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.

Dans le domaine du sans-fil, le nombre d'usagers augmente continuellement et la gourmandise des services, en largeur de bande, prend de plus en plus d'ampleur. De nouvelles techniques sont donc nécessaires pour réduire le plus possible l'utilisation du spectre engorgé. Une des techniques envisageables est celle proposée par M. Sébastien Roy de l'Université Laval. Elle consiste à réaliser un récepteur qui, à partir d'un réseau d'antennes, en sélectionne un sous-ensemble qui sera optimal pour un usager en particulier. Chaque usager aura donc son propre sous-ensemble optimal. Pour le déterminer, il suffit de trouver les antennes qui minimisent les interférents et augmentent le rapport signal sur bruit. Ce mémoire décrit l'implantation sur puce d'une partie de ce brevet, c'est-à-dire l'estimateur du canal à long terme. La stratégie de conception est centrée sur la réduction de l'utilisation des ressources matérielle de la puce. De plus, le design doit être totalement paramétrisable puisque plusieurs données ne sont pas encore connues.

Ces dernières années, le volume de trafic à l'intérieur des centres de données a considérablement augmenté. Par conséquent, nous avons besoin de solutions évolutives et efficaces appropriées à l'infrastructure de centre de données. Le multiplexage par division de mode (MDM) est un excellent candidat pour augmenter la capacité des liaisons optiques. Dans cette thèse, nous examinons les fibres à noyau annulaire (RCF) qui permettent la propagation des modes de moment angulaire orbital (OAM) pour le multiplexage. Nous montrons les avantages de l'utilisation des modes OAM par rapport aux autres solutions de multiplexage de mode. Dans notre première contribution, nous avons introduit un modèle numérique pour trouver les coefficients de couplage entre les modes OAM à cause de la déformation elliptique dans la fibre. Notre modèle prédit des observations expérimentales qui ne peuvent pas être observées avec les modèles de perturbation classiques. Nous avons utilisé le modèle pour comparer les performances de différentes conceptions de fibres. Dans la deuxième contribution, nous avons fabriqué une conception de fibre qui a été identifiée comme ayant un faible couplage à l'aide de notre modèle numérique. Nous avons caractérisé expérimentalement la perte dépendante du mode de la fibre. Nous minimisons la destruction des fibres lors de la caractérisation des pertes en fonction du mode en utilisant quatre longueurs de fibres fixes et examinons chaque mode de manière itérative. Nous avons utilisé un récepteur reprogrammable pour valider la pureté de l'excitation modale. Nous avons maximisé la pureté du mode lancé en optimisant la largeur et le diamètre du faisceau en espace libre à l'aide de la technique d'excitation du faisceau vortex parfait. Nous discutons de plusieurs défis auxquels nous avons été confrontés et démontrons les avantages de notre technique par rapport à d'autres techniques. La perte de notre fibre est acceptable pour les liaisons intra-centre de données. Dans notre troisième contribution, nous avons examiné les performances de transmission de données dans notre fibre. Nous avons comparé les performances de réception sans traitement MIMO (multiple-input multiple-output) (ni optique ni électronique) et la réception avec 2×2 MIMO. Les deux schémas de réception surpassent les schémas habituels étant donné la complexité du MIMO 4×4 et l'impraticabilité du MIMO optique. Nous discutons le hardware requis au démultiplexeur pour réaliser le MIMO 2×2. Nous démontrons huit transmissions de canaux de données sur 600 m et 1.3 km de RCF sur la bande C. Dans la dernière contribution, nous avons examiné la transmission des modes OAM et du multiplexage en longueur d'onde (WDM) pour augmenter la capacité de liaison optique dans les centres de données. Nous avons transmis avec succès des données sur douze modes OAM et trois longueurs d'onde simultanément dans la fibre. Nous avons examiné les performances lors du balayage de trois canaux WDM sur la bande C étendue, atteignant le débit binaire net le plus élevé enregistré pour la transmission OAM, soit 65,5 Tb/s. / In recent years, traffic volume inside data centers has increased significantly. As a result, we need scalable and efficient solutions appropriate for a data center infrastructure. Mode division multiplexing (MDM) is an excellent candidate to increase the capacity of such optical links. In this thesis, we examine ring-core fibers (RCFs) that support the propagation of orbital angular momentum (OAM) modes for multiplexing. We show the advantages of using OAM modes compared to other mode multiplexing solutions. In our first contribution, we introduced a numerical model to find coupling coefficients between OAM modes due to elliptical deformation in the fiber. Our model predicts experimental observations which cannot be seen with the classical perturbation models. We used the model to compare the performance of various fiber designs. In the second contribution, we fabricated a fiber design found to have low coupling using our numerical model. We characterized the mode-dependent loss (MDL) of the fiber experimentally. We minimize fiber destruction during MDL characterization with four fixed fiber lengths, probing each mode in a round-robin fashion. We used a re-programmable receiver to validate the purity of the modal excitation. We maximized launched mode purity and coupling by optimizing the free-space beam width and diameter using the perfect vortex excitation technique. We discuss several challenges we confronted, and demonstrate the advantages of our MDL technique over other techniques. Our fiber loss is acceptable for intra-data center links. In our third contribution, we examined data transmission performance in our fiber. We compared reception performance without multiple-input multiple-output (MIMO) processing (neither optical nor electronic) and reception with 2×2 MIMO. The two reception schemes overcome the complexity of 4×4 MIMO and the impracticality of optical MIMO. We discuss the hardware required at the demultiplexer to achieve the 2×2 MIMO. We demonstrate eight data channel transmissions over 600 m and 1.3 km of RCF across the C-band. In the last contribution, We examined the transmission of OAM modes and wavelength-division multiplexing (WDM) channels to increase the optical link capacity in data centers. We successfully transmitted data on twelve OAM modes and three wavelengths simultaneously in the fiber. We examined the performance when sweeping three WDM channels across the extended C-band, achieving the highest recorded net bit rate for OAM transmission, 65.5 Tb/s.