Ce mémoire porte sur la conception de l'interface numérique s'occupant, lors de la réception au sein d'un système de transmission de données, des problèmes d'accès au canal dans les protocoles large bande de type W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access / Multiplexage à large bande par code). Le cœur de la problématique se situe dans la partie numérique en bande de base, le récepteur RAKE. Ce récepteur est responsable de la démodulation du signal et de l'exploitation de la diversité du signal en identifiant et combinant les composantes de trajets multiples d'un même signal. En effet, cette dernière fonction est particulièrement importante d’une part de son rôle pour contrer les effets d'évanouissement causés par les trajets multiples, et d’autre part du rôle central du récepteur RAKE. La conception et l'implantation de celui-ci revêtent un caractère primordial. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle architecture pour le récepteur RAKE : CodeRAKE. Les caractéristiques architecturales principales recherchées sont une grande flexibilité et une extensibilité aisée, tout en préservant la fonctionnalité et un bon équilibre entre ressources utilisées (et donc surface consommée) et performances (vitesse de fonctionnement). Pour satisfaire les contraintes de flexibilité et d'extensibilité, l'architecture CodeRAKE est partitionnée (pour être modulaire) en fonction du nombre d'utilisateurs et du nombre de codes par utilisateur, sans perdre de vue les contraintes de limitions de ressources utilisées et de préservation des performances. La modularité élevée de CodeRAKE permet l'application aisée de techniques de parallélisation permettant d'augmenter facilement les performances pour satisfaire notamment les besoins du côté de la station de base. L'approche architecturale mise en œuvre est souple et peut être facilement adaptée à d'autres protocoles existants ou futurs. Elle répond ainsi au défi des années à venir, où les récepteurs devront être capables de supporter de multiples protocoles et interfaces d'accès, notamment sous le contrôle de couches logicielles / This thesis focuses on the design of the air interface of W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) systems, particularly on the aspects related to the channel access problems at the reception side. The main concern herein is the design of the baseband digital parts, that is, the RAKE receiver. This receiver is in charge of the signal demodulation and responsible for making profit of signal diversity. This late functionality is particularly important as it allows to counter signal fading by detecting and combining multipath components (leading to signal reinforcement) Given the central role of the RAKE receiver, its design and implementation are of paramount importance. In this thesis, we propose a new architecture for the RAKE receiver: CodeRAKE. The main architectural characteristics being aimed are high flexibility and scalability, yet preserving a good trade-off between resource use (and hence, area consumption) and performance (operation speed). In order to satisfy the flexibility and scalability constraints, the CodeRAKE architecture is modular and partitioned according to the number of users and the number of codes per user, with the resource limitation and performance preservation constraints in mind. The high levels of modularity of the CodeRAKE architecture allow an easy use of parallelisation techniques, which in turn allow an easy increase of performances, particularly at the base station side.The architectural approach proposed herein are versatile and can be easily adapted to other existing or future protocols. It responds to the challenge of the coming years, where the receiver will have to support multiple protocols and access interfaces, including control software layers

Ce travail s’intéresse aux transmissions ultralarge bande (ULB) dans les réseaux sans fils. La diversité spatiale est introduite par l’utilisation du système multiple-input multiple-output (MIMO) comme une technique efficace pour lutter contre l’évanouissement dû aux trajets multiples dans les communications sans fils. Mais, souvent l’intégration d’antennes multiples au niveau de l’émetteur ou du récepteur est coûteuse. Comme alternative, nous proposons d’utiliser la diversité coopérative qui garantit des gains de diversité spatiale en exploitant les techniques MIMO traditionnelles sans avoir besoin d’antennes multiples. L’objectif est d’introduire la diversité coopérative aux systèmes de transmission ULB. Nous considérons deux techniques d’accès multiple avec des schémas de modulation différents (time hopping pulse position modulation TH-PPM et direct sequence binary phase shift keying DSBPSK) avec le protocole de coopération decode-and-forward (DF). Nous utilisons le récepteur Rake afin d’exploiter la diversité de trajet multiple et analysons les statistiques de variable de décision à la sortie de ce récepteur. Nous présentons des résultats de simulation de la performance en termes de taux d’erreur binaire (TER) du système étudié sous différents canaux UWB compte tenu de la norme IEEE 802.15.4a. Ces résultats montrent que la coopération avec des relais améliore significativement les performances de transmission ULB, et que le gain de diversité augmente proportionnellement avec le nombre de relais. En présence d’IAM, la performance du système se dégrade de manière significative, mais l’avantage de la coopération est encore modérément efficace. La performance dans ce cas est limitée en termes de diversité achevée parce que le canal entre la source et le relais en présence d’IAM devient moins favorable. C’est pourquoi nous proposons d’utiliser la technique de sélection d’antenne au relais afin d’améliorer la fiabilité du canal source-relais. Cette solution permet d’améliorer la performance grâce au gain de la diversité d’antennes multiples disponibles au relais toute en n’utilisant qu’une seule chaîne radiofréquence (RF), qui conduit à une réduction des coûts et de la complexité. / This work focuses on the ultra wideband (UWB) transmission in wireless networks. Spatial diversity is introduced by the use of multiple-input multiple-output (MIMO) system as an effective technique to overcome multipath fading in wireless communications. But the integration of multiple antennas at the transmitter or receiver is often costly. As an alternative, we propose to use the cooperative diversity that provides spatial diversity gains by exploiting the traditional MIMO techniques without the need for multiple antennas. The objective is to introduce cooperative diversity to UWB transmission systems. We consider two multiple access techniques with different modulation schemes (time hopping pulse position modulation TH-PPM and direct sequence binary Phase Shift Keying DS-BPSK) with the cooperation protocol decode-and-forward (DF). We use the Rake receiver to exploit multipath diversity and analyze the decision variable statistics at the output of the receiver. We present simulation results of the BER performance of the proposed system under different UWB channel given the IEEE 802.15.4a standard. Our results show that the cooperation with the relay significantly improves the performance of UWB transmission, and that the diversity gain increases with the number of relays. In the presence of MAI, the overall system performance degrades significantly, but the benefit of cooperation is still moderately effective. The performance in this case is limited in terms of attainable diversity that the source-relay link becomes worse when MAI is present. That is why we propose to use antenna selection at the relay receiver in order to improve the reliability of the source-relay link. This solution is shown to improve the performance by exploiting the diversity of the available antennas at the relay, while using a single Radio Frequency (RF) chains. This leads to reduced cost and complexity.

L'UMTS est un nouveau standard de radiocommunications mobiles destiné à résoudre les problèmes des actuels réseaux de deuxième génération, proches localement de la saturation et limités dans leur offre de services multimédias par les faibles débits utiles supportés. L'UMTS représente une rupture technologique importante et nécessite un effort particulier pour la réa- lisation des équipements, car la complexité des traitements à effectuer a augmenté dans des proportions considérables. Les terminaux 3G, par exemple, devront embarquer une puissance de calcul supérieure de plus d'un ordre de grandeur à celle embarquée par leurs prédécesseurs. Après avoir introduit l'UMTS et une de ses interfaces radios, le Wideband CDMA, nous avons identifié l'estimation par le terminal du canal radiomobile par lequel a transité le signal émis par la station de base comme étant une des tâches susceptibles d'entraîner le plus grand nombre d'opérations à effectuer. Une solution originale à ce problème est proposée sous la forme d'un algorithme d'estimation itérative de canal à suppression de trajets. La complexité calculatoire de cet algorithme a l'inconvénient majeur de varier avec le carré du facteur de suréchantillonnage, ce qui empêche de travailler avec une valeur élevée de celui-ci, et par consé- quent ne permet pas d'obtenir une grande précision quant à l'estimation des instants d'arrivée des trajets. Ce problème est résolu en introduisant une version optimisée de cet algorithme, dont la complexité varie linéairement avec le facteur de suréchantillonnage. Conserver une com- plexité raisonnable tout en travaillant avec des facteurs de suréchantillonnage élevés devient réaliste, ce qui permet d'accéder à coût égal à une précision plus élevée qu'avec l'algorithme origininal. De plus, cette optimisation simplifie les opérations élémentaires effectuées par l'algo- rithme, ce qui a pour conséquence de rendre son implémentation sur une architecture hybride matérielle-logicielle plus efficace que son implémentation sur un seul processeur de signal. Une méthodologie de conception au niveau système est ensuite proposée pour réaliser cette architecture hybride dans un but de prototypage rapide. Cette méthodologie, bâtie autour du logiciel N2C, de la société CoWare, utilise un langage de haut niveau, surensemble du langage C auquel ont été rajoutées les constructions nécessaires pour décrire des architectures matérielles. L'algorithme est partitionné en une partie logicielle s'exécutant sur un cœur de DSP ST100 et un coprocesseur réalisé en logique câblée. De sévères incompatibilités logicielles ont empêché la réalisation de cette architecture hybride selon la méthodologie proposée, mais des résultats intéressants ont néanmoins été obtenus à partir d'une implémentation purement logicielle de l'algorithme proposé. L'architecture obtenue avec l'application des premières étapes de la méthodologie proposée à l'algorithme d'estimation de canal est décrite, ainsi que quelques suggestions faites à la société CoWare, Inc. pour l'amélioration de leur outil. Enfin, l'adéquation de la méthodologie proposée à un environnement de prototypage rapide est discutée et des pistes pour la réalisation d'un éventuel démonstrateur sont données.

Ce travail s'intéresse aux transmissions ultralarge bande (ULB) dans les réseaux sans fils. La diversité spatiale est introduite par l'utilisation du système multiple-input multiple-output (MIMO) comme une technique efficace pour lutter contre l'évanouissement dû aux trajets multiples dans les communications sans fils. Mais, souvent l'intégration d'antennes multiples au niveau de l'émetteur ou du récepteur est coûteuse. Comme alternative, nous proposons d'utiliser la diversité coopérative qui garantit des gains de diversité spatiale en exploitant les techniques MIMO traditionnelles sans avoir besoin d'antennes multiples. L'objectif est d'introduire la diversité coopérative aux systèmes de transmission ULB. Nous considérons deux techniques d'accès multiple avec des schémas de modulation différents (time hopping pulse position modulation TH-PPM et direct sequence binary phase shift keying DSBPSK) avec le protocole de coopération decode-and-forward (DF). Nous utilisons le récepteur Rake afin d'exploiter la diversité de trajet multiple et analysons les statistiques de variable de décision à la sortie de ce récepteur. Nous présentons des résultats de simulation de la performance en termes de taux d'erreur binaire (TER) du système étudié sous différents canaux UWB compte tenu de la norme IEEE 802.15.4a. Ces résultats montrent que la coopération avec des relais améliore significativement les performances de transmission ULB, et que le gain de diversité augmente proportionnellement avec le nombre de relais. En présence d'IAM, la performance du système se dégrade de manière significative, mais l'avantage de la coopération est encore modérément efficace. La performance dans ce cas est limitée en termes de diversité achevée parce que le canal entre la source et le relais en présence d'IAM devient moins favorable. C'est pourquoi nous proposons d'utiliser la technique de sélection d'antenne au relais afin d'améliorer la fiabilité du canal source-relais. Cette solution permet d'améliorer la performance grâce au gain de la diversité d'antennes multiples disponibles au relais toute en n'utilisant qu'une seule chaîne radiofréquence (RF), qui conduit à une réduction des coûts et de la complexité.

La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB) est une technologie de communication relativement récente, qui apporte une solution intéressante au problème de l’encombrement du spectre RF, et qui répond aux exigences de haut débit et localisation précise d’un nombre croissant d’applications, telles que les communications indoor, les réseaux de capteurs personnels et corporels, l’IoT, etc. Ses caractéristiques uniques sont obtenues par la transmission d’impulsions de très courte durée (inférieure à 1 ns), occupant une largeur de bande allant jusqu’à 7,5 GHz, et ayant une densité spectrale de puissance extrêmement faible (inférieure à -43 dBm/MHz). Les meilleures performances d’un système IR-UWB sont obtenues avec des récepteurs cohérents de type Rake, au prix d’une complexité accrue, due notamment à l’étape d’estimation du canal UWB, caractérisé par de nombreux trajets multiples. Cette étape de traitement nécessite l’estimation d’un ensemble de composantes spectrales du signal reçu, sans pouvoir faire appel aux techniques d’échantillonnage usuelles, en raison d’une limite de Nyquist particulièrement élevée (plusieurs GHz).Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de nouvelles approches, à faible complexité, pour l’estimation du canal UWB, basées sur la représentation parcimonieuse du signal reçu, la théorie de l’acquisition compressée, et les méthodes de reconstruction des signaux à taux d’innovation fini. La réduction de complexité ainsi obtenue permet de diminuer de manière significative le coût d’implémentation du récepteur IR-UWB et sa consommation. D’abord, deux schémas d’échantillonnage compressé, monovoie (filtre SoS) et multivoie (MCMW) identifiés dans la littérature sont étendus au cas des signaux UWB ayant un spectre de type passe-bande, en tenant compte de leur implémentation réelle dans le circuit. Ces schémas permettent l’acquisition des coefficients spectraux du signal reçu et l’échantillonnage à des fréquences très réduites ne dépendant pas de la bande passante des signaux, mais seulement du nombre des trajets multiples du canal UWB. L’efficacité des approches proposées est démontrée au travers de deux applications : l’estimation du canal UWB pour un récepteur Rake cohérent à faible complexité, et la localisation précise en environnement intérieur dans un contexte d’aide à la dépendance.En outre, afin de réduire la complexité de l’approche multivoie en termes de nombre de voies nécessaires pour l’estimation du canal UWB, nous proposons une architecture à nombre de voies réduit, en augmentant le nombre d’impulsions pilotes émises.Cette même approche permet aussi la réduction de la fréquence d’échantillonnage associée au schéma MCMW. Un autre objectif important de la thèse est constitué par l’optimisation des performances des approches proposées. Ainsi, bien que l’acquisition des coefficients spectraux consécutifs permette une mise en oeuvre simple des schémas multivoie, nous montrons que les coefficients ainsi choisis, ne donnent pas les performances optimales des algorithmes de reconstruction. Ainsi, nous proposons une méthode basée sur la cohérence des matrices de mesure qui permet de trouver l’ensemble optimal des coefficients spectraux, ainsi qu’un ensemble sous-optimal contraint où les positions des coefficients spectraux sont structurées de façon à faciliter la conception du schéma MCMW. Enfin, les approches proposées dans le cadre de cette thèse sont validées expérimentalement à l’aide d’une plateforme expérimentale UWB du laboratoire Lab-STICC CNRS UMR 6285. / Ultra-wideband impulse radio (IR-UWB) is a relatively new communication technology that provides an interesting solution to the problem of RF spectrum scarcity and meets the high data rate and precise localization requirements of an increasing number of applications, such as indoor communications, personal and body sensor networks, IoT, etc. Its unique characteristics are obtained by transmitting pulses of very short duration (less than 1 ns), occupying a bandwidth up to 7.5 GHz, and having an extremely low power spectral density (less than -43 dBm / MHz). The best performances of an IR-UWB system are obtained with Rake coherent receivers, at the expense of increased complexity, mainly due to the estimation of UWB channel, which is characterized by a large number of multipath components. This processing step requires the estimation of a set of spectral components for the received signal, without being able to adopt usual sampling techniques, because of the extremely high Nyquist limit (several GHz).In this thesis, we propose new low-complexity approaches for the UWB channel estimation, relying on the sparse representation of the received signal, the compressed sampling theory, and the reconstruction of the signals with finite rate of innovation. The complexity reduction thus obtained makes it possible to significantly reduce the IR-UWB receiver cost and consumption. First, two existent compressed sampling schemes, single-channel (SoS) and multi-channel (MCMW), are extended to the case of UWB signals having a bandpass spectrum, by taking into account realistic implementation constraints. These schemes allow the acquisition of the spectral coefficients of the received signal at very low sampling frequencies, which are not related anymore to the signal bandwidth, but only to the number of UWB channel multipath components. The efficiency of the proposed approaches is demonstrated through two applications: UWB channel estimation for low complexity coherent Rake receivers, and precise indoor localization for personal assistance and home care.Furthermore, in order to reduce the complexity of the MCMW approach in terms of the number of channels required for UWB channel estimation, we propose a reduced number of channel architecture by increasing the number of transmitted pilot pulses. The same approach is proven to be also useful for reducing the sampling frequency associated to the MCMW scheme.Another important objective of this thesis is the performance optimization for the proposed approaches. Although the acquisition of consecutive spectral coefficients allows a simple implementation of the MCMW scheme, we demonstrate that it not results in the best performance of the reconstruction algorithms. We then propose to rely on the coherence of the measurement matrix to find the optimal set of spectral coefficients maximizing the signal reconstruction performance, as well as a constrained suboptimal set, where the positions of the spectral coefficients are structured so as to facilitate the design of the MCMW scheme. Finally, the approaches proposed in this thesis are experimentally validated using the UWB equipment of Lab-STICC CNRS UMR 6285.