Texte remanié de: Th.--Sci. écon.--Paris 1. / Bibliogr. 265-278.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2006. / Bibliogr. p. 166-172. Résumé.

Les systèmes de communication sans-fil de prochaine génération nécessitent de nouvelles techniques avancées afin de supporter un nombre continuellement grandissant d'usagers et de services consommant beaucoup de largeur de bande. Une de ces techniques est l'utilisation de réseaux d'antennes aux deux extrémités du lien sans-fil, c'est-à-dire un système MIMO (Multi-Input, Multi-Output). De tels systèmes augmentent le taux binaire sans consommer de largeur de bande additionnelle. Particulièrement, le codage spatio-temporel permet d'obtenir une grande partie de cette augmentation. Les systèmes MIMO et le codage spatio-temporel ont été souvent étudiés d'un point de vue théorique, mais moins souvent d'un point de vue pratique. Ce mémoire décrit donc dans un premier temps la structure matérielle d'un récepteur MIMO basé sur une architecture efficace de traitement multi-couches spatio-temporel utilisant un calcul de poids optimaux. Un calcul optimal des poids exige l'opération d'inversion de matrice. Ainsi, afin d'obtenir un système complet sur puce, le mémoire décrit dans un deuxième temps une architecture d'inversion itérative de matrice très bien adaptée à l'implantation sur puce.

Le multiplexage généralisé par répartition en fréquence (GFDM), une méthode de traitement par blocs de modulation multiporteuses non orthogonales, est une candidate prometteuse pour les technologies de forme d'onde pour les systèmes sans fil au-delà de la cinquième génération (5G). La capacité du GFDM à ajuster de manière flexible la taille du bloc et le type de filtres de mise en forme des impulsions en fait une méthode appropriée pour répondre à plusieurs exigences importantes, comme une faible latence, un faible rayonnement hors bande (OOB) et des débits de données élevés. En appliquant aux systèmes GFDM la technique des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la technique de MIMO massif ou des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC), il est possible d'améliorer leurs performances. Par conséquent, l'étude de ces systèmes combinés sont d'une grande importance théorique et pratique. Dans cette thèse, nous étudions les systèmes de communication sans fil basés sur le GFDM en considérant trois aspects. Tout d'abord, nous dérivons une borne d'union sur le taux d'erreur sur les bits (BER) pour les systèmes MIMO-GFDM, technique qui est basée sur des probabilités d'erreur par paires exactes (PEP). La PEP exacte est calculée en utilisant la fonction génératrice de moments(MGF) pour les détecteurs à maximum de vraisemblance (ML). La corrélation spatiale entre les antennes et les erreurs d'estimation de canal sont prises en compte dans l'environnement de canal étudié. Deuxièmement, les estimateurs et les précodeurs de canal de faible complexité basés sur une expansion polynomiale sont proposés pour les systèmes MIMO-GFDM massifs. Des pilotes sans interférence sont utilisés pour l'estimation du canal basée sur l'erreur quadratique moyenne minimale(MMSE) pour lutter contre l'influence de la non-orthogonalité entre les sous-porteuses dans le GFDM. La complexité de calcul cubique peut être réduite à une complexité d'ordre au carré en utilisant la technique d'expansion polynomiale pour approximer les inverses de matrices dans l'estimation MMSE conventionnelle et le précodage. De plus, nous calculons les limites de performance en termes d'erreur quadratique moyenne (MSE) pour les estimateurs proposés, ce qui peut être un outil utile pour prédire la performance des estimateurs dans la région de Eₛ/N₀ élevé. Une borne inférieure de Cramér-Rao(CRLB) est dérivée pour notre modèle de système et agit comme une référence pour les estimateurs. La complexité de calcul des estimateurs de canal proposés et des précodeurs et les impacts du degré du polynôme sont également étudiés. Enfin, nous analysons les performances de la probabilité d'erreur des systèmes GFDM combinés aux codes LDPC. Nous dérivons d'abord les expressions du ratio de vraisemblance logarithmique (LLR) initiale qui sont utilisées dans le décodeur de l'algorithme de somme de produits (SPA). Ensuite, basé sur le seuil de décodage, nous estimons le taux d'erreur de trame (FER) dans la région de bas E[indice b]/N₀ en utilisant le BER observé pour modéliser les variations du canal. De plus, une borne inférieure du FER du système est également proposée basée sur des ensembles absorbants. Cette borne inférieure peut agir comme une estimation du FER dans la région de E[indice b]/N₀ élevé si l'ensemble absorbant utilisé est dominant et que sa multiplicité est connue. La quantification a également un impact important sur les performances du FER et du BER. Des codes LDPC basés sur un tableau et construit aléatoirement sont utilisés pour supporter les analyses de performances. Pour ces trois aspects, des simulations et des calculs informatiques sont effectués pour obtenir des résultats numériques connexes, qui vérifient les méthodes proposées. / $8 372162\u $a Generalized frequency division multiplexing (GFDM) is a block-processing based non-orthogonal multi-carrier modulation scheme, which is a promising candidate waveform technology for beyond fifth-generation (5G) wireless systems. The ability of GFDM to flexibly adjust the block size and the type of pulse-shaping filters makes it a suitable scheme to meet several important requirements, such as low latency, low out-of-band (OOB) radiation and high data rates. Applying the multiple-input multiple-output (MIMO) technique, the massive MIMO technique, or low-density parity-check (LDPC) codes to GFDM systems can further improve the systems performance. Therefore, the investigation of such combined systems is of great theoretical and practical importance. This thesis investigates GFDM-based wireless communication systems from the following three aspects. First, we derive a union bound on the bit error rate (BER) for MIMO-GFDM systems, which is based on exact pairwise error probabilities (PEPs). The exact PEP is calculated using the moment-generating function (MGF) for maximum likelihood (ML) detectors. Both the spatial correlation between antennas and the channel estimation errors are considered in the investigated channel environment. Second, polynomial expansion-based low-complexity channel estimators and precoders are proposed for massive MIMO-GFDM systems. Interference-free pilots are used in the minimum mean square error (MMSE) channel estimation to combat the influence of non-orthogonality between subcarriers in GFDM. The cubic computational complexity can be reduced to square order by using the polynomial expansion technique to approximate the matrix inverses in the conventional MMSE estimation and precoding. In addition, we derive performance limits in terms of the mean square error (MSE) for the proposed estimators, which can be a useful tool to predict estimators performance in the high Eₛ/N₀ region. A Cramér-Rao lower bound (CRLB) is derived for our system model and acts as a benchmark for the estimators. The computational complexity of the proposed channel estimators and precoders, and the impacts of the polynomial degree are also investigated. Finally, we analyze the error probability performance of LDPC coded GFDM systems. We first derive the initial log-likelihood ratio (LLR) expressions that are used in the sum-product algorithm (SPA) decoder. Then, based on the decoding threshold, we estimate the frame error rate (FER) in the low E[subscript b]/N₀ region by using the observed BER to model the channel variations. In addition, a lower bound on the FER of the system is also proposed based on absorbing sets. This lower bound can act as an estimate of the FER in the high E[subscript b]/N₀ region if the absorbing set used is dominant and its multiplicity is known. The quantization scheme also has an important impact on the FER and BER performances. Randomly constructed and array-based LDPC codes are used to support the performance analyses. For all these three aspects, software-based simulations and calculations are carried out to obtain related numerical results, which verify our proposed methods.

Le présent mémoire vise à donner un aperçu des effets du commerce bilatéral sino-canadien sur le niveau global des émissions de dioxyde de carbone. L'objectif est de réaliser une analyse "ex post" des émissions de CO? générées sur les territoires du Canada et de la Chine pour la fabrication de biens manufacturiers. À partir de l'analyse entrées-sorties, nous estimons les émissions de CO? incorporées au commerce bilatéral sino-canadien de 1990 à 2009 pour 13 secteurs manufacturiers et nous dérivons l'indice BEIC (balance des émissions de CO? incorporées au commerce). La BEIC mesure directement le gain environnemental, en termes relatifs, que peut avoir un pays et qui apparaît lorsque les biens importés contiennent plus de carbone, du fait des émissions CO? générées au moment de leur fabrication, que les biens exportés. L'analyse des effets du commerce bilatéral sino-canadien de biens manufacturés sur les émissions globales de CO? pour la période 1990-2009 révèle une BEIC excédentaire pour les secteurs manufacturiers de la Chine. En 2009, la BEIC entre la Chine et le Canada pour l'ensemble des secteurs manufacturiers du Canada est estimée à -17,23 MtCO?. Nous remarquons que pour la même année chaque dollar gagné par la Chine dans ses exportations de biens manufacturés en direction du Canada incorpore 2,1 fois plus de pollution, en termes d'émissions de CO? que chaque dollar dépensé dans les importations de biens manufacturés provenant du Canada. En l'absence du commerce bilatéral sino-canadien, les émissions globales de CO? se trouveraient réduites de 10,67 MtCO? en 2009. Si la tendance qui a prévalu entre 1990 et 2009 se maintient, le commerce bilatéral sino-canadien contribuerait à une hausse des émissions globales de CO?. Les niveaux constatés de la BEIC s'expliquent par deux raisons principales. La première raison est l'important déficit commercial du Canada dans son commerce avec la Chine. En 2009, les exportations canadiennes vers la Chine ne représentent que 15,63% des importations de biens manufacturés en provenance de Chine. La seconde raison est la différence dans l'intensité d'émission de CO? entre le Canada et la Chine. En 2009, l'intensité carbone des industries légères canadiennes (0,11 kgCO?$US2002) est 1,5 fois moins importante que l'intensité carbone des industries légères en Chine. Lorsqu'on compare pour la même année 2009 les niveaux d'intensité carbone des industries lourdes, ceux des industries lourdes chinoises sont près de deux fois plus importants que ceux des industries lourdes canadiennes. Par ailleurs, nous remarquons qu'en dépit du fait qu'ils restent très élevés, les niveaux d'intensité de carbone des secteurs manufacturiers chinois ont considérablement diminué sur la période 1990-2009. Entre 2000 et 2009, les niveaux d'intensité carbone des industries légères de la Chine ont été réduits de 23,7% et les niveaux d'intensité carbone des industries lourdes de la Chine ont diminué de 48,3%. Sur la même période, les améliorations technologiques des systèmes de production ont grandement contribué à ces importantes réductions des niveaux unitaires d'émissions de CO? des industries manufacturières de la Chine. [symboles non conformes]

Depuis une quinzaine d'années de nombreux travaux s'attachent à utiliser les systèmes MIMO afin d'augmenter la capacité de Shannon associée aux traditionnels systèmes SISO. Dans ce but, un problème crucial consiste en la conception de l'émetteur optimal au sens de la capacité de Shannon. Cette problématique a fait l'objet de nombreuses études dans le cas où le canal de transmission MIMO est non sélectif en fréquence ; elle est cependant nettement moins mature dans le cadre d'un canal MIMO sélectif en fréquence. Cette thèse s'intéresse ainsi dans une première partie à l'optimisation, au sens de la capacité ergodique, de la covariance du vecteur transmis, via la théorie des matrices aléatoires. L'utilisation de plusieurs antennes d'émission permet également d'augmenter les performances en réception grâce à la diversité induite. Dans une seconde partie, nous nous intéressons ainsi à la diversité liée aux récepteurs MMSE. A l'inverse des récepteurs ML ces récepteur sont sous-optimaux mais très simples à mettre en oeuvre. Dans un premier temps nous étudions la diversité de tels récepteurs à haut SNR pour des canaux sélectifs en fréquence, tandis que nous nous attardons dans un second temps sur un facteur de diversité, l'utilisation des codes spatio-temporels en bloc, plus spécifiquement l'utilisation du code d'Alamouti. Ainsi, nous proposons et analysons en contexte multi-utilisateur un nouveau récepteur MMSE robuste aux interférences car exploitant au mieux les degrés de liberté du canal / For fifteen years many studies have used MIMO systems to increase the Shannon capacity of the traditional SISO systems. To this end, a crucial problem is the design of transmitters which are optimal w.r.t. Shannon capacity, by the use of space-time codes or of prior knowledge on the transmission channel. These problems have been addressed by many studies in the case of frequency flat MIMO channels but are really less mature for frequency selective MIMO channels. This thesis focuses in the first part on the optimization, w.r.t. the ergodic capacity, of the covariance of the vector transmitted, via the Random Matrix Theory. Using multiple transmit antennas also gives rise to diversity, which improves the receiving performance. In the second part, we thus focus on the diversity, in the specific case of a MMSE receiver. Unlike the ML receiver, this receiver is suboptimal but very simple to implement. We first study the diversity at high SNR for frequency selective channels. We then focus on a diversity factor, the use of space-time codes in block (STBC), specifically the use of the Alamouti code. Thus, we propose and analyze in the multiuser context a new MMSE receiver robust to interference thanks to its ability to use optimally the degrees of freedom available in the channel

Cette thèse traite de l'intégration des contraintes liées à la mondialisation dans les méthodes de comptabilité environnementales. Nous proposons tout d'abord une analyse de la capacité des principales méthodes actuelles à répondre aux attentes sociétales et à relever les défis liés à la mondialisation. Nous développons à cette fin le premier cadre analytique spécifique à ces méthodes. Nous développons ensuite un modèle intégrant certaines des contraintes liées à la mondialisation. Ce modèle combine un modèle entrées-sorties mondial, décrivant les activités de production, de consommation et de commerce international ainsi que les émissions qui en résultent, avec un modèle mondial de transport de polluants intégrant l'exposition humaine, et un modèle d'impact environnemental. Nous appliquons ce modèle pour établir la première quantification des impacts environnementaux sur la santé humaine liés aux émissions de particules fines (PM2.5) induits par la consommation des pays de l'OCDE dans le reste du monde selon une perspective cycle de vie. Nous appliquons ensuite le modèle entrées-sorties pour analyser le potentiel d'une taxe carbone aux frontières de l'UE. Nous proposons enfin un nouveau type d'analyse structurelle que nous appliquons aux émissions de carbone chinoises afin de déterminer quels sont les pays qui induisent ces émissions de par leur consommation, c'est à dire pour la production des biens et services exportés en incluant leurs chaines de production. Cette analyse est utilisée pour déterminer un potentiel schéma de partage international des coûts de dé-carbonisation de la Chine, tel qu'évoqué durant les préparatifs de la conférence sur le climat de Copenhague.

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs.

De nos jours, le nombre des utilisateurs mobiles est en train d’exploser et cela va de même pour la demande en débit. En effet, cette demande croissante ainsi que le nombre considérable d’appareils qui sont appelés à être connectés (plus de 29 milliards d’ici 2022 selon Ericsson) oblige à entièrement repenser les technologies de communication mobile. De nouveaux systèmes doivent être développés afin de proposer une solution aux nouveaux usages qui vont naître de cette évolution. Le MIMO massif est une nouvelle technologie caractéristique de la 5G. Au lieu de mettre en place une seule antenne réceptrice-émettrice, le MIMO massif combine plusieurs antennes à la fois afin de renforcer le signal et réduire les interférences. Un tel système est très souvent étudié pour des transmissions multi-utilisateurs grâce à son potentiel à focaliser l’énergie. Parmi les nombreuses technologies caractéristiques de la 5G, nous considérons comme un bon candidat un système fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques afin de satisfaire le besoin du débit élevé sur des petites zones cibles. Cependant, plusieurs difficultés de conception apparaissent à une telle échelle de fréquence. Particulièrement, l’utilisation d’un nombre élevé de chaînes RF en parallèle semble plus compliquée. Pour remédier à ce problème, des systèmes dits hybrides ont vu le jour et ils sont identifiés comme des solutions pertinentes afin de contourner ces difficultés. Malgré les avantages apportés par les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. De nos jours, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules. Ces dernières consistent en de petites stations de base, utilisées pour améliorer la couverture dans des environnements denses et pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Particulièrement, leur coexistence avec les réseaux traditionnels et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules. Le travail de ce mémoire se concentre sur la gestion des interférences intercellulaires dans un réseau hétérogène à spectre partagé. Ces interférences sont dues principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture d’un réseau hétérogène comprenant plusieurs petites cellules qui coexistent avec une macrocellule équipée d’un grand nombre d’antennes au niveau de la macro station de base (MBS). L’objectif est de concevoir un nouveau schéma de précodage hybride permettant d’annuler les interférences intercellulaires sur le lien descendant (DL). Nous proposons d’appliquer uniquement un contrôle de phase pour coupler les sorties de la chaîne RF aux antennes d’émission, en utilisant des déphaseurs RF économiques. Un précodage numérique est ensuite effectué à la station de base pour gérer les interférences intercellulaires et multi-utilisateurs en s’appuyant sur l’espace nul des canaux d’interférences. Enfin, des résultats de simulations démontrant l’efficacité spectrale de l’approche proposée sont présentées et comparées avec diverses techniques de précodage / Nowadays, the number of mobile users and the demand for bandwidth are exploding. Indeed, this growing demand and the considerable number of devices to be connected (more than 29 billion by 2022 according to Ericsson) requires a complete rethink of the mobile communication technologies. New systems must be developed in order to provide a solution to the new uses that will emerge from this evolution. Massive MIMO is a new technology characteristic of 5G. Instead of implementing a single transmitting/receiving antenna, massive MIMO system combines several antennas to rein-force the signal and reduce the interference. Such a system is very often studied for multi-user transmissions thanks to its potential to focus energy. Among the many characteristic technologies of 5G, we consider as good candidates, those operating at millimetre wavelengths to satisfy the need for high throughput in small targeted areas. However, several design difficulties occur at such a frequency scale. In particular, the use of a large number of RF chains in parallel is more complicated. To remedy this problem, hybrid systems have emerged and are identified as relevant solutions to overcome these difficulties. Despite the benefits of massive MIMO systems and millimetre wave, it is important to understand these innovations from the perspective of network architecture evolution. Nowadays, the modern architecture of cellular networks is becoming more and more heterogeneous, for good reasons. In these heterogeneous networks, base stations are often augmented with a large number of small cells. It consists of small base stations, used to improve coverage in dense environments and increase network capacity. However, several technical problems arise from the dense deployment of these small cells. In particular, their coexistence with traditional networks and the different levels of transmission power can be the source of strong interferences between cells. In this thesis, we focus on the intercellular interference management in a heterogeneous shared spectrum network. This interference is mainly due to the fact that users are forced to be associated with small cells in the presence of surrounding macrocells. Therefore, we propose a new architecture of a heterogeneous network comprising several small cells that coexist with a macrocell equipped with a large number of antennas at the macro base station (MBS). The goal is to design a new hybrid precoding scheme to cancel intercellular interference on the downlink transmissions (DL). We propose to apply only phase control to couple the outputs of the RF chain to the transmitting antennas, using economical RF phase shifters. Digital precoding is then performed at the base station to manage intercellular and multi-user interference based on the null space of the interference channels. Finally, simulation results demonstrating the spectral efficiency of the proposed approach are presented and compared with various precoding techniques

Depuis une dizaine d 'années, l'avènement des techniques multi-antennes (ou MIMO) pour les communications sans fil , mobiles ou fixes , a révolutionné les possibilités offertes pour de nombreux domaines d 'application des télécommunications. La disposition de plusieurs antennes de part et d 'autre du lien augmente considérablement la capacité des systèmes sans fil. Cependant, les algorithmes numériques à mettre en oeuvre pour réaliser ces systèmes sont autrement complexes et constituent un challenge quant à la définition d'architectures matérielles performantes. L'objectif du travail présent repose précisément sur la définition optimale de solutions architecturales, dans un contexte CDMA, pour contrer cette problématique. Le premier aspect de ce travail porte sur une étude approfondie des algorithmes spatio-temporels et des méthodes de conception en vue d'une implantation matérielle efficace. De nombreux schémas de détection sont proposés dans la littérature et sont applicables suivant trois critères qui sont: la qualité de service, le débit binaire et la complexité algorithmique. Cette dernière constitue une contrainte forte pour une mise en application à faible coût de terminaux mobiles intégrant ces applications. Aussi, il est nécessaire de disposer d'outils performants pour simuler, évaluer et affiner (prototypage rapide) ces nouveaux systèmes, candidats probables pour les télécommunications de quatrième génération. Le second aspect concerne la réalisation d'un transcepteur multi-antennes sans codage de canal, intégrant la technologie d'accès multiple par répartition de codes dans le cas d'un canal large bande. Un système mono-antenne WCDMA, généralisable à un nombre quelconque d'antennes, a été intégré et simulé au sein de la plate-forme de prototypage rapide Lyrtech. L'architecture développée intègre les principaux modules du traitement en bande de base, à savoir le filtrage de Nyquist, la détection des multiples trajets suivie de l'étape de détection. Le prototype MIMO-WCDMA développé est caractérisé par sa flexibilité suivant le nombre de voies e~trantes, le format d'entrée des échantillons, les caractéristiques du canal sans fil et la technologie ciblée (ASIC, FPGA). Le troisième aspect se veut plus prospectif en détaillant de nouveaux mécanismes pour réduire le coût matériel des systèmes multi-antennes. Le principe d'allocation adaptative de la virgule fixe est présenté dans le but d'adapter le codage des données suivant les caractéristiques du canal sans fil et de minimiser en conséquence la complexité du circuit. D'autre part, le concept d'architectures adaptatives est proposé afin de minimiser l'énergie consommée au sein d 'un système embarqué suivant le contexte d'application.