulants terrestres. Or, il faudra surmonter plusieurs défis techniques pour que les divers bénéfices de ses systèmes se réalisent. Ce mémoire de thèse s'est déroulé au sein de l'entreprise Continental Automotive Systems et les laboratoires LAAS et LAPLACE de Centre National de la Recherche Scientifique. Les travaux ont porté sur le canal de propagation radiofréquence dans l'environnement du véhicule pour le système de surveillance de pression des pneumatiques (TPMS) et le système d'accès sans fil (PASE). Ils se sont répartis entre les expérimentations et des études théoriques visant à présenter des modèles efficaces de l'environnement de propagation, d'évaluer la qualité de communication et de proposer des solutions adaptées aux systèmes embarqués sans fil étudiés. Les résultats de simulation et de mesure montrent que nous pouvons bien cerner les mécanismes de propagation mis en jeu dans l'environnement véhicule, et d'adapter en conséquence les solutions protocolaires et antennaires. / The high potential of accident prevention by using an intelligent tire system can be clearly seen through the different accident analysis. It has been shown that adverse road conditions, tire defects or their combination play an important role in road accidents. Moreover the decrease in the number of fatalities, provided that the entire car fleet is equipped with intelligent tire systems, could be significantly improved by preventing at least 10 % of accidents. This would mean that over 4 000 life’s could be saved every year in European countries. The first part of this thesis presents is the TPM (Tire Pressure Monitoring) System, which corresponds to a wireless radiofrequency transmission between a transmitter module (TX) in each tire of the car and a fixed central receiver (RX). The transmitter, next called "Wheel Unit", is composed with different electronic sensors (temperature, pressure, acceleration...) for the detection of the tire inflation status. The data are collected by the receiver where the different wheel unit frames from each tire is decoded by the control unit. Then a graphical display informs the driver with the required pressure and temperature variations. The second investigated system is the wireless car access, which operate the bilateral link LF /RF, by sending the different commands at 315 MHz or 434 MHz. The signals are related to an electronic code featuring the key to control the vehicle (lock/unlock of doors and the trunk release, start of the engine,…). The automotive PAssive Start and Entry system (PASE) module generates a low frequency wake-up message (at 125 kHz) from the car towards the badge, and a RF challenge signal communicates back from the badge to the car at triggering event. The free radio license frequency of 434MHz is chosen for this study. The RF radio-link budget is a keystone of the overall system reliability: the carrier propagation between the wheel unit and the receiver must be effective whatever the ground composition, whatever the angular position or speed of the wheel unit, for each of the four wheel units. Moreover, the system must be insensitive to RF interferences. The transmission between the wheel units and the receiver is tricky because of the many parameters involved. These environment and operating considerations increase the radio-link budget complexity, and contribute to degrade the global transmission quality of the TPM system. The major parameters that impact the TPMS efficiency: System parameters: the system design affects the transmission performances. The frame structure, the modulation schemes and code lines contribute directly or indirectly to increase the BEP (Bit Error Probability), thus the choice of an efficient system strategy is indispensable for the TPMS. Radiofrequency channel: The car body affects considerably the wave propagation, because the data link is not a line-of-sight, and the channel varies rapidly according to the wheel unit positions and the wave trajectories. So, due to the complex and variable environment, the main characteristics of emitted waves also change in phase and power and it produces both destructive and constructive behaviors. Receiver: generally it can be posed near the metallic structure of the car, so the antenna pattern can be corrupted. RF Source effects. To ensure the good reception of the data transmitted from the sensors, a good knowledge of our wireless radio-link channel is mandatory. Thus, the transmitter part of the system must be properly described: the RF source characterization for TPMS –Tire Pressure Monitoring System- is discussed in this thesis. We proposed in the first part an original approach to characterize the source, from the transmitter antenna to the whole wheel system: thus the influence of each element (lumped antenna + rim + tire) is quantified once embedded in the antenna. Several experimental studies are performed in far and near field conditions for a complete characterization.

Dans les systèmes ultra large bande (ULB), des impulsions RF extrêmement étroites sont employées pour la communication entre émetteurs et récepteurs. En raison de leur bande passante très large, les signaux ULB entraînent un grand nombre de trajets multiples résolvables et donc réduisent les interférences provoquées par la superposition de ces trajets. Toutefois, cela nécessite la mise en œuvre d'un système de réception complexe. Le retournement temporel (RT) est une approche qui permet d'utiliser des récepteurs simples en déplaçant la complexité vers l'émetteur. Le signal reçu RT est très focalisé dans les domaines temporel et spatial. Les focalisations temporelle et spatiale permettent de réduire respectivement l'interférence entre symboles et l'interférence multi-utilisateurs. Dans cette thèse, nous étudions la technique du RT en ULB et son application aux communications haut débit. La validation de la technique du RT dans le laboratoire est réalisée et une étude paramétrique du RT est faite avec différentes configurations multi-antennes (SISO, SIMO, MISO et MIMO). Les résultats montrent que la configuration RT-MIMO présente les meilleures performances. La robustesse du RT est également étudiée dans des environnements non stationnaires. La robustesse du RT est également étudiée dans des environnements non stationnaires. Les résultats suggèrent que si le canal garde une certaine corrélation partielle avec le canal précédent, le RT peut donner une bonne robustesse même si la corrélation totale des canaux est très faible. Bien que les performances obtenues soient meilleures avec des bandes passantes supérieures, la dégradation des performances avec les variations dans le canal reste du même ordre de grandeur. Ensuite, le RT est étudié du point de vue communication. Des validations expérimentales d'une nouvelle technique de modulation et la communication à haut débit sont effectuées pour des canaux denses en trajets multiples. On montre que les performances de TEB en indoor sont meilleures que celles obtenues en chambre réverbérante. Par ailleurs, avec une transmission RT par sous bandes, qui constitue une sorte d'égalisation, le TEB peut être sensiblement amélioré. Enfin, la communication RT multi-utilisateur a été examinée avec des modifications dans le pré-filtre. Le RT modifié donne de meilleures performances que le RT classique ou le RT avec permutation circulaire. Les résultats présentés dans cette thèse suggèrent que le RT en ULB, qui peut être facilement combiné avec les systèmes MIMO, est une approche prometteuse pour les futurs réseaux de locaux et personnels (WLAN et WPAN) sans fils.

Les études présentées dans cette thèse font l'objet d'un travail innovant concernant la conception des antennes pour les réseaux de type BAN et la modélisation des canaux associés. L'ouvrage de thèse est réparti en quatre chapitres. Deux chapitres sont consacrés à la modélisation de la propagation le long du corps où l'on montre que les formulations analytiques d'ondes de surface et d'ondes rampantes sont applicables dans ce contexte. L'effet des tissus adipeux est également pris en compte par le biais d'un modèle à trois couches (peau, graisse et muscle) et renseigne sur la variabilité du bilan de liaison suivant les personnes. Ce type de modélisation est le premier à inclure les formes du corps, les caractéristiques électriques des tissus biologiques et les caractéristiques de rayonnement des antennes. Une méthode basée sur l'autocorrélation du canal est également présentée afin de connaître les temps de cohérences des évanouissements lents et rapides. Par la suite, il est montré comment les évanouissements lents sont extraits par le biais d'un filtrage FFT fonction du temps de cohérence associé. L'étude des canaux se termine sur une série de mesures en chambre anéchoïde qui a permis de vérifier la validité des modèles analytiques. Des mesures en milieu indoor ont abouti à la proposition de plusieurs modèles statistiques basés sur une loi de Nakagami-m fonction de la distance sur le corps. Deux autres chapitres sont consacrés à la conception d'antennes à proximité de tissus biologiques et devant être intégrées dans des biocapteurs ou des vêtements. Pour cela, nous nous sommes particulièrement intéressés aux structures en F-inversé comme les IFA imprimées et les PIFA. Nous avons également réalisé des monopôles courts ayant un comportement de type magnétique. Nous montrons par le biais de simulations et de mesures sur un fantôme que seules les antennes du type monopôle et PIFA permettent une bonne excitation des ondes de surface. On montre par la suite l'influence du facteur de qualité d'une antenne sur son rendement et l'on en conclue qu'une antenne doit présenter un facteur de qualité faible pour avoir un bon rendement. La désensibilisation d'une antenne face au corps est également présentée. L'emploi de feuilles de ferrites aide à concentrer le champ réactif et limite ainsi les inévitables désadaptations dues au corps. Le coefficient de qualité joue également un rôle important dans le comportement de l'antenne face aux variabilités des tissus biologiques. L'estimation du rendement est un autre point difficile à réaliser lorsque les antennes sont sur le corps. Malgré tout nous proposons une nouvelle méthode que nous vérifions par simulation. Finalement, une structure à diversité est également proposée. Cette dernière tient compte des connaissances acquises au long de ce travail de recherche. Une sélection des meilleurs types d'antennes du point de vu canal et rendement est réalisée. La structure choisie est composée d'une PIFA et d'un monopôle court découplés par le biais de fentes λ/4. Des mesures in situ en milieu indoor donnent un gain en diversité maximum de 8.1 dB pour un schéma de type sélection

La performance de démodulation des signaux GNSS existants, GPS L1 C/A, L2C ou L5, est satisfaisante en environnements ouverts où le C/N0 disponible est assez élevé. Cependant, en milieu urbain, le niveau de C/N0 du signal reçu est souvent très bas et est affecté de variations rapides qui peuvent nuire la démodulation des messages GNSS. Donc, car les applications du marché de masse sont appelées à être déployées dans ces environnements, il est nécessaire d'étudier et de chercher des méthodes de démodulation/décodage qui améliorent la performance de démodulation des messages GNSS dans ces environnements. Il est aussi nécessaire de considérer les nouveaux signaux GPS L1C et GALILEO E1. Ces signaux doivent fournir un service de positionnement par satellite dans tout type d'environnement, et spécifiquement en milieu urbain. Ainsi, cette thèse analyse aussi les performances de démodulation des nouveaux signaux GNSS tels que définis dans les documents publics actuels. De plus, de nouvelles structures de message GALILEO E1 sont proposées et analysées afin d'optimiser la performance de démodulation ainsi que la quantité d'information diffusée. En conséquence, le but principal de cette thèse est d'analyser et améliorer la performance de démodulation des signaux GNSS ouverts au public, spécifiquement en milieu urbain, et de proposer de nouvelles structures de messages de navigation pour GALILEO E1. La structure détaillée des chapitres de cette thèse est donnée ci-après. En premier lieu, le sujet de cette thèse est introduit, ses contributions originales sont mises en avant, et le plan du rapport est présenté. Dans le 2ième chapitre, la thèse décrit la structure actuelle des signaux GNSS analysés, en se concentrant sur la structure du message de navigation, les codages canal implantés et leurs techniques de décodage. Dans le 3ième chapitre, deux types de modèles de canal de propagation sont présentés pour deux différents types de scénarios. D'un côté, un canal AWGN est choisi pour modéliser les environnements ouverts. De l'autre côté, le modèle mathématique de Perez-Fontan d'un canal mobile est choisi pour représenter les environnements urbains et indoor. Dans le 4ième chapitre, une tentative pour effectuer une prédiction binaire d'une partie du message de navigation GPS L1 C/A est présentée. La prédiction est essayée en utilisant les almanachs GPS L1 C/A, grâce à un programme de prédiction à long terme fourni par TAS-F, et des méthodes de traitement du signal: estimation spectrale, méthode de PRONY et réseau de neurones. Dans le 5ème chapitre, des améliorations à la performance de démodulation du message de GPS L2C et L5 sont apportées en utilisant leur codage canal de manière non traditionnelle. Deux méthodes sont analysées. La première méthode consiste à combiner les codages canal internes et externes du message afin de corriger davantage de mots reçus. La deuxième méthode consiste à utiliser les probabilités des données d'éphémérides afin d'améliorer le décodage traditionnel de Viterbi. Dans le 6ième chapitre, la performance de démodulation des messages de GPS L1C et du Open Service GALILEO E1 est analysée dans différents environnements. D'abord, une étude de la structure de ces deux signaux est présentée pour déterminer le C/N0 du signal utile reçu dans un canal AWGN. Puis, la performance de démodulation de ces signaux est analysée grâce à des simulations dans différents environnements, avec un récepteur se déplaçant à différentes vitesses et avec différentes techniques d'estimation de la phase porteuse du signal. / The demodulation performance achieved by any of the existing GPS signals, L1 C/A, L2C or L5, is satisfactory in open environments where the available C/N0 is quite high. However, in indoor/urban environments, the C/N0 level of the received signal is often very low and suffers fast variations which can further affect the GNSS messages demodulation. Therefore, since the mass-market applications being designed nowadays are aimed at these environments, it is necessary to study and to search alternative demodulation/decoding methods which improve the GNSS messages demodulation performance in these environments. Moreover, new GNSS signals recently developed, such as GPS L1C and GALILEO E1, must also be considered. These signals aim at providing satellite navigation positioning service in any kind of environment, giving special attention to indoor and urban environments. Therefore, the demodulation performances of the new GNSS signals as they are defined in the current public documents is also analysed. Moreover, new GALILEO E1 message structures are proposed and analysed in order to optimize the demodulation performance as well as the quantity of broadcasted information. Therefore, the main goal of this dissertation is to analyse and to improve the demodulation performance of the current open GNSS signals, specifically in indoor and urban environments, and to propose new navigation message structures for GALILEO E1. A detailed structure of this dissertation sections is given next. First, the subject of this thesis is introduced, original contributions are highlighted, and the outline of the report is presented. Second, this dissertation begins by a description of the current structure of the different analysed GNSS signals, paying special attention to the navigation message structure, implemented channel code and their decoding techniques. In the third section, two types of transmission channel models are presented for two different types of environments. On one hand, an AWGN channel is used to model the signal transmission in an open environments. On the other hand, the choice of a specific mobile channel, the Perez-Fontan channel model, is chosen to model the signal transmission in an urban environment. In the fourth section, a tentative to make a binary prediction of the broadcasted satellite ephemeris of the GPS L1 C/A navigation message is presented. The prediction is attempted using the GPS L1 C/A almanacs data, a long term orbital prediction program provided by TAS-F, and some signal processing methods: spectral estimation, the PRONY method, and a neural network. In the fifth section, improvements to the GPS L2C and GPS L5 navigation message demodulation performance are brought by using their channel codes in a non-traditional way. Two methods are inspected. The first method consists in sharing information between the message inner and outer channel codes in order to correct more received words. The second method consists in using the ephemeris data probabilities in order to improve the traditional Viterbi decoding. In the sixth section, the GPS L1C and GALILEO E1 Open Service demodulation performance is analysed in different environments. First, a brief study of the structure of both signals to determine the received C/N0 in an AWGN channel is presented. Second, their demodulation performance is analysed through simulations in different environments, with different receiver speeds and signal carrier phase estimation techniques.

Les bandes de fréquences utilisées conventionnellement pour les systèmes fixes de télécommunication par satellites (bandes C et Ku i.e. 4-15 GHz) sont congestionnées. Néanmoins, le marché des télécommunications civil et de défense accuse une demande de plus en plus importante en services multimédia haut-débit. Par conséquent, l'augmentation de la fréquence porteuse vers les bandes Ka et Q/V (20-40/50 GHz)est activement étudiée. Pour des fréquences supérieures à 5 GHz, la propagation des signaux radioélectriques souffre de l'atténuation troposphérique. Parmi les différents contributeurs à l'affaiblissement troposphérique total(atténuation, scintillation, dépolarisation, température de bruit du ciel), les précipitations jouent un rôle prépondérant. Pour compenser la détérioration des conditions de propagation, des techniques de compensation des affaiblissements (FMT: Fade Mitigation Technique) permettant d'adapter en temps réel les caractéristiques du système en fonction de l'état du canal de propagation doivent être employées. Une alternative à l'utilisation de séries temporelles expérimentales peu nombreuses est la génération de séries temporelles synthétiques d'atténuation due à la pluie et d'atténuation totale représentatives d'une liaison donnée.Le manuscrit est organisé autour de cinq articles. La première contribution est dédiée à la modélisation temporelle de l'affaiblissement troposphérique total. Le deuxième article porte sur des améliorations significatives du modèle de génération de séries temporelles d'atténuation due à la pluie recommandé par l'UITR.Les trois contributions suivantes constituent une analyse critique et une modélisation de la variabilité des statistiques du 1er ordre utilisées lors des tests des modèles de canal. La variance de l'estimateur statistique des distributions cumulatives complémentaires de l'atténuation due à la pluie et de l'intensité de précipitation est alors mise en évidence. Un modèle à application mondiale paramétré au moyen de données expérimentales est proposé. Celui-ci permet, d'une part, d'estimer les intervalles de confiance associés aux mesures de propagation et d'autre part, de quantifier le risque en termes de disponibilité annuelle associée à la prédiction d'une marge de propagation donnée. Cette approche est étendue aux variabilités des statistiques jointes. Elle permet alors une évaluation statistique de l'impact des techniques de diversité de site sur les performances systèmes, tant à microéchelle(quelques kms) qu'à macro-échelle (quelques centaines de kms). / Nowadays, C and Ku bands used for fixed SATCOM systems are totally congested. However, the demand of the end users for high data rate multimedia services is increasing. Consequently, the use of higher frequency bands (Ka: 20 GHz and Q/V 40/50 GHz) is under investigation. For frequencies higher than 5 GHz, radiowave propagation is strongly affected by tropospheric attenuation. Among the different contributors, rain is the most significant. To compensate the deterioration of the propagation channel, Fade Mitigation Techniques (FMT) are used. The lack of experimental data needed to optimize the real-time control loops of FMT leads tothe use of rain attenuation and total attenuation time series synthesizers. The manuscript is a compilation of five articles. The first contribution is dedicated to the temporal modelling of total impairments. The second article aims at providing significant improvements on the rain attenuation time series synthesizer recommended by ITU-R. The last three contributions are a critical analysis and a modelling of the variability observed on the 1st order statistics used to validate propagation channel models. The variance of the statistical estimator of the complementary cumulative distribution functions of rainfall rate and rain attenuation is highlighted. A worldwide model parameterized in compliance with propagation measurements is proposed. It allows the confidence intervals to be estimated and the risk on a required availability associated with a given propagation margin prediction to be quantified. This approach is extended to the variability of joint statistics. It allows the impact of site diversity techniques on system performances at small scale (few kms) and large scale (few hundred of kms) to be evaluated.

Les nouveaux services de télécommunication accessibles en mobilité entraînent une demande croissante de débit et amènent aux limites de capacités des réseaux actuels. Pour répondre à cette demande, les opérateurs cellulaires déploient de nouvelles technologies et densifient leurs réseaux en ajoutant des petites cellules, où les stations de base sont plus proches des utilisateurs. Compte tenu de la visibilité directe et de la faible hauteur des antennes, le canal de propagation des petites cellules est différent de celui des macro-cellules et les modèles stochastiques de canal existants ne sont plus adaptés. C’est dans ce contexte que se situe cette thèse, qui explore les problématiques de dynamique dans le canal de propagation et dans l’utilisation des ressources radio. Nous proposons dans une première partie de caractériser les dynamiques dans le canal de propagation de petite cellule en milieu extérieur. Cette caractérisation se base sur des prédictions déterministes, où une partie de l’environnement est généré de manière aléatoire afin de procéder à des études statistiques. Pour cela, nous mettons en place une plateforme de simulation, capable de générer des objets statiques, de les déplacer et de les prendre en compte dans des outils de prédiction de propagation adaptés aux petites cellules. Une phase de mesures de l’impact du trafic de véhicules sur la puissance du signal permet de valider les outils de propagation développés dans la plateforme. L’objectif de la deuxième partie de la thèse est d’évaluer l’impact de ces nouvelles topologies sur les performances des réseaux hétérogènes. Nous présentons un modèle hybride de propagation qui prend en compte les variations de signal dues au trafic de véhicules en combinant les approches déterministes et statistiques, pour avoir les avantages de résultats précis et d’un temps de calcul rapide. Ce modèle hybride est utilisé par la suite dans un processus de simulation de réseau cellulaire 3G LTE au niveau système, où nous évaluons l’impact du trafic de véhicules sur le débit maximal, la consommation d’énergie et le respect de la qualité de service. / New services available with modern mobile telecommunication networks lead to a growing demand for better bit rates up to reach the capacity limits of current networks. To face this demand, cellular network operators deploy new technologies and densify their radio access by adding small cells, where the distance between the mobile users and the base stations is decreased. Given the Line of Sight conditions and the low height of base station antennas, the small-cell propagation channel is different from the classical macro-cellular channel and existing stochastic channel models are not suited anymore. In this context, this Ph.D. work proposes to explore challenges on the dynamics of the channel and of radio resource usage. In a first part, we propose to characterize the dynamics of the propagation channel in small-cell outdoor environments. This characterization is based on deterministic predictions, where part of the environment is randomly generated in order to proceed to statistical analysis. We describe a simulation framework able to generate static objects, to move them and to take them into account in propagation prediction tools targeted for small-cell environments. Measurements of the impact of vehicular traffic on received power enable the validation of propagation tools developed in the framework. In the second part of this work, we propose to evaluate the impact of those new topologies on the performance of heterogeneous networks. We present a hybrid propagation model taking into account signal variations due to vehicular traffic by combining deterministic and statistic approaches in order to benefit from both advantages: accurate results and quick simulations. This hybrid model is finally used in a cellular 3G LTE network simulation process where we evaluate the impact of vehicular traffic on maximal throughputs, energy consumption and quality of service.

Ce travail de thèse concerne la modélisation du canal de propagation dans les milieux industriels. Dans ce contexte, le canal de propagation a un comportement différent de celui classiquement rencontré en indoor. Cela est dû à l'aménagement des bâtiments qui sont plus grand et ouverts ainsi qu'à la présence de machines, d'objets mobiles et d'autres matériaux métalliques rencontrés dans ces environnements. Ainsi, les modèles de canaux indoor existants ne sont plus valides. L'utilisation de modèles déterministes comme alternative est possible mais limitée en raison du temps de calcul qui en découle.Pour répondre à cette problématique, nous proposons un modèle hybride de canal s'inspirant d'une méthode à tracer de rayons 3D et du modèle WINNER. L'originalité de ce modèle repose sur son caractère hybride consistant, en prétraitement, à partitionner l'environnement en zones de visibilité ou de non-visibilité «faible» et «forte» sur des critères déterministes liés à la propagation des ondes. Un modèle statistique, type WINNER, reprenant le concept de cluster est ensuite "joué" au sein de chacune des ces zones reproduisant ainsi fidèlement l'évolution des paramètres caractéristiques des clusters identifiés. Nous avons validé notre modèle en le comparant d'abord à un modèle déterministe et ensuite à la mesure. Sa robustesse ainsi que celle de WINNER sont testées en les simulant dans trois environnements différents et en les comparant au modèle déterministe à tracer de rayons. / This thesis focuses on the modeling of the propagation channel in industrial environments. In this context, the propagation channel has a different behavior than typically encountered in indoor. This is due to the construction of buildings that are larger and open and the presence of machines, moving objects and metal materials encountered in these environments. Thus, the existing indoor channel models are not valid. Using deterministic models as an alternative is possible, but limited by the computing time.To address this problem, we propose a hybrid channel model for communications in industrial environments inspired by a ray tracing method and Winner model. The originality of this model is its hybrid nature consisting, in preprocessing, in partitionning the environment in areas of visibility or non-visibility «weak» and «strong» based on deterministic criteria related to the wave propagation. A statistical model, as WINNER , using the concept of cluster is then played in each of these areas and faithfully reproducing the evolution of the characteristic parameters of the identified clusters. We have validated our model by comparing it firstly to a deterministic model and then to measurement. Its robustness as well that of WINNER are tested by simulating them in three different environments and by comparing them with the deterministic model.

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. <p><p>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. <p>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. <p><p>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. <p>- The model considers polarization on a per-cluster basis. This permits to have a more accurate description of the polar-angular spectrum. <p>- 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. <p>The model is specified in detail, and it is shown how the model can be generated. <p>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. <p><p>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. <p><p>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). <p><p>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. <p><p>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. <p>- Le modèle considère une polarisation par cluster. Ceci permet d'avoir une description plus exacte du spectre angulaire-polaire. <p>- 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. <p>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. <p><p>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. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les études présentées dans cette thèse font l’objet d’un travail innovant concernant la conception des antennes pour les réseaux de type BAN et la modélisation des canaux associés. L’ouvrage de thèse est réparti en quatre chapitres. Deux chapitres sont consacrés à la modélisation de la propagation le long du corps où l’on montre que les formulations analytiques d’ondes de surface et d’ondes rampantes sont applicables dans ce contexte. L’effet des tissus adipeux est également pris en compte par le biais d’un modèle à trois couches (peau, graisse et muscle) et renseigne sur la variabilité du bilan de liaison suivant les personnes. Ce type de modélisation est le premier à inclure les formes du corps, les caractéristiques électriques des tissus biologiques et les caractéristiques de rayonnement des antennes. Une méthode basée sur l’autocorrélation du canal est également présentée afin de connaître les temps de cohérences des évanouissements lents et rapides. Par la suite, il est montré comment les évanouissements lents sont extraits par le biais d’un filtrage FFT fonction du temps de cohérence associé. L’étude des canaux se termine sur une série de mesures en chambre anéchoïde qui a permis de vérifier la validité des modèles analytiques. Des mesures en milieu indoor ont abouti à la proposition de plusieurs modèles statistiques basés sur une loi de Nakagami-m fonction de la distance sur le corps. Deux autres chapitres sont consacrés à la conception d’antennes à proximité de tissus biologiques et devant être intégrées dans des biocapteurs ou des vêtements. Pour cela, nous nous sommes particulièrement intéressés aux structures en F-inversé comme les IFA imprimées et les PIFA. Nous avons également réalisé des monopôles courts ayant un comportement de type magnétique. Nous montrons par le biais de simulations et de mesures sur un fantôme que seules les antennes du type monopôle et PIFA permettent une bonne excitation des ondes de surface. On montre par la suite l’influence du facteur de qualité d’une antenne sur son rendement et l’on en conclue qu’une antenne doit présenter un facteur de qualité faible pour avoir un bon rendement. La désensibilisation d’une antenne face au corps est également présentée. L’emploi de feuilles de ferrites aide à concentrer le champ réactif et limite ainsi les inévitables désadaptations dues au corps. Le coefficient de qualité joue également un rôle important dans le comportement de l’antenne face aux variabilités des tissus biologiques. L’estimation du rendement est un autre point difficile à réaliser lorsque les antennes sont sur le corps. Malgré tout nous proposons une nouvelle méthode que nous vérifions par simulation. Finalement, une structure à diversité est également proposée. Cette dernière tient compte des connaissances acquises au long de ce travail de recherche. Une sélection des meilleurs types d’antennes du point de vu canal et rendement est réalisée. La structure choisie est composée d’une PIFA et d’un monopôle court découplés par le biais de fentes λ/4. Des mesures in situ en milieu indoor donnent un gain en diversité maximum de 8.1 dB pour un schéma de type sélection / BAN antennas conception and channel modelling