Dans cette thèse, de nouvelles techniques d'égalisation et de précodage pour des systèmes multiporteuses ont été proposées et analysées. D'abord, la performance d'erreur des systèmes multiporteuses à base de bancs de filtres (FBMC) précodées a été analysée. Il a été découvert que cette performance est très sensible à l'égalisation complète des sous-canaux. Quand il y a de l'interference inter-symbole residuel qui vient de l'égalisation imparfaite du sous-canaux, il y a une perte de diversité; cette diversité peut être recuperée avec l'adoption d'un nombre de sous-canaux assez grand pour que chaque sous-canaux subisse de l'évanouissement plat ou avec l'utilisation d'un égaliseur de sous-canaux avec une longueur assez suffisante pour compenser cette réponse en fréquence. Après, une approximation pour la distribution du rapport signal/bruit-plus-interfèrence (SINR) des systèmes SC-FDE qui utilisent égalisation MMSE linéaire a été proposée. Cette approximation utilise la distribution lognormal avec la plus petit distance de Kullback-Leibler vers la vraie distribution, et il s'est révélé qu'elle est precise dans la performance d'erreur; elle sert aussi comme une abstraction de cette système. Avec cette abstraction, une méthode précise pour obtenir la performance d'erreur analytique codée de ces systèmes a été proposée. Finalement, des précodeurs Tomlinson-Harashima (THP) et égaliseurs (linéaires et à retour de décision) largement linéaires pour des systèmes SC-FDE ont été proposés. Ces précodeurs et égaliseurs ont une performance d'erreur mieux quand comparés avec ses versions strictement linéaires si des signaux de constellations impropres sont transmises. Aussi, la performance d'erreur quand des égaliseurs à retour de décision sont utilisés est moins sensible au longueur du filtre de retour. Quand des précodeurs largement linéaires sont utilisés, cette performance devient moins sensible à des erreurs d'estimation du canaux. / In this thesis, new precoding and equalization techniques for multicarrier systems were proposed and analyzed.First, the error performance of precoded filterbank multicarrier (FBMC) systems was analyzed. It was found out that this performance is highly sensitive to complete subchannel equalization. When there is residual intersymbol interference (ISI) stemming from imperfect subchannel equalization there is a loss of diversity; this loss can be prevented with the adoption of a number of subchannels large enough so that each subchannel suffers flat fading or with the utilization of a subchannel equalizer with sufficient length to compensate the subchannel frequency response.After that, an approximation for the signal to interference-plus-noise ratio (SINR) distribution of SC-FDE systems using linear MMSE equalization was proposed. This approximation uses the lognormal distribution with the smallest Kullback-Leibler distance to the true distribution, and was shown to be precise in the error performance sense; it serves as a system abstraction. With this abstraction, a precise method to obtain the analytical coded error performance of these systems was proposed.Finally, widely linear Tomlinson-Harashima precoders and equalizers (linear and decision-feedback) for SC-FDE systems were proposed. These precoders and equalizers have better error performance when compared to their strictly linear versions if signals coming from an improper constellation are transmitted. Their error performance when decision-feedback equalizers are used is less sensitive to the length of the feedback filter. When widely linear precoders are used, this error performance becomes less sensitive to channel estimation errors.

Avec l'augmentation du trafic de données, la multiplication des objets connectés et la diversification des types de communication, la cinquième génération de réseaux cellulaires (5G) doit relever un grand nombre de défis. Dans ce contexte, les systèmes« massive MIMO » présentent de nombreux avantages en utilisant un grand nombre d'antennes combiné à des techniques de traitement de signal adaptées. De plus, l'utilisation de la modulation FBMC/OQAM au lieu de la modulation OFDM pourrait améliorer la performance des systèmes dans ce11aines situations. En premier lieu, cette thèse se centre sur des scénarios véhiculaires. En par1iculier, les systèmes« massive MIMO » sont proposés dans le but de combattre les interférences dues à l'effet Doppler pour la voie montante. Nous montrons ainsi de manière analytique que l'augmentation du nombre d'antennes implique une réduction drastique de l'impact de l'effet Doppler. De plus, les performances des modulations OFDM et FBMC/OQAM sont comparées dans ce contexte pour des environnements« Non-Line-Of-Sight » (NLOS) et« Line-Of-Sight » (LOS). Le second scéna1io étudié dans cette thèse considère les communications dans des zones mal desservies. Dans ce contexte, les systèmes« massive MIMO » permettent de créer un lien sans-fil longue-po11ée de type« backhaul » entre deux stations de base. Ainsi, le coût de déploiement des réseaux r cellulaires est réduit. Dans cette thèse, un nouveau précodeur « massive MIMO » est proposé dans le but d'utiliser la même bande de fréquence pour le liens accès et« backhaul ». De plus, l'impact d'une désynchronisation entre les liens d'accès et le lien « backhaul » est étudié et l'utilisation de la modulation FBMC/OQAM pour le lien« backhaul » est examinée. / ESUME DE LA THESE EN ANGLAIS With the increase of the global data tmffic, the multiplication of co1mected devices and the diversification of the communication types, the fifth generation of cellular networks (5G) has to overcome a se1ies of challenges. In this context, massive MlMO systems hold a wide range of benefits by using a large number of antennas combined with appropriate signal processing techniques. Additionally, the use of the FBMC/OQAM modulation instead of the classical OFDM modulation may enhance the performance of the systems in cer1ain situations. Firstly, this thesis focuses on vehicular scenarios. In par1icular, massive MIMO systems are proposed to overcome the interference due to the Doppler effect for the uplink. We thus analytically highlight that increasing the number of receive antermas induces a drastic reduction of the impact of the Doppler effect. Moreover, the perfonnance of the OFDM and the FBMC/OQAM modulations are compared in this context for Non-Line-Of-Sight (NLOS) and Line-Of-Sight (LOS) environments. The second scenario investigated in this thesis considers communications in wide underse1ved areas. In this context, massive MIMO systems allow to create a long-range wireless back.haul link between two base stations. Thereby, the cost of deployment of the cellular networks is reduced. In this thesis r a new massive MLMO precoding technique is proposed in order to use the same fequency band for the backhaul link and the access links. Moreover, the impact of a desynchronization between the back haul link and the access links is studied and the use of the FBMC/OQAM modulation for the backhaul link is discussed.

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.

Le milieu sous-marin est doublement dispersif, en temps et en fréquence. L'utilisation récente de signaux de communication multi-porteuses offre une solution pour lutter contre la sélectivité fréquentielle. Mais ce type de signaux reste très sensible à la dispersivité fréquentielle. Cette thèse se concentre sur le problème de la dispersivité fréquentielle qu'est l'effet Doppler. Des méthodes d'estimation du paramètre Doppler sont développées pour des signaux multi-porteuses DMT. Est également abordé le problème de la compensation Doppler dans les cas mono et multitrajets. Une méthode générale et une méthode spéci que au signaux multiporteuses sont présentées et testées sur simulation. Cette thèse se distingue par son modèle du canal sous-marin qui considère un paramètre Doppler différent sur chaque trajet. Ceci résulte de la géométrie du problème et des vitesses émetteur/récepteur considérées. Nous présentons nalement des méthodes pour séparer les différents trajets arrivant sur une antenne a n de pouvoir considérer un paramètre Doppler unique sur chacun. / The underwater channel is doubly dispersive, in time and freqeuncy. In the last decade, multicarrier communication signal , like OFDM signal, has offer a solution in order to struggle aginst multipath propagation. Unfortunatly, these kinds of signal is strongly sensitive to Doppler effect. This thesis focus on frequential dispersivity involved by Doppler effect. Several Doppler estimation methods are developped for multicarrier signals. Doppler compensation for one path and multipath channel is also considered. For this problem, we developped general method but also speci c method for DMT signals. Each of them have been tested on simulations. This thesis uses an underwater channel model presenting different Doppler parameter for each path. This approach is a consequence of the problem geometry, considering emitter/receiver velocity. Finaly, using an antenna, we present several methods in order to separate efficiently each arriving path ; allowing us to consider each separated path with a single Doppler parameter to compensate.

Les modulations multiporteuses ont prouvé leur intérêt pour les transmissions à haut débit, avec fil (ADSL) ou sans fil (DAB, DVB-T, HIPERLAN,...). Les applications citées mettent toutes en oeuvre un cas particulier de modulation multiporteuse, l'OFDM avec un filtre de mise en forme rectangulaire. Le but de cette thèse est de déterminer de nouvelles formes de modulations multiporteuses plus générales et utilisant des filtres de mise en forme mieux adaptés à certains types de canaux de transmission. Les techniques BFDM/QAM suréchantillonnées et BFDM/OQAM qui utilisent des filtres de modulation (dits prototypes) orthogonaux ou non sont ainsi étudiées avec une approche à temps discret qui prend en compte leur réalisation matérielle. Cette étude se base d'une part sur l'analogie existant entre les systèmes de Weyl-Heisenberg et les modulations multiporteuses, et d'autre part sur l'analogie existant entre les bancs de filtres et les modulations multiporteuses. Une écriture à l'aide de familles de Weyl-Heisenberg et une réalisation sous la forme d'un transmultiplexeur sont fournies pour chacune de ces modulations. Dans chacun de ces deux cas, on établit des conditions de biorthogonalité (c'est-à-dire des conditions de démodulation parfaite sur canal parfait) équivalentes portant sur les composantes polyphases des filtres prototypes. On en déduit alors des relations de dualité entre les bancs de filtres MDFT et les modulations BFDM/OQAM. Ceci est aussi équivalent au fait que, pour un type particulier de système de Weyl-Heisenberg dans $\lZ$ considéré comme un espace de Hilbert sur $\R$, deux familles de Weyl-Heisenberg sont biorthogonales, si et seulement si elles constituent deux frames duales. Par ailleurs, l'étude des transmultiplexeurs associés aux modulations BFDM/QAM et BFDM/OQAM conduit à plusieurs schémas de réalisation équivalents mettant en oeuvre des algorithmes de FFT et IFFT et la dualité établie entre les modulations BFDM/OQAM et les bancs de filtres MDFT aboutit à un nouveau codeur en sous-bandes MDFT généralisé et à délai de reconstruction réduit. Deux critères d'optimisation des prototypes sont utilisés : la maximisation de la localisation temps-fréquence et la minimisation de l'énergie hors-bande. Des techniques d'optimisation permettant d'obtenir des filtres orthogonaux ou biorthogonaux quasi-optimaux vis-à-vis de l'un de ces deux critères sont décrites. Enfin, les intérêts respectifs des prototypes orthogonaux et biorthogonaux, optimisés vis-à-vis de l'un ou l'autre de ces critères sont illustrés par des simulations sur différents types de canaux de transmission.

L'objectif de cette étude est de répondre à la question de faisabilité de l'utilisation des ondelettes pour les modulations multiporteuses.<br />Par le biais du formalisme des ondelettes, il est possible de construire une base de fonctions orthogonales permettant de mettre au point un système de communication multiporteuses qui réduirai la sensibilité aux interférences introduites par le canal de propagation. Cette modulation multiporteuses est appelée DWMT (Discrete Wavelet MultiTone). Ses avantages et ses inconvénients sont développés en comparaison à la modulation multiporteuses mise en application actuellement : la modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).<br /><br /> La modulation DWMT est dans un premier temps évaluée dans un contexte de transmission en présence d'un brouilleur bande étroite. Cette modulation permet d'obtenir des formes d'ondes modulantes aux lobes secondaires très atténués et donc plus robustes à ce type d'interférences. Les résultats obtenus ont montré que la modulation DWMT est peu sensible aux interférences bande étroite. La transmission à travers un canal multi-trajets reste le scénario le plus important à traiter dans une étude d'un système de communication.<br /><br /> Dans ces conditions, c'est essentiellement l'utilisation d'un préfixe cyclique qui donne à la modulation OFDM des résultats intéressants en terme de taux d'erreur binaire. Lorsque le préfixe cyclique n'est pas une solution utilisée, la bonne localisation fréquentielle des formes d'ondes DWMT permet de réduire les interférences et les performances de la modulation DWMT sont légèrement supérieures à celles de la modulation OFDM.

La technologie OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) a été adoptée par les systèmes de télécommunications de 4ème génération (4G) comme technique de transmission et d'accès multiple pour ses performances supérieures en termes d'efficacité spectrale. Dans ce type de systèmes, l'adaptation dynamique du débit en fonction de la qualité du canal CQI (Channel Quality Indicator) constitue une problématique de recherche d'actualité qui attire l'attention de plusieurs acteurs académiques et industriels. Ce problème d'adaptation dynamique est encore plus complexe à gérer dans des environnements multi-utilisateurs hétérogènes et à ressources limitées tels que les systèmes OFDMA comme WiMAX Mobile et Long-term Evolution (LTE). Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème d'allocation de ressources de l'information de feedback relative au CQI dans le cadre de systèmes OFDMA multi-porteuses multi-utilisateurs. Dans le but de réduire la charge (overhead) du feedback, nous proposons une méthode de prédiction du CQI basée sur l'exploitation de la corrélation temporelle de ce dernier et d'une solution inter-couches. L'objectif est de trouver des schémas d'allocation de ressources adaptatifs respectant les contraintes de qualité de service (QoS) applicatives.Nous proposons en premier lieu un algorithme de réduction de feedback PBF (Prediction Based Feedack) qui permet à la station de base (BS) à prédire certaines occurrences du CQI en se basant sur l'algorithme des moindres carrés récursif RLS (Recursive least-square). Les résultats de simulation montrent que l'outil de prédiction du CQI réduit sensiblement l'overhead du feedback et améliore par conséquent le débit de la liaison montante. Nous proposons, par la suite, une version opportuniste de PBF pour atténuer les éventuels effets de sur et sous estimations liées à l'algorithme de prédiction. Dans ce mécanisme, nous exploitons les informations inter-couches pour améliorer les performances des mécanismes de feedbacks périodiques dont PBF fait partie. L'approche opportuniste améliore sensiblement les performances du système pour les cas de mobilité élevée comparés aux cas de faible mobilité.Dans un second temps, nous proposons une plateforme (FEREP : feedback resource allocation and prediction) basée sur une approche inter-couches. Implémentée au niveau de la station BS, FEREP intègre les fonctionnalités de prédiction, d'adaptation dynamique du CQI et d'ordonnancement des demandes de feedback. Elle comporte trois modules. Le module FWA (feedback window adaptation) gère dynamiquement la fenêtre de feedbacks de chaque station mobile (MS) en se basant sur les messages ARQ (Automatic Repeat Request) reçus qui reflètent l'état actuel des canaux respectifs. Le module PBFS (priority-based feedback scheduling) effectue ensuite l'ordonnancement des feedbacks en tenant compte de la taille de la fenêtre de feedback, du profil de l'utilisateur sous la contrainte de la limitation des ressources globales du systèmes réservées au feedback. Afin de choisir les paramètres de transmission MCS (modulation and coding schemes), le module PBF (prediction based feedback) est utilisé pour les utilisateurs dont le feedabck n'a pas pu être ordonnancé dans la trame courante. Les résultats de simulation ont montré un gain significatif des performances de FREREP en comparaison à un mécanisme de référence, en particulier, sous de fortes contraintes de limitation des ressources du feedback.Le protocole ARQ génère un accusé de réception uniquement si l'utilisateur est sélectionné par l'ordonnanceur pour envoyer des données sur la liaison descendante. Dans le cas où la fréquence d'ordonnancement des utilisateurs sur le lien descendant est réduite, les messages ARQ s'en trouvent également réduits, dégradant par conséquent les performances de la plateforme FEREP proposée ci-dessus. En effet, dans ce cas la signalisation ARQ devient insuffisante pour adapter efficacement la fenêtre de feedback de chaque utilisateur. Pour pallier à ce problème, nous proposons l'algorithme DCRA (dynamic CQI resource allocation) qui utilise deux modes d'estimation de la fenêtre de feedback. Le premier est un mode hors-ligne basé sur des études empiriques permettant d'estimer la fenêtre moyenne optimale de feedback en utilisant les profils applicatif et de mobilité de l'utilisateur. Notre analyse de performance par simulation montre que la fenêtre de feedback peut être estimée en fonction de la classe de service des utilisateurs et de leurs profils de mobilité pour un environnement cellulaire donné. Le second mode de fonctionnement de DCRA effectue une adaptation dynamique de la fenêtre en temps réel dans le cas où la signalisation ARQ est suffisante. Une étude comparative avec les mécanismes DFS (deterministic feedback scheduling) et OFS (opportunistic feedback scheduling), a montré que DCRA arrive à réaliser un meilleur gain en ressources montantes grâce à la réduction de l'overhead des feedbacks, sans pour autant trop dégrader le débit descendant des utilisateurs. Du point de vue des utilisateurs, DCRA améliore les contraintes de QoS tels que le taux de perte de paquets et réduit la consommation énergétique des terminaux grâce à la réduction de feedback.

L'OFDM pour ''Orthogonal Frequency Division Multiplexing'' est une technique de modulation multiporteuses sophistiquée qui a fait ses preuves dans le domaine de la communication sans fil permettant aux technologies actuelles d'atteindre un débit de transmission élevé. Elle est utilisée dans la plupart des standards de communication tels que le DAB, le DVB-T, les réseaux locaux sans fil (WLAN), le WIMAX. Elle est en phase de normalisation dans le LTE (''Long Term Evolution'') pour la future norme de réseau mobile de quatrième génération (4G). L'inconvénient majeur de la modulation OFDM est qu'elle engendre des signaux temporels à fortes variations d'amplitude caractérisée par un PAPR (''Peak-to-Average Power Ratio'') élevé. Cette caractéristique rend les signaux OFDM très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance. L'objectif de cette thèse a consisté à développer et analyser des techniques de réduction du PAPR de type ''ajout de signal'' à compatibilité descendante. Ces techniques ont été développées dans le souci de satisfaire les contraintes (consommation et intégration) d'un système embarqué. Dans cette thèse, nous avons d'abord étudié théoriquement les performances des techniques ''ajout de signal'' dites de ''distorsions, et nous avons ensuite développé deux nouvelles techniques ''ajout de signal'' à compatibilité descendante.

De nombreuses applications de communication numériques font face à des canaux de transmission sélectifs en temps et en fréquence que nous pouvons assimiler à des systèmes linéaires variants dans le temps. À travers ces travaux de thèse, nous montrons que les modulations multiporteuses suréchantillonnées constituent une technique de transmission adaptée à ce type d'environnement. Cependant, la complexité algorithmique des émetteurs-récepteurs présentent un frein majeur à leur adoption. Fort de ce constat, nous nous intéressons à la sous-famille des modulations multiporteuses suréchantillonnées à filtres courts (WCP-OFDM), dont la complexité algorithmique est comparable à celle de l'OFDM avec préfixe cyclique. Après avoir exprimé les conditions de reconstructions parfaites, nous développons des égaliseurs de faible complexité et étudions la problématique du rapport de puissance crête sur puissance moyenne du signal en sortie d'émetteur. Enfin, nous analysons les performances de ces modulations à travers plusieurs scénarios de propagation radiomobiles. Les résultats de simulation confirment l'intérêt du WCP-OFDM, associé à des filtres prototypes bien localisés en temps et en fréquence pour faire face aux canaux doublement sélectifs. / Many digital communication applications are facing time and frequency selective channels that can be modelled by linear time-variant systems. Through this thesis work, we show that oversampled multicarrier modulations provide a suitable transmission technique for such an environment. However, the complexity of the transmitter-receiver remains a major obstacle for their adoption. Based on this observation, we focus on the sub-family of oversampled multicarrier modulation with short filters (WCP-OFDM), whose complexity is similar to cylic prefix OFDM. After introducing the perfect reconstruction conditions, we develop low-complexity equalizers and we study the peak-to-average power ratio issue at the output of the transmitter. Finally, we evaluate the performances of these moduations over several mobile radio propagation scenarios. Simulation results confirm the benefits of WCP-OFDM, with time-frequency localized prototypes filters, over doubly selective channels.

Le milieu sous-marin est doublement dispersif, en temps et en fréquence. L'utilisation récente de signaux de communication multi-porteuses offre une solution pour lutter contre la sélectivité fréquentielle. Mais ce type de signaux reste très sensible à la dispersivité fréquentielle. Cette thèse se concentre sur le problème de la dispersivité fréquentielle qu'est l'effet Doppler. Des méthodes d'estimation du paramètre Doppler sont développées pour des signaux multi-porteuses DMT. Est également abordé le problème de la compensation Doppler dans les cas mono et multitrajets. Une méthode générale et une méthode spéci que au signaux multiporteuses sont présentées et testées sur simulation. Cette thèse se distingue par son modèle du canal sous-marin qui considère un paramètre Doppler différent sur chaque trajet. Ceci résulte de la géométrie du problème et des vitesses émetteur/récepteur considérées. Nous présentons nalement des méthodes pour séparer les différents trajets arrivant sur une antenne a n de pouvoir considérer un paramètre Doppler unique sur chacun.