Automation of the forest industry has for over 30 years been an important subject of research, which could reduce the human workload and costs significantly. However, there are still many problems to be solved, such as enabling the communication between the heavy machinery in a forest and a remote base. High speed and reliable communication is the key to automated operations and remote control of machinery. This thesis investigates the feasibility and performance of IEEE 802.11n/ac WiFi hardware to provide high-bandwidth connection in a forest. In this project, the propagation of WiFi signals in the2.4 GHz and 5 GHz bands in a typical Nordic forest environment has been simulated using specialized radio propagation software employing ray-tracing and different diffraction models to evaluate the path loss and signal strength. The simulations show that the idea is feasible if high-gain directional antennas are employed, as connections of sufficiently high speed (400+ Mbps for the 5 GHz band) can potentially be established for typical working distances,i.e. 300m. We then designed a directional antenna system and evaluated it in a real Nordic forest environment. We found that by manually aligning the antennas in a forest, reliable connections could be achieved up to 50 m without line-of-sight, however higher distances result in significantly lower speeds (13.3 Mbps at 80 m and 1.21 Mbps at 100 m) due to antenna misalignment. It is however possible to construct a more accurate, automated alignment system, which could replicate the simulation results and fully solve the problem of communication. / Automatiseringen av skogsindustrin har i över 30 år varit ett viktigt forskningsämne, med potential att kraftigt minska människans arbetsbelastning samt kostnader. Det finns dock fortfarande flera problem som behöver lösas inom ämnet, såsom kommunikationen mellan en tung skogsmaskin och en basstation. En stabil höghastighetsuppkoppling är nyckeln till automatiserad drift och fjärrstyrning av maskiner. Det här projektet undersöker möjligheterna och prestandan när IEEE 802.11n/ac WiFi-hårdvara används till att skapa ett högbandbreddsuppkoppling in en skog. Projektet examinerar hur WiFi-signaler i 2.4 GHzsamt 5 GHz-banden sprids i en typisk nordisk skog. Detta görs med hjälp av simulationer utförda i specialiserad radiovågsspridnings mjukvara som använder sig av ray-tracing och olika spridningsmodeller till analyser av signalförluster och uppkopplingens stabilitet. Simulationerna visar att lösningen kan realiseras om riktade antenner med hög förstärkning används då kan uppkopplingar med tillräckligt hög hastighet (400+ Mbps för 5 GHz-bandet) potentiellt erhållas för typiska arbetsavstånd 300 m. Därefter byggdes det ett antennsystem som examinerades i en verklig nordisk skogsmiljö. Då antennerna riktades manuellt, kunde systemet erhålla stabil och snabb uppkoppling på avstånd av upp till 50m i skogsmiljö utan sikte mellan basstation och mottagare. Vid längre avstånd blev dock hastigheterna lägre (13.3 Mbps vid 80 m och 1.21 Mbps vid 100 m) på grund av antennernas felorientering gentemot varandra. Det är dock potentiellt möjligt att kostruera ett mer exakt, automatiserad system som kan återskapa simulationsresultaten och fullständigt lösa kommunikationsproblemet.

La pénurie d'énergie et le manque d'infrastructures dans les régions rurales représentent une barrière pour le déploiement et l'extension des réseaux cellulaires. Les approches et techniques pour relier les stations de base (BSs) entre elles à faible coût et d'une manière fiable et efficace énergiquement sont l'une des priorités des opérateurs. Ces réseaux peu denses actuellement, peuvent évoluer rapidement et affronter une croissance exponentielle due principalement à l'utilisation des téléphones mobiles, tablettes et applications gourmandes en bande passante. La densification des réseaux est l'une des solutions efficaces pour répondre à ce besoin en débit élevé. Certes, l'introduction de petites BSs apporte de nombreux avantages tels que l'amélioration du débit et de la qualité du signal, mais entraîne des contraintes opérationnelles telles que le choix de l'emplacement des noeuds dans ces réseaux de plus en plus denses ainsi que leur alimentation. Les problèmes où la contrainte spatiale est prépondérante sont bien appropriés à la modélisation par la géométrie stochastique qui permet une modélisation réaliste de distribution des BSs. Ainsi, l'enjeu est de trouver de nouvelles approches de gestions d'interférence et de réductions de consommation énergétique dans les réseaux sans fil. Le premier axe de cette thèse s'intéresse aux méthodes de gestion d'interférence dans les réseaux cellulaires se basant sur la coordination entre les BSs, plus précisément, la technique Coordinated MultiPoint Joint Transmission (CoMP-JT). En CoMP-JT, les utilisateurs en bordure de cellules qui subissent un niveau très élevé d'interférences reçoivent plusieurs copies du signal utile de la part des BSs qui forment l'ensemble de coordination. Ainsi, nous utilisons le modèle r-l Square Point Process (PP) à fin de modéliser la distribution des BSs dans le plan. Le processus r-l Square PP est le plus adapté pour modéliser le déploiement réel des BSs d'un réseau sans fil, en assurant une distance minimale, (r - l), entre les points du processus. Nous discutons l'impact de la taille de l'ensemble de coordination sur les performances évaluées. Ce travail est étendu pour les réseaux denses WiFi IEEE 802.11, où les contraintes de portées de transmission et de détection de porteuse ont été prises en compte. Dans le deuxième axe du travail, nous nous intéressons à l'efficacité énergétique des réseaux mesh. Nous proposons l'utilisation des antennes directionnelles (DAs) pour réduire la consommation énergétique et améliorer le débit de ces réseaux mesh. Les DAs ont la capacité de focaliser la transmission dans la direction du récepteur, assurant une portée plus importante et moins d'énergie dissipée dans toutes les directions. Pour différentes topologies, nous dérivons le nombre de liens et montrons que ce nombre dépend du nombre de secteurs de l'antenne. Ainsi, en utilisant les simulations, nous montrons que le gain, en énergie et en débit, apporté par les DAs peut atteindre 70% dans certains cas. De plus, on propose un modèle d'optimisation conjointe d'énergie et du débit adapté aux réseaux WMNs équipés de DAs. La résolution numérique de ce modèle conforte les résultats de simulation obtenus dans la première partie de cette étude sur l'impact des DAs sur les performances du réseau en termes de débit et d'énergie consommée. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet collaboratif (FUI16 LCI4D), qui consiste à concevoir et à valider une architecture radio ouverte pour renforcer l'accès aux services broadband dans des lieux ne disposant que d'une couverture minimale assurée par un réseau macro-cellulaire traditionnel. / Today's networks continue to evolve and grow resulting more dense, complex and heterogeneous networks.This leads to new challenges such as finding new models to characterize the nodes distribution in the wireless network and approaches to mitigate interference. On the other hand, the energy consumption of WMNs is a challenging issue mainly in rural areas lacking of default electrical grids. Finding alternative technologies and approaches to reduce the consumed energy of these networks is a interesting task. This thesis focuses on proposing and evaluating interference management models for next generation wireless networks (5G and Very Dense High WLANs), and providing tools and technologies to reduce energy consumption of Wireless Mesh Networks (WMNs). Two different problems are thus studied; naturally the thesis is divided into two parts along the following chapters.The contribution of the first part of the thesis is threefold. Firstly, we develop our interference management coordination (CoMP-JT) model. The main idea of CoMP-JT is to turn signals generating harmful interference into useful signals. We develop a new model where BSs inside the coordinated set send a copy of data to border's users experiencing high interference. We consider the r-l Square point process to model the BSs distribution in the network. We derive network performance in terms of coverage probability and throughput. Additionally, we study the impact of the size of coordination set on the network performance. Secondly, we extend these results and provide a new model adopted for Dense Very high throughput WLANs. We take into consideration constraints of WLANs in our model such as carrier sensing range. Thirdly, we tackle resource allocation strategies to limit the interference in LTE networks. We study three cyclic allocation strategies: (i) the independent allocation, (ii) the static allocation and (iii) the load-dependent strategy. We derive tractable analytical expression of the first and second mean of interference. We validate the model using extensive simulations. Reducing the energy consumption and improving the energy efficiency of WMNs is our concern in the second part of the thesis. Indeed, we aim at studying the impact of directional antennas technology on the performance of WMNs, using both analysis and simulations. Fisrt, We derive the Number of Links (NLs) for the chain and grid topologies for different antennas beams. These results are based on the routing tables of nodes in the network. We consider different scenarios such as 1Source-NDestinations to model the downlink communications, NSources-1Destination to model the uplink communications and the 1Source-1Destination as a baseline scenario. Using ns-3 simulator, we simulate network performance in terms of Mean Loss Ratio, throughput, energy consumption and energy efficiency. Then, we study the impact of number of beams, network topology and size, the placement of the gateway on the network performance. Next, we go beyond simulations and propose an optimization framework minimizing the consumed energy while maximizing the network throughput for DAs WMNs. We consider a weighted objective function combining the energy consumption and the throughput. We use power control to adapt transmission power depending on the location of the next hop. This model is a first step to approve the obtained simulation results. We use ILOG Cplex solver to find the optimal solution. Results show that DAs improves the network throughput while reduce the energy consumption and that power control allows saving more energy. In this direction, the LCI4D Project aims at providing low cost infrastructure to connect isolated rural and sub-urban areas to the Internet. In order to reduce the installation and maintenance costs, LCI4D proposes the usage of self-configured Wireless Mesh Networks (WMNs) to connect multimode outdoor femtocells to the remote Marco cell (gateway).

Abstract The focus of this thesis is to study direction of arrival (DoA) estimation algorithms for reconfigurable leaky-wave antennas and advanced antenna arrays. Directional antennas can greatly improve the spectrum reuse, interference avoidance, and object and people localization. DoA estimation algorithms have also been shown to be useful for applications such as positioning for user tracking and location-based services in wireless local area networks (WLANs). The main goal is to develop novel DoA estimation algorithms for both advanced antenna arrays and composite right/left-handed (CRLH) leaky-wave antennas (LWAs). The thesis introduces novel modifications to existing DoA estimation algorithms and shows how these can be modified for real-time DoA estimation using both antenna types. Three modified DoA estimation algorithms for CRLH-LWAs are presented: 1) modified multiple signal classification (MUSIC), 2) power pattern cross-correlation (PPCC), and 3) adjacent power pattern ratio (APPR). Additionally, the APPR algorithm is also applied to advanced antenna arrays. The thesis also presents improvements to the modified MUSIC and APPR algorithms. The complexity of the algorithms is reduced by selecting a smaller number of received signals from different directions. The results show that the selection of the radiation patterns is very important and that the proposed algorithms can successfully estimate the DoA, even in a real-world environment. Based on the results, this thesis provides a good starting point for future research of DoA estimation algorithms to enhance the performance of future-generation wireless networks and the accuracy of localization. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tutkitaan suunnanestimointialgoritmeja uudelleen konfiguroituville vuotoaaltoantenneille (LWA, leaky wave antenna) ja kehittyneille antenniryhmille. Suuntaavilla antenneilla voidaan parantaa huomattavasti spektrin uudelleen käyttöä ja esineiden ja ihmisten sijaintipaikannusta sekä pienentää häiriöitä. Suunnanestimointialgoritmit ovat myös osoittautuneet hyödylliseksi esimerkiksi seuranta- ja sijaintipaikannuspalvelusovelluksille langattomissa lähiverkoissa. Työn päätavoite on kehittää uusia suunnanestimointialgoritmeja sekä kehittyneille antenniryhmille että vuotoaaltoantenneille (composite right/left-handed (CRLH) LWA). Työssä osoitetaan, miten olemassa olevia suunnanestimointialgoritmeja voidaan muokata uudella tavalla, jotta ne soveltuisivat molemmille antennityypeille reaaliaikaiseen suunnanestimointiin. Vuotoaaltoantennille on kehitetty kolme erilaista suunnanestimointialgoritmia: 1) muunneltu MUSIC- (multiple signal classification), 2) säteilykyvioiden tehojen ristikorrelaatio- (PPCC, power pattern cross correlation) ja 3) vierekkäisten säteilykuvioiden tehosuhdealgoritmi (APPR, adjacent power pattern ratio). APPR-algoritmia on myös käytetty kehittyneelle antenniryhmälle. Työssä esitetään myös parannuksia muunnelluille MUSIC- ja APPR-algoritmeille. Algoritmien kompleksisuutta voidaan pienentää valitsemalla vähemmän vastaanotettuja signaaleja. Tulokset osoittavat, että signaalien valinta on hyvin tärkeää ja ehdotetut algoritmit estimoivat onnistuneesti saapuvan signaalin suunnan todellisessa mittausympäristössä. Yhteenvetona voidaan sanoa, että tämä väitöstyö on hyvä lähtökohta suunnanestimointialgoritmitutkimukselle, jonka tavoitteena on parantaa tulevien sukupolvien langattomien verkkojen suorituskykyä ja paikannuksen tarkkuutta.