La radio à 60 GHz émerge comme l'un des candidats les plus prometteurs pour la transmission de données à haut débit (10 Gb/s) sur des courtes distances (1 à 10m). La radio 60 GHz à l’état de l’art utilise des émetteurs-récepteurs exclusivement analogiques. Les technologies CMOS sub-microniques profondes ont permis le développement de circuits de bande de base numériques pour les communications sans fil à plus basse fréquence. Dans ce travail une architecture d’émetteur numérique destinée aux communications à 60GHz a été étudiée. Elle est basée sur un interpolateur numérique et un DRFC (convertisseur direct numérique-RF), structure qui associe un DAC et un mélangeur pour réaliser une conversion directe du flux de données numériques à la fréquence RF. Le standard IEEE 802.15.3c pour communications sans fil à 60 GHz a été pris comme référence pour étudier l'émetteur proposé. Le flux de données numérique à la sortie en bande de base (échantillonnés à 2,5 Géch / s) doit être sur-échantillonné, et les répliques du signal aux multiples de la fréquence d'échantillonnage initiaux doivent être filtrés. Ces images sont atténués avec un interpolateur filtre FIR fonctionnant à 10 Gech/s.Un prototype de l'interpolateur à10Gech/s a été implémenté dans une technologie CMOS 65nm pour prouver la faisabilité du concept. Le filtre utilise des coefficients « puissances de deux » et de la logique dynamique pour atteindre le taux d'échantillonnage requis. Le circuit prototype de ce transmetteur démontre la pleine fonctionnalité jusqu'à 9,6 GHz et consomme 408mA (571mW) avec une tension d'alimentation de 1.4V. La surface de silicium centrale est de 650 x 170 um2. / Recent deep sub-micron CMOS technologies have allowed the development of digital baseband circuits for wireless communications. 60 GHz radio has emerged as one of the most promising candidates for high-data-rate (10 Gb/sec), short-distance (1 to 10 m), wireless telecommunication systems. State-of-the-art 60 GHz radio use exclusively analog transceivers. Recent deep sub-micron CMOS technologies have allowed the development of highly digital transceivers for wireless communications in the lower GHz range. In this work, a digital transmitter architecture targeted at 60GHz c communications has been studied. It is based on the combination of an interpolator and a DRFC (digital-to-RF converter), structure which combines a DAC and mixer in order to realize a direct conversion of the digital data stream to the RF frequency. The 60 GHz wireless standard IEEE 802.15.3c has been taken as a reference to study the proposed transmitter. The digital data stream at the baseband output (sampled at 2.5 GS/s) needs to be oversampled and resulting replicas of the signal at multiples of the initial sampling frequency have to be filtered. Images at multiples of the initial sampling frequency are attenuated with an interpolator FIR filter working at 10 GS/s. A prototype of the 10GS/s interpolator has been implemented in a 65nm CMOS technology to prove the feasibility of the concept. The filter uses powers of two coefficients and dynamic logic to reach the required sampling rate. The fabricated prototype transmitter IC demonstrates full functionality up to a 9.6 GHz and consumes 408mA (571mW) with a 1.4V supply voltage. The core area is 650 x 170 um2.

L’utilisation d’une chambre réverbérante pour modéliser un canal de communication sans fil a récemment été proposée. La chambre réverbérante est une cavité métallique fermée dans laquelle se trouve une pale mécanique en mouvement permettant de modifier les conditions aux limites et d’ainsi obtenir en moyenne une répartition uniforme des champs. Cette cavité métallique fermée présente de nombreux avantages pour modéliser un canal de communication. Citons principalement le fait que l’environnement est reproductible grâce au mouvement de la pale. L’étude détaillée du canal de communication sans fil à l’intérieur de cet environnement est le sujet de cette thèse. Nous développons à la fois une approche théorique et expérimentale (dans 3 chambres réverbérantes différentes). En particulier, on caractérise ce canal dans les dimensions temporelles, fréquentielles et spatiales afin de dériver ensuite un modèle de canal. Nous nous intéressons en particulier aux systèmes sans fil multi-antennes car ceux-ci exploitent les trois dimensions (temps, fréquence, position). Ensuite, nous comparons l’environnement en chambre réverbérante au cas d’un environnement confiné, à savoir une voiture. Nous testons également une chaîne complète de transmission OFDM et SC-FDE sur base du modèle de canal en chambre développé dans cette thèse. Enfin, nous présentons un nouveau système de test composé de deux chambres réverbérantes couplées à l’aide d’un guide d’ondes dont les dimensions transverses peuvent être changées. Grâce à ce guide d’ondes, le degré de liberté du canal multi-antennes peut être contrôlé.

Pour répondre aux demandes de haut débit exigées par les communications mobiles de dernières générations, une solution consiste à augmenter le nombre d'antennes à l'émission et à la réception de la liaison sans fil. On parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). De même, pour réduire les évanouissements des signaux provoqués par l'environnement de propagation multi-trajets, la technique de diversité qui consiste à placer une antenne à l'émission et plusieurs antennes à la réception peut être utilisée. Cependant, l'intégration de plusieurs antennes sur le plan de masse d'un même téléphone portable est un challenge délicat. En effet, à cause du volume restreint de l'appareil, une forte isolation entre antennes doit être atteinte afin de maximiser le gain de diversité et/ou d'accroître la capacité de transmission du système global. Le travail de cette thèse a consisté à montrer qu'il était possible à l'aide d'un effet de neutralisation, d'intégrer deux résonateurs quart d'onde étroitement proches sur un PCB, tout en les maintenant fortement isolés du point de vue électromagnétique et présenter ainsi des efficacités totales très satisfaisantes. Ces résultats étaient cependant obtenus pour deux antennes PIFAs n'opérant pas dans la même bande de fréquence (DCS et UMTS). Ce travail a ensuite été étendu avec la mise en oeuvre de la technique de neutralisation pour des systèmes multi-antennes opérant dans la même bande de fréquence UMTS. Plusieurs structures sont réalisées. Leurs performances en diversité et en MIMO sont mesurées dans une chambre réverbérante à Göteborg et dans un environnement réel à Helsinki.

Les avancées technologiques poussent l'industrie des télécommunications à fournir la capacité et la qualité nécessaire pour satisfaire la demande croissante de services sans fil à haut débit. De plus, avec les progrès des technologies d'accès, le goulot d'étranglement des réseaux cellulaires se déplace progressivement de l'interface radio vers le backhaul -- la partie de l'infrastructure du réseau qui fournit l'interconnexion entre les réseaux d'accès et de coeur. Aussi, la possibilité de déployer rapidement des liens radio micro-ondes efficaces est essentielle pour apporter des solutions crédibles au problème de l'engorgement des réseaux backhaul. Toutefois, les solutions de backhaul disponibles avec cette technologie ont reçu peu d'attention de la communauté scientifique. Pourtant, la croissance des réseaux backhaul et l'augmentation de leur complexité posent de nombreux problèmes d'optimisation très intéressants. En effet, contrairement aux réseaux filaires, la capacité d'un lien radio micro-ondes est sujette à variation, soit due à des facteurs extérieurs (météo), soit par l'action de l'opérateur. Cette différence fondamentale soulève une variété de nouvelles questions qui doivent être abordées de façon appropriée. Il faut donc concevoir des méthodes adéquates pour l'optimisation des réseaux backhaul. Dans cette thèse, nous étudions les problèmes d'optimisation de réseaux liés à la conception et la configuration des liaisons terrestres sans fil à micro-ondes. Nous nous intéressons en particulier à la classe des problèmes de multiflot de coût minimum avec des fonctions de coût en escalier sur les liens du réseau. Ces problèmes sont parmi les problèmes d'optimisation combinatoire les plus importants et les plus difficiles dans l'optimisation des réseaux, et il n'est généralement possible de les résoudre que de façon approchée. Nous introduisons des modèles mathématiques pour certains de ces problèmes et présentons des approches de solution basées essentiellement sur la programmation entière mixte, la programmation sous contraintes probabilistes, des techniques de relaxation, des méthodes de coupe, ainsi que des méta-heuristiques hybrides. Ces travaux ont été effectués en collaboration avec la PME~3Roam, et partiellement dans le cadre du projet RAISOM (Réseaux de Collecte IP sans fil optimisés) entre le projet Mascotte et les PMEs 3Roam et Avisto. Cette thèse a été développée en co-tutelle entre l'Université de Nice-Sophia Antipolis et l'Université Federale du Ceará.

Cette thèse aborde plusieurs problèmes fondamentaux des systèmes de communications sans fil avec des antennes multiples, dites systèmes MIMO (multiple input, multiple output). Les contributions se situent aussi bien au niveau des algorithmes de réception qu’au niveau de la génération du signal à l’émission.La plus grande partie de la thèse est dédiée à l’étude des algorithmes de réception. Les points abordés comprennent la modélisation et l’estimation du canal, la détection robuste des symboles, et la suppression des interférences. Un nouveau modèle de canal est proposé dans le chapitre 3 en exploitant les corrélations dans les domaines temporel, fréquentiel et spatial, et en réduisant l’espace des paramètres aux termes dominants. Ce modèle est utilisé pour proposer ensuite un estimateur de canal à faible complexité et aussi un sélecteur de mots de code pour envoyer vers l’émetteur les informations sur l’état du canal. Dans le chapitre 4, la réception robuste est étudiée pour les systèmes MIMO-OFDM sans une connaissance parfaite du canal. Des récepteurs robustes sont proposés pour les cas avec ou sans connaissance statistique du canal. La conception de récepteurs pour les systèmes MIMO-OFDM en présence d’interférence est étudiée dans le chapitre 5 et des récepteurs robustes sont proposés prenant en compte séparément l’interférence causée par les ondes pilotes et celle causée par les symboles d’une part et l’asynchronisme entre le signal et l’interférence d’autre part.Dans la deuxième partie de la thèse (chapitre 6), nous abordons les modulations spatiales qui sont particulièrement adaptées aux systèmes MIMO dans lesquels le nombre de chaines d’émission est inférieur aux nombre d’antennes. Remarquant que l’efficacité spectrale de ces systèmes reste très faible par rapport à la technique de multiplexage spatiale, nous avons développé des modulations spatiales améliorées (ESM, pour Enhanced Spatial Modulation) qui augmentent substantiellement l’efficacité spectrale. Ces modulations sont basées sur l’introduction de modulations secondaires, obtenues par interpolation. La technique ESM gagne plusieurs décibels en rapport signal à bruit lorsque les constellations du signal sont choisies de façon à avoir la même efficacité spectrale que dans les modulations spatiales conventionnelles. / The aim of this thesis is to investigate multiple input multiple output (MIMO) techniques from the reception algorithms, i.e., channel estimation, symbol detection, and interference suppression, to the advanced spatial modulation (SM) transmission schemes, i.e., the signal constellation design for high performance and energy efficiency. In the reception algorithms, the proposed schemes are derived based on the detection theory, i.e., maximum likelihood (ML), linear minimum mean square error (MMSE), successive interference cancellation (SIC), combining with the statistical analysis, i.e., Bayesian linear regression and Bayesian model comparison, in order to deal with the channel uncertainty, i.e., fading, correlations, thermal noise, multiple interference, and the impact of estimation errors.In the transmission schemes, the signal constellations are targeted to find a good trade off between the average transmit energy and the minimum Euclidean distance in the signal space. The proposed schemes, denoted by enhanced SM (ESM), introduce novel modulation/antenna combinations and use them as the information bits for transmission. The number of those combinations is the double or the quadruple of the number of active antenna indices (or index combinations) in conventional SM systems, and this increases the number of bits transmitted per channel use by one or two.The results of simulations show that good system performance can be achieved with the advanced MIMO techniques. Several examples are presented in this thesis to provide insights for the MIMO system designs.

L'interférence est un facteur de limitation de performance individuelle et globale dans les réseaux de communication sans fil. Dans ce travail, deux techniques classiques de gestion de l'interférence sont étudiées : le contrôle de puissance d'émission et l'égalisation du canal. Trois approches sont considérées pour Le contrôle de puissance décentralisé et opportuniste. La première est basée sur la théorie des jeux non-coopératifs statiques et les théories de fonctions itératives, d'où résulte la proposition d'une classe d'algorithmes. Dans la deuxième approche, nous proposons quelques algorithmes dérivés de formulations et de solutions traditionnelles de la commande H2 et de la commande mixte H2/H-infini. Finalement, nous appliquons la théorie des jeux dynamiques sur le problème, ce qui produit deux nouveaux algorithmes de contrôle de puissance. La deuxième partie de la thèse, où le problème d'intérêt est l'égalisation du canal, est divisée en deux thèmes. Dans le premier, nous développons une analyse de "pire cas" pour le retard d'égalisation par des concepts de la théorie des jeux non-coopératifs. Dans le deuxième thème, nous présentons deux approches pour la conjugaison des caractéristiques désirables des égaliseurs H2 et H-infini : une combinaison convexe des deux filtres et un schéma d'adaptation du niveau de robustesse du filtre H-infini.

Les futurs réseaux sans fil devront être conçus pour répondre aux besoins hétérogènes de systèmes entièrement différents. De nouveaux services soumis à des contraintes variées coexisteront avec les utilisateurs actuels sur la même bande de fréquences. L'OFDM, la couche physique utilisée par les systèmes actuels, souffre d’un mauvais confinement spectral et ne permet pas cette coexistence. De nombreuses nouvelles formes d'onde avec une localisation spectrale améliorée ont donc été proposées. Nous étudions la coexistence de nouveaux systèmes basés sur ces formes d'onde avec des utilisateurs OFDM préexistant. Nous fournissons la première analyse théorique et expérimentale de l'interférence inter-système qui se produit dans ces scenarios. Nous appliquons ensuite cette analyse pour évaluer les performances de différentes formes d'ondes avancées et nous étudions finalement les performances d'un réseau où des utilisateurs cellulaires OFDM coexistent avec des paires D2D utilisant l'une des formes d'ondes améliorées étudiées. / Future wireless networks are envisioned to accommodate the heterogeneous needs of entirely different systems. New services obeying various constraints will coexist with legacy cellular users in the same frequency band. This coexistence is hardly achievable with OFDM, the physical layer used by current systems, because of its poor spectral containment. Thus, a myriad of multi-carrier waveforms with enhanced spectral localization have been proposed for future wireless devices. In this thesis, we investigate the coexistence of new systems based on these waveforms with legacy OFDM users. We provide the first theoretical and experimental analysis of the inter-system interference that arises in those scenarii. Then, we apply this analysis to evaluate the merits of different enhanced waveforms and we finally investigate the performance achievable by a network composed of legacy OFDM cellular users and D2D pairs using one of the studied enhanced waveforms.

La demande courante de connectivité instantanée impose un cahier des charges très strict sur la fabrication des circuits Radio-Fréquences (RF). Les circuits doivent donc être transférées vers les technologies les plus avancées, initialement introduites pour augmenter les performances des circuits purement numériques. De plus, les circuits RF sont soumis à de plus en plus de variations et cette sensibilité s’accroît avec l’avancées des technologies. Ces variations sont par exemple les variations du procédé de fabrication, la température, l’environnement, le vieillissement… Par conséquent, la méthode classique de conception de circuits “pire-cas” conduit à une utilisation non-optimale du circuit dans la vaste majorité des conditions, en termes de performances et/ou de consommation. Ces variations doivent donc être compensées, en utilisant des techniques d’adaptation.De manière plus importante encore, le procédé de fabrication des circuits introduit de plus en plus de variabilité dans les performances des circuits, ce qui a un impact important sur le rendement de fabrication des circuits. Pour cette raison, les circuits RF sont difficilement fabriqués dans les technologies CMOS les plus avancées comme les nœuds 32nm ou 22nm. Dans ce contexte, les performances des circuits RF doivent êtres calibrées après fabrication pour prendre en compte ces variations et retrouver un haut rendement de fabrication.Ce travail de these présente une méthode de calibration post-fabrication pour les circuits RF. Cette méthodologie est appliquée pendant le test de production en ajoutant un minimum de coût, ce qui est un point essentiel car le coût du test est aujourd’hui déjà comparable au coût de fabrication d’un circuit RF et ne peut être augmenté d’avantage. Par ailleurs, la puissance consommée est aussi prise en compte pour que l’impact de la calibration sur la consommation soit minimisé. La calibration est rendue possible en équipant le circuit avec des nœuds de réglages et des capteurs. L’identification de la valeur de réglage optimale du circuit est obtenue en un seul coup, en testant les performances RF une seule et unique fois. Cela est possible grâce à l’utilisation de capteurs de variations du procédé de fabrication qui sont invariants par rapport aux changements des nœuds de réglage. Un autre benefice de l’utilisation de ces capteurs de variation sont non-intrusifs et donc totalement transparents pour le circuit sous test. La technique de calibration a été démontrée sur un amplificateur de puissance RF utilisé comme cas d’étude. Une première preuve de concept est développée en utilisant des résultats de simulation.Un démonstrateur en silicium a ensuite été fabriqué en technologie 65nm pour entièrement démontrer le concept de calibration. L’ensemble des puces fabriquées a été extrait de trois types de wafer différents, avec des transistors aux performances lentes, typiques et rapides. Cette caractéristique est très importante car elle nous permet de considérer des cas de procédé de fabrication extrêmes qui sont les plus difficiles à calibrer. Dans notre cas, ces circuits représentent plus des deux tiers des puces à disposition et nous pouvons quand même prouver notre concept de calibration. Dans le détails, le rendement de fabrication passe de 21% avant calibration à plus de 93% après avoir appliqué notre méthodologie. Cela constitue une performance majeure de notre méthodologie car les circuits extrêmes sont très rares dans une fabrication industrielle. / The current demand on ubiquitous connectivity imposes stringent requirements on the fabrication of Radio-Frequency (RF) circuits. Designs are consequently transferred to the most advanced CMOS technologies that were initially introduced to improve digital performance. In addition, as technology scales down, RF circuits are more and more susceptible to a lot of variations during their lifetime, as manufacturing process variability, temperature, environmental conditions, aging… As a result, the usual worst-case circuit design is leading to sub-optimal conditions, in terms of power and/or performance most of the time for the circuit. In order to counteract these variations, increasing the performances and also reduce power consumption, adaptation strategies must be put in place.More importantly, the fabrication process introduces more and more performance variability, which can have a dramatic impact on the fabrication yield. That is why RF designs are not easily fabricated in the most advanced CMOS technologies, as 32nm or 22nm nodes for instance. In this context, the performances of RF circuits need to be calibrated after fabrication so as to take these variations into account and recover yield loss.This thesis work is presenting on a post-fabrication calibration technique for RF circuits. This technique is performed during production testing with minimum extra cost, which is critical since the cost of test can be comparable to the cost of fabrication concerning RF circuits and cannot be further raised. Calibration is enabled by equipping the circuit with tuning knobs and sensors. Optimal tuning knob identification is achieved in one-shot based on a single test step that involves measuring the sensor outputs once. For this purpose, we rely on variation-aware sensors which provide measurements that remain invariant under tuning knob changes. As an auxiliary benefit, the variation-aware sensors are non-intrusive and totally transparent to the circuit.Our proposed methodology has first been demonstrated with simulation data with an RF power amplifier as a case study. Afterwards, a silicon demonstrator has then been fabricated in a 65nm technology in order to fully demonstrate the methodology. The fabricated dataset of circuits is extracted from typical and corner wafers. This feature is very important since corner circuits are the worst design cases and therefore the most difficult to calibrate. In our case, corner circuits represent more than the two third of the overall dataset and the calibration can still be proven. In details, fabrication yield based on 3 sigma performance specifications is increased from 21% to 93%. This is a major performance of the technique, knowing that worst case circuits are very rare in industrial fabrication.

De nombreux travaux concernant les performances des réseaux radio ambiants reposent sur une modélisation assez simpliste de la couche physique, qu'il s'agisse de réseaux d'accès sans fil (RLAN), de réseaux ad hoc ou de réseaux de capteurs. Si une telle modélisation permet d'établir des bornes et des lois simples conduisant au développement d'approches analytiques, le passage direct à un environnement réel en montre les limites. Certains protocoles révèlent en effet des failles importantes et inattendues, alors que certains problèmes s'atténuent naturellement. <br />Le premier axe de notre travail est d'améliorer les outils de simulation et de modélisation de la couche physique afin de réduire l'écart entre ces modèles et l'environnement réel. <br />Le deuxième axe consiste à évaluer l'impact d'une telle modélisation sur les performances des réseaux. Pour cela, nous étudions deux problématiques. La première concerne la planification des réseaux sans fil et la deuxième concerne la connexité des réseaux de capteurs.

Les techniques MIMO (Multiple Input - Multiple Output) constituent des solutions prometteuses pour les futurs systèmes de communications sans fil à très haut débit. Ces techniques visent à exploiter la dimension spatiale offerte par le milieu de propagation par l'intermédiaire de plusieurs antennes en émission et en réception permettant ainsi d'augmenter substantiellement le débit numérique.Les performances des systèmes MIMO étant largement tributaire des propriétés du canal de propagation sans fil, il est d'autant plus important pour ces systèmes de s'intéresser à ces dernières.Ce document a pour double objectif d'approfondir la connaissance sur les aspects théoriques et physiques de la caractérisation et de la modélisation spatio-temporelles du canal de transmission MIMO, en considérant la dimension spatiale au même niveau que la dimension temporelle, ainsi que de proposer un simulateur du canal MIMO réaliste basé sur des résultats de mesures.