Depuis quelques années, les techniques multi-antennes sont envisagées comme solution<br />potentielle pour augmenter le débit des futurs systèmes de communications sans fils. L'objectif<br />de cette thèse est d'étudier et d'améliorer les techniques d'émission et de réception de ces<br />systèmes MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans un contexte multi-porteuses.<br />En effet, l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), qui permet de transformer<br />un canal sélectif en fréquence en de multiples canaux non sélectifs, est particulièrement bien<br />adapté à la conception de récepteurs MIMO peu complexes.<br />D'autre part, deux techniques permettant d'améliorer l'exploitation de la diversité fréquentielle<br />et/ou temporelle sont associées à l'OFDM, à savoir le précodage linéaire (LP-OFDM) et<br />le CDMA dans un schéma de type MC-CDMA (Multicarrier-Code division Multiplex Access).<br />Nous avons associé le LP-OFDM et le MC-CDMA à deux techniques MIMO ne nécessitant<br />pas de connaissance du canal à l'émission, le codage espace-temps en blocs STBC (Space-Time<br />Block Coding) et le multiplexage spatial.<br />On montre que pour les deux systèmes MIMO MC-CDMA et MIMO LP-OFDM, les diversités<br />spatiales, temporelles et fréquentielles sont efficacement exploitées.<br />L'avantage de l'association avec les STBC orthogonaux est que des récepteurs particulièrement<br />simples peuvent être mis en oeuvre. En effet, pour un système STBC LP-OFDM, un<br />simple égaliseur linéaire MMSE fournit des performances proches de celles obtenues avec un<br />récepteur à maximum de vraisemblance permettant l'utilisation de grandes matrices de précodage.<br />En STBC MC-CDMA, des récepteurs mono-utilisateur conduisent, comme en SISO<br />MC-CDMA, au meilleur compromis performances/complexité.<br />Lorsque le LP-OFDM ou le MC-CDMA sont associés à du multiplexage spatial, le surplus<br />de complexité des récepteurs est inhérent à la gestion de l'interférence multi-antennes. Nous<br />avons démontré que la mise en oeuvre d'un simple récepteur de type MMSE nécessitant<br />l'inversion de la matrice de canal MIMO conduit à de très bonnes performances. Un processus<br />similaire peut également être appliqué pour des STBC non orthogonaux.<br />Associés à un système itératif lors de l'insertion d'un codage de canal à l'émission, tous<br />ces systèmes peuvent atteindre les performances de la borne du filtre adapté proche des performances<br />de la courbe gaussienne en utilisant de simples opérations.<br />Le gain en efficacité spectrale et en performances est à l'avantage des techniques à multiplexage<br />spatial car elles profitent de l'augmentation linéaire de la capacité avec le minimum<br />du nombre d'antennes d'émission et de réception. Le compromis débit/complexité indiquera<br />le choix du système MIMO à associer au LP-OFDM ou au MC-CDMA. Les performances sont<br />étudiées avec ou sans corrélation et sur des canaux théoriques et réalistes.

Ce rapport de thèse présente des nouvelles méthodes d'émission et de réception basées sur les transmissions ULB pour les canaux à antennes multiples. Pour les systèmes ULB il devient excessivement difficile de récupérer l'information de phase et les codes espace-temps existants ne peuvent pas être appliqués. Pour résoudre ce problème, nous proposons la construction de nouvelles familles de codes espace-temps pour les systèmes ULB impulsionnels. Dans un premier temps, les outils mathématiques basés sur les algèbres cycliques de division ont été adaptés pour la construction d'un schéma de codage totalement réel. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une autre famille de codes basée sur l'introduction du codage conjoint symbole-impulsion. Finalement, nous proposons des nouvelles constructions spécifiques aux modulations de positions ou aux modulations conjointes de position et d'amplitude. Ces constructions permettent d'obtenir une famille de code présentant les meilleures performances parmi tous les schémas de codage espace-temps ULB existant dans la littérature. Dans certains cas, cette famille de codes totalement réels satisfait toutes les contraintes de construction des codes parfaits. Enfin, nous nous sommes intéressés à des constructions de codes distribués pour les systèmes ULB coopératifs. Nous présentons des nouvelles techniques de coopération pour les stratégies type "amplify-and-forward" et "decode-and-forward". Nous présentons une analyse analytique, semi-analytique et numérique des solutions proposées sur des canaux ULB sélectifs en fréquence. Nous présentons aussi des schémas pratiques de transmission, réception et décodage des systèmes multi-antennes ULB.

La recherche dans le domaine des communications sur fibres optiques avance à un rythme rapide afin de satisfaire des demandes croissantes de communications à débits élevés. Les principaux moteurs de ces avancements sont la multitude de degrés de liberté offerts par la fibre permettant ainsi la transmission de plus de données: l'amplitude, la phase et l'état de polarisation du champ optique, ainsi que le temps et la longueur d'onde sont déjà utilisés dans les systèmes de transmission optique déployés. Pourtant, ces systèmes s'approchent de leur limite fondamentale de capacité et un degré supplémentaire: "la dimension spatiale" est étudié pour réaliser un saut qualitatif majeur en termes de capacité de transmission. Cependant, l'insertion de plusieurs flux de données dans le même canal de propagation induit également des pertes différentielles et de la diaphonie entre les flux, ce qui peut fortement réduire la qualité du système de transmission. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les systèmes de transmission optique de type MIMO basés sur un multiplexage en polarisation ou en modes de propagation. Dans les deux cas, nous évaluons la dégradation de la performance provoquée par une interférence inter-canaux non-unitaire et des disparités de gain entre les canaux engendrées par des imperfections dans les composants optiques utilisés (fibres, amplificateurs, multiplexeurs...), et proposons pour les combattre, de nouvelles techniques de codage pour les systèmes MIMO nommées "codes Spatio-Temporels" (ST), préalablement conçues pour les systèmes radios multi-antennaires. / Research in the field of optical fiber communications is advancing at a rapid pace in order to meet the growing needs for higher data rates. The main driving forces behind these advancements are the availability of multiple degrees of freedom in the optical fiber allowing for multiplexing more data: amplitude, phase and polarization state of the optical field, along with time and wavelength are already used in the deployed optical transmission systems. Yet, these systems are approaching their theoretical capacity limits and an extra dimension "space" is investigated to achieve the next capacity leap. However, packing several data channels in the same medium brings with it differential impairments and crosstalk that can seriously deteriorate the performance of the system. In this thesis, we focus on recent optical MIMO schemes based on polarization division multiplexing (PDM) and space division multiplexing (SDM). In both, we assess the performance penalties induced by non-unitary crosstalk and loss disparities among the channels arising from imperfections in the used optical components (fibers, amplifiers, multiplexers...), and suggest novel MIMO coding techniques known as Space-Time (ST) codes, initially designed for wireless multi-antenna channels, to mitigate them.

Les travaux présentés dans cette thèse proposent des solutions à forte efficacité spectrale pour les communications mobiles multi-antennes et multiporteuses, particulièrement optimisées pour la voie descendante des systèmes hertziens. Cette étude s'inscrit dans un contexte fortement concurrentiel pour l'accès de masse au haut-débit sans fil, et contribue à l'effort collectivement mené au sein des projets européens sur les systèmes dits de 4e génération (4G). La première partie du document cadre l'étude en identifiant les contraintes physiques, technologiques et financières, ainsi que les exigences des systèmes 4G en termes de services, débit et mobilité. En particulier, une complexité raisonnable au récepteur mobile est requise en voie descendante pour honorer coût et consommation. Dans un souci de réalisme, le canal de propagation radio-mobile large-bande MIMO est caractérisé. Les corrélations en temps/fréquence/espace induisent le dimensionnement du système de communication numérique proposé. La deuxième partie du document est consacrée à l'étude des systèmes multi-porteuses, multi-utilisateurs, et multi-antennes, afin d'unifier l'approche et d'explorer plusieurs axes en utilisant au mieux les propriétés du canal. Tout d'abord, le choix de l'accès large-bande multi-utilisateurs s'est porté sur la combinaison de l'OFDM et d'étalement en accès multiple CDMA, afin de discuter du compromis diversité/orthogonalité suivant les algorithmes de chip-mapping et de détection employés. Ensuite, pour exploiter les gains de réseau d'antennes, diversité et multiplexage offerts par le canal MIMO en fonction du contexte, un état de l'art des techniques multi-antennes est dressé. La classification proposée permet d'établir une stratégie tout en conservant une faible complexité de détection. Nous détaillons les systèmes les plus réalistes en contexte mobile et en voie descendante, n'ayant pas connaissance du canal en émission. La chaîne de communication MIMO-OFDM-CDMA complète est finalement présentée en insistant sur la flexibilité des algorithmes linéaires adoptés. La troisième partie du document s'attache à optimiser les combinaisons précédentes en contexte réaliste, et propose des techniques de codage et d'estimation temps/fréquence/espace innovantes. Tout d'abord, une approche pragmatique amène à considérer des solutions exploitant la diversité qui assurent robustesse, détection simple et compatibilité avec l'ensemble des terminaux. Nous privilégions un codage spatial de rendement unitaire, et proposons d'agir sur les trajets multiples grâce aux antennes supplémentaires. Des axes d'optimisation sont fournis au niveau codage, chip-mapping, détection et propagation de fiabilités. Comparé aux méthodes OSTBC ou CDD, des gains sont illustrés en performance, répartition de puissance, potentiel d'adaptabilité et de robustesse... Ensuite, en relâchant légèrement les contraintes de complexité et d'orthogonalité spatiale, nous proposons de nouvelles solutions en contexte plus favorable. Même avec une simple détection linéaire MMSE, ces techniques offrent un potentiel supérieur en haut-débit mobile dès que le nombre d'antennes augmente. Enfin, nous introduisons des méthodes d'estimation du canal MIMO adaptées aux systèmes précédents, utilisant des symboles pilotes répartis et éventuellement les données décodées de manière itérative afin de répondre à un ensemble de compromis sur des récepteurs variés. Les nombreux résultats obtenus démontrent la pertinence des solutions développées.