La théorie des matrices aléatoires présente un ensemble d'outils mathématiques efficaces pour l'étude de performances des systèmes de communications numériques. L'objectif de cette thèse est de développer des résultats analytique basés sur la théorie des matrices aléatoires pour étudier les fluctuations de quelques indices de performances pour les systèmes de communications sans fil. Nous étudions dans un premier temps, les fluctuations du rapport signal sur bruit (SINR), indice de performance mesuré à la sortie d'un récepteur linéaire de Wiener, récepteur minimisant l'erreur quadratique des symboles estimés (LMMSE) pour les transmissions par la technique CDMA. Basés sur la méthode REFORM, nous montrons le comportement gaussien asymptotique pour le SINR. L'étude du SINR permet la compréhension de comportements d'autres indices de performances comme l'erreur binaire et la probabilité de dépassement. Basés sur la nature gaussienne des entrées de la matrice canal, nous utilisons des outils mathématiques dédiés aux variables gaussiennes pour évaluer ces deux indices de performances. Des simulations montrent bien la pertinence de cette approche. Il est bien connu que l'information mutuelle entre le signal émis et le signal reçu augmente avec l'utilisation des techniques de transmission multi-antennes. Nous nous intéressons à l'étude des fluctuations de cette statistique pour un modèle séparable non centré, cas Rice. Nous développons des outils mathématiques basés sur la théorie des matrices aléatoires permettant de montrer la nature gaussienne des fluctuations de l'information mutuelle.

La technologie MIMO est une solution intéressante pour répondre à l'augmentation des débits liée au développement des services multimédia dans les systèmes de communications sans fil. Elle promet une augmentation linéaire des débits en fonction du nombre d'antennes à l'émission et à la réception en exploitant la diversité du réseau d'antennes et en tirant parti de la propagation multi-trajets. Cette technologie, déjà utilisée dans les réseaux WLAN, rencontre quelques problèmes en téléphonie<br />mobile. En effet, il n'est pas évident d'implanter plusieurs capteurs sur un terminal de taille compatible avec un téléphone mobile tout en conservant de bonnes performances. La proximité des éléments engendre des couplages provoquant des pertes de puissance émise et des déformations de diagramme.<br /><br />Cette thèse présente la conception d'une antenne à deux éléments rayonnants pour téléphone portable suivie d'une étude sur les performances des systèmes MIMO pour la téléphonie mobile dans des conditions réalistes. La conception d'un simulateur de capacité basé sur un modèle de propagation complet a permis de comparer les antennes et leurs caractéristiques en environnement cellulaire urbain dans la bande UMTS.

La réduction d'énergie apparaît comme un besoin crucial dans les télécommunications modernes, tant au niveau des terminaux que des réseaux. Dans les réseaux modernes, un terminal peut se connecter à Internet via d'autres terminaux ou infrastructures à proximité, appelés relais. Bien que les relais offrent une solution intéressante pour limiter la puissance de transmission des terminaux, il n'est pas simple de garantir une réduction de la consommation d'énergie globale. Il devient alors nécessaire de développer des outils pour évaluer et quantifier la consommation d'énergie. Un terminal moderne dispose de plusieurs interfaces de communications, ce qui lui permet d'utiliser plusieurs standards. Sachant qu'un standard dispose de différents modes de communications, un terminal est multi-mode lorsqu'il possède cette capacité à communiquer sur les différents standards et modes disponibles. Nous nous sommes alors intéressés à l'utilisation du multi-mode dans le cadre des relais. Nous nous positionnons dans un contexte de radio logicielle, où la couche physique d'un terminal est représentée par des blocs programmables, ce qui facilite l'implémentation du multi-mode. Afin d'estimer la consommation d'énergie d'une radio logicielle, nous avons calculé la complexité algorithmique pour les couches physiques du 802.11g (ou Wi-Fi), de l'UMTS et du 802.15.4 (ou Zigbee). Dans cette thèse, nous avons développé des outils nous permettant d'évaluer l'intérêt d'un relais multi-mode dans la réduction d'énergie. Nous avons proposé un modèle d'énergie réaliste pour le multi-mode, qui prend en compte la couche d'accès au medium des protocoles considérés. Dans un but de réalisme accru, nous avons implémenté le multi-mode au sein de WSNet, un simulateur réseau précis, grâce auquel nous avons déterminé les paramètres ayant un impact sur la consommation d'énergie. Puis, nous avons proposé et validé des stratégies permettant de minimiser l'influence de ces paramètres.

La théorie des matrices aléatoires présente un ensemble d'outils mathématiques efficaces pour l'étude de performances des systèmes de communications numériques. L'objectif de cette thèse est de développer des résultats analytiques basés sur la théorie des matrices aléatoires pour étudier les fluctuations de quelques indices de performances pour les systèmes de communications sans fil. Nous étudions dans un premier temps, les fluctuations de formes quadratiques aléatoires. Basés sur l'approche REFORM, nous montrons les fluctuations gaussiennes des formes quadratiques associées à des matrices aléatoires. De point de vue applicatif, le SINR (rapport signal sur bruit), indice de performance mesuré à la sortie d'un récepteur linéaire de Wiener, peut être modélisé sous forme de formes quadratiques aléatoires. Nous nous intéressons également à l'établissement d'un théorème central limit pour une fonctionnelle spectrale de matrices de Gram pour un modèle de matrices dont les entrées sont indépendantes non centrées et non identiquement distribuées. Sur le plan applicatif, cette fonctionnelle modélise la capacité d'un canal de transmission dans le cadre des systèmes de transmission multi-antennes.

Depuis quelques années, il y a une exigence accrue quant à la rapidité de transferts d'information, notamment, en raison de la généralisation des applications multimédia sur le système de communication sans fil. Pour y remédier, les chercheurs du laboratoire Bell en 1996 ont proposé une technique d'emploi simultané de réseaux d'antennes en émission et en réception (MIMO). Le canal MIMO est alors constitué par un ensemble de sous-canaux. Grâce à cette technique, le débit et la qualité de transmission peuvent être améliorés sans augmenter la puissance de transmission et la bande passante supplémentaires. Cependant, les gains obtenus par ce système peuvent se diminuer en raison de la corrélation entre les sous-canaux du canal MIMO, en particulier, si la séparation entre antennes est limitée et l'étalement angulaire est étroit. Donc, l'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est de proposer un système MIMO à diversité de polarisation qui permet de réduire la corrélation entre les sous-canaux et en même temps de miniaturiser la taille des réseaux d'antennes. <br /> Le travail présenté dans cette thèse est d'abord consacré à la caractérisation et à la modélisation du canal de transmission compte tenu des diverses composantes de polarisation des antennes à trois dimensions. Est traitée également l'étude comparative de la capacité de deux types de systèmes de communication multi-antennes. D'une part, il s'agit du système de communication multi-antennes à polarisation unique : dans ce système, sont exploités des antennes ayant les mêmes polarisations. D'autre part, sont examinés les systèmes à polarisation multiple, à savoir, les systèmes MIMO à double polarisation, à triple polarisation et à sextuple polarisation.

L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier l'association des techniques de transmission multi-antennes (MIMO) avec des schémas de réception itératifs dans un contexte de transmission sans fil haut débit.<br /><br />A largeur de bande et qualité de réception équivalentes, l'utilisation d'antennes multiples en communications numériques permet d'augmenter le débit utile de la transmission. Cependant sous l'hypothèse d'une non connaissance du canal à l'émission, les potentialités du canal MIMO ne sont généralement exploitées qu'au prix d'une réception très complexe, difficilement réalisable au sein d'un circuit intégré. <br /><br />Tout d'abord, afin de lutter contre la sélectivité fréquentielle et de simplifier le traitement en réception, nous choisissons d'associer la modulation multi-porteuses OFDM à des schémas de transmission MIMO. Par ailleurs, en étendant les résultats obtenus dans le domaine de la turbo-égalisation au contexte multi-antennes, nous étudions une technique de réception itérative adaptée au schéma de transmission MIMO-OFDM. L'utilisation de filtres linéaires optimisés au sens du critère Minimum Mean Square Error (MMSE) confère aux récepteurs une complexité raisonnable et conciliable avec les exigences d'implémentation.<br /><br />Les récepteurs proposés sont ensuite associés à des techniques complémentaires telles que le précodage linéaire ou le MC-CDMA. Il est démontré qu'en dimensionnant convenablement l'émission il est possible de tirer parti de toute la diversité du canal de propagation tout en exploitant de façon optimale sa capacité.<br /><br />Les performances de différents systèmes sont enfin évaluées sur différents canaux théoriques puis réalistes, en examinant notamment l'influence de la corrélation entre antennes et en intégrant la fonction d'estimation de canal. Dans ces différents contextes, la comparaison avec des systèmes conventionnels montre l'intérêt d'utiliser une réception itérative.

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 réduction d’énergie apparaît comme un besoin crucial dans les télécommunications modernes, tant au niveau des terminaux que des réseaux. Dans les réseaux modernes, un terminal peut se connecter à Internet via d’autres terminaux ou infrastructures à proximité, appelés relais. Bien que les relais offrent une solution intéressante pour limiter la puissance de transmission des terminaux, il n’est pas simple de garantir une réduction de la consommation d’énergie globale. Il devient alors nécessaire de développer des outils pour évaluer et quantifier la consommation d’énergie. Un terminal moderne dispose de plusieurs interfaces de communications, ce qui lui permet d’utiliser plusieurs standards. Sachant qu’un standard dispose de différents modes de communications, un terminal est multi-mode lorsqu’il possède cette capacité à communiquer sur les différents standards et modes disponibles. Nous nous sommes alors intéressés à l’utilisation du multi-mode dans le cadre des relais. Nous nous positionnons dans un contexte de radio logicielle, où la couche physique d’un terminal est représentée par des blocs programmables, ce qui facilite l’implémentation du multi-mode. Afin d’estimer la consommation d’énergie d’une radio logicielle, nous avons calculé la complexité algorithmique pour les couches physiques du 802.11g (ou Wi-Fi), de l’UMTS et du 802.15.4 (ou Zigbee). Dans cette thèse, nous avons développé des outils nous permettant d’évaluer l’intérêt d’un relais multi-mode dans la réduction d’énergie. Nous avons proposé un modèle d’énergie réaliste pour le multi-mode, qui prend en compte la couche d’accès au medium des protocoles considérés. Dans un but de réalisme accru, nous avons implémenté le multi-mode au sein de WSNet, un simulateur réseau précis, grâce auquel nous avons déterminé les paramètres ayant un impact sur la consommation d’énergie. Puis, nous avons proposé et validé des stratégies permettant de minimiser l’influence de ces paramètres. / Energy reduction appears as a crucial need in modern telecommunications, be it for the terminals or the network. In modern networks, a terminal can connect to the Internet through other terminals or infrastructures in their proximity, called relays. Even though these relays appear as an interesting solution by limiting the terminals transmission power output, the reduction of energy consumption is not a simple task to ensure. Hence, it becomes necessary to develop adapted tools in order to evaluate and quantify the energy consumption. A modern terminal features several communication interfaces, which allows it to use different standards. With each standard featuring different communication modes, a multi-mode terminal has the capacity to communicate on these different modes and standard available. Hence, we have been studying how this multi-mode property can lead to energy reduction in combination with relaying. Our study is realized in the context of software defined radio, in which the physical layer is represented by programmable software blocks. Thus, software defined radio allows an eased implementation of multi-mode. In order to estimate the energy consumption of a software defined radio, we have evaluated the algorithmic complexity for the physical layers of the following standards : 802.11g (or Wi-Fi), UMTS and 802.15.4 (or Zigbee). In this thesis, we have developed the tools to evaluate the energy consumption of a multimode relay. Firstly, we have proposed a realistic energy model for multi-mode, which takes into account the media access control layer of the protocols studied. In order to increase realism, we have implemented multi-mode in WSNet, a precise network simulator, which we have used to determine the parameters impacting the energy consumption. Then, we have proposed and validated different strategies allowing us to minimize the influence of these parameters.

De nos jours, la détection et la mesure de la distance avec les ondes électromagnétiques (Radar) sont utilisées dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique, l’automobile ou bien la médecine. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement au Radar dans le domaine du bien-être pour le grand public : capteur sans contact pour le suivi du sommeil, et lunettes ou canne pour malvoyants pour la détection des obstacles sur la route. Le problème posé dans cette thèse est d’ajouter les fonctionnalités nécessaires suivantes à la solution Radar existante afin de répondre à ces applications : la mesure du rythme respiratoire issu du déplacement de la cage thoracique et de l'abdomen de quelques millimètres pendant la respiration et la mesure de la direction d'arrivée de l'onde électromagnétique rétro-diffusée des obstacles devant le malvoyant. Le contexte technologique de départ est celui de la technologie ultra large bande qui offre une résolution de l’ordre du centimètre pour la mesure de distance à une portée de quelques mètres et la discrimination des signaux rétro-diffusés des multiples obstacles. Suivant les besoins, les travaux décrits ici se sont concentrés sur le canal de propagation en rétro-diffusion sur corps humain. Ils se sont aussi portés sur les techniques de traitement du signal pour pouvoir estimer le rythme respiratoire dans le signal rétro-diffusé du corps humain, et sur l'estimation de la direction d'arrivée de l'onde à un réseau d'antennes avec une résolution au degré près. Enfin, cette thèse aborde l’architecture du système, et notamment du récepteur associé au réseau d'antennes, afin de pouvoir réaliser la mesure angulaire sans augmenter la complexité, le coût et la consommation du récepteur. / Detection and ranging with electromagnetic waves (Radar) are used in a number of domains such as aeronautics, automobile or even medecin. In this thesis, we are interested particularly on Radar in the wellness domain for widely use: sleep pattern tracking sensors, smart glasses or white cane with obstacles detection for visually impaired people. The problem, which so far has not been discussed, is to add necessary functionalities as follow to the exciting solution to resolve theses applications: the thoracic and abdominal displacement tracking with a millimetric resolution; and the measurements of arrival direction of backscattered signals from obstacles in front of visually impaired individuals. The technological starting point is the one of Ultra Wideband (UWB) technology, which offers a resolution of approximate one centimeter in the distance measurement within the range of few meters and in the discrimination of backscattered signals from multiple obstacles. To meet these criterias, the research focuses on the backscattering propagation channel in particularly from the human body. It also analyses the techniques in signal processing, aiming to estimate the breathing rate in the backscattered signal of human body, and to estimate the arrival direction to an antenna array to nearly one degree. Finally, it investigates the systematic architecture, especially in the receiver associated with the antenna array, in order to withstand the angular measurement without notably increasing the receiver complexity and consumption.