Les systèmes de communication à intensité optique en espace libre (FSOI) sont largement utilisés dans les communications à courte portée, telles que les communications infrarouges entre des dispositifs électroniques portables. L’émetteur de ces systèmes module sur l’intensité des signaux optiques émis par des diodes électroluminescentes (LEDs) ou des diodes laser (LDs), et le récepteur mesure les intensités optiques entrantes au moyen de photodétecteurs. Les entrées ne sont pas négatives car elles représentent des intensités. En outre, ils sont généralement soumis à des contraintes de puissance de pointe et moyenne, la contrainte de puissance de pointe étant principalement dû aux limitations techniques des composants utilisés, alors que la contrainte de puissance moyenne est imposée par des limitations de batterie et des considérations de sécurité. En première approximation, le bruit dans de tels systèmes peut être supposé être gaussien et indépendant du signal transmis. Cette thèse porte sur les limites fondamentales des systèmes de communication FSOI, plus précisément sur leur capacité. L’objectif principal de notre travail est d’étudier la capacité d’un canal FSOI général à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) avec une contrainte de puissance de crête par entrée et une contrainte de puissance moyenne totale sur toutes les antennes d’entrée. Nous présentons plusieurs résultats de capacité sur le scénario quand il y a plus d’antennes d’émission que d’antennes de réception, c’est à-dire, nT > nR > 1. Dans ce scénario, différents vecteurs d’entrée peuvent donner des distributions identiques à la sortie, lorsqu’ils aboutissent au même vecteur d’image multiplié par la matrice de canal. Nous déterminons d’abord les vecteurs d’entrée d’énergie minimale permettant d’atteindre chacun de ces vecteurs d’image. Il définit à chaque instant dans le temps un sous-ensemble de nT − nR antennes à zéro ou à pleine puissance et utilise uniquement les nR antennes restantes pour la signalisation. Sur cette base, nous obtenons une expression de capacité équivalente en termes de vecteur d’image, ce qui permet de décomposer le canal d’origine en un ensemble de canaux presque parallèles. Chacun des canaux parallèles est un canal MIMO nR x nR à contrainte d’amplitude, avec une contrainte de puissance linéaire, pour laquelle des limites de capacité sont connues. Avec cette décomposition, nous établissons de nouvelles limites supérieures en utilisant une technique de limite supérieure basée sur la dualité, et des limites inférieures en utilisant l’inégalité de puissance d’entropie (EPI). Les limites supérieure et inférieure dérivées correspondent lorsque le rapport signal sur bruit (SNR) tend vers l’infini, établissant la capacité asymptotique à haut SNR. À faible SNR, il est connu que la pente de capacité est déterminée par la trace maximale de la matrice de covariance du vecteur image. Nous avons trouvé une caractérisation de cette trace maximale qui est plus facile à évaluer en calcul que les formes précédentes. / Free-space optical intensity (FSOI) communication systems are widely used in short-range communication such as the infrared communication between electronic handheld devices. The transmitter in these systems modulates on the intensity of optical signals emitted by light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs), and the receiver measures incoming optical intensities by means of photodetectors. Inputs are nonnegative because they represent intensities. Moreover, they are typically subject to both peak- and average-power constraints, where the peak-power constraint is mainly due to technical limitations of the used components, whereas the average-power constraint is imposed by battery limitations and safety considerations. As a first approximation, the noise in such systems can be assumed to be Gaussian and independent of the transmitted signal. This thesis focuses on the fundamental limits of FSOI communication systems, more precisely on their capacity. The major aim of our work is to study the capacity of a general multiple-input multiple-output (MIMO) FSOI channel under a per-input-antenna peak-power constraint and a total average-power constraint over all input antennas. We present several capacity results on the scenario when there are more transmit than receive antennas, i.e., nT > nR > 1. In this scenario, different input vectors can yield identical distributions at the output, when they result in the same image vector under multiplication by the channel matrix. We first determine the minimum-energy input vectors that attain each of these image vectors. It sets at each instant in time a subset of nT − nR antennas to zero or to full power, and uses only the remaining nR antennas for signaling. Based on this, we derive an equivalent capacity expression in terms of the image vector, which helps to decompose the original channel into a set of almost parallel channels. Each of the parallel channels is an amplitude-constrained nR⇥nR MIMO channel, with a linear power constraint, for which bounds on the capacity are known. With this decomposition, we establish new upper bounds by using a duality-based upper-bounding technique, and lower bounds by using the Entropy Power Inequality (EPI). The derived upper and lower bounds match when the signal-to-noise ratio (SNR) tends to infinity, establishing the high-SNR asymptotic capacity. At low SNR, it is known that the capacity slope is determined by the maximum trace of of the covariance matrix of the image vector. We found a characterization to this maximum trace that is computationally easier to evaluate than previous forms.

Québec Université Laval, Bibliothèque 2015

Ce mémoire présente la technique employée pour réaliser la simulation en VHDL d'une architecture d'estimateur de canaux pour récepteur à traitement spatiotemporel. Par l'utilisation de réseaux systoliques adaptés pour une future implantation matérielle FPGA, il est possible de démontrer qu'on peut utiliser l'estimation par corrélation et l'estimation par la minimisation de l'erreur quadratique moyenne pour estimer les canaux à la réception d'un système de communication sans fil. Avant tout, une brève revue scientifique sur les systèmes de communication sans-fil est effectué et les deux méthodes d'estimation sont analysées avec Matlab afin de démontrer qu'elles peuvent combattre les distorsions et les évanouissements subis par le signal lors de la transmission. Par la suite, il est proposé d'associer l'utilisation de l'architecture des réseaux systoliques avec les multiplications matricielles. Finalement, deux de ces architectures systoliques sont implantées et utilisées pour la réalisation en VHDL des deux méthodes d'estimation des canaux.

Avec les grands développements des technologies de communication sans fil, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré beaucoup d’attention dans le monde entier au cours de la dernière décennie. Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant utilisés pour a surveillance sanitaire, la gestion des catastrophes, la défense, les télécommunications, etc. De tels réseaux sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et commerciales comme la surveillance des processus industriels et de l’environnement, etc. Un réseau WSN est une collection de transducteurs spécialisés connus sous le nom de noeuds de capteurs avec une liaison de communication distribuée de manière aléatoire dans tous les emplacements pour surveiller les paramètres. Chaque noeud de capteur est équipé d’un transducteur, d’un processeur de signal, d’une unité d’alimentation et d’un émetteur-récepteur. Les WSN sont maintenant largement utilisés dans l’industrie minière souterraine pour surveiller certains paramètres environnementaux, comme la quantité de gaz, d’eau, la température, l’humidité, le niveau d’oxygène, de poussière, etc. Dans le cas de la surveillance de l’environnement, un WSN peut être remplacé de manière équivalente par un réseau à relais à entrées et sorties multiples (MIMO). Les réseaux de relais multisauts ont attiré un intérêt de recherche important ces derniers temps grâce à leur capacité à augmenter la portée de la couverture. La liaison de communication réseau d’une source vers une destination est mise en oeuvre en utilisant un schéma d’amplification/transmission (AF) ou de décodage/transfert (DF). Le relais AF reçoit des informations du relais précédent et amplifie simplement le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant. D’autre part, le relais DF décode d’abord le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant au deuxième étage s’il peut parfaitement décoder le signal entrant. En raison de la simplicité analytique, dans cette thèse, nous considérons le schéma de relais AF et les résultats de ce travail peuvent également être développés pour le relais DF. La conception d’un émetteur/récepteur pour le relais MIMO multisauts est très difficile. Car à l’étape de relais L, il y a 2L canaux possibles. Donc, pour un réseau à grande échelle, il n’est pas économique d’envoyer un signal par tous les liens possibles. Au lieu de cela, nous pouvons trouver le meilleur chemin de la source à la destination qui donne le rapport signal sur bruit (SNR) de bout en bout le plus élevé. Nous pouvons minimiser la fonction objectif d’erreur quadratique moyenne (MSE) ou de taux d’erreur binaire (BER) en envoyant le signal utilisant le chemin sélectionné. L’ensemble de relais dans le chemin reste actif et le reste des relais s’éteint, ce qui permet d’économiser de l’énergie afin d’améliorer la durée de vie du réseau. Le meilleur chemin de transmission de signal a été étudié dans la littérature pour un relais MIMO à deux bonds mais est plus complexe pour un ... / With the great developments in wireless communication technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained attention worldwide in the past decade and are now being used in health monitoring, disaster management, defense, telecommunications, etc. Such networks are used in many industrial and consumer applications such as industrial process and environment monitoring, among others. A WSN network is a collection of specialized transducers known as sensor nodes with a communication link distributed randomly in any locations to monitor environmental parameters such as water level, and temperature. Each sensor node is equipped with a transducer, a signal processor, a power unit, and a transceiver. WSNs are now being widely used in the underground mining industry to monitor environmental parameters, including the amount of gas, water, temperature, humidity, oxygen level, dust, etc. The WSN for environment monitoring can be equivalently replaced by a multiple-input multiple-output (MIMO) relay network. Multi-hop relay networks have attracted significant research interest in recent years for their capability in increasing the coverage range. The network communication link from a source to a destination is implemented using the amplify-and-forward (AF) or decode-and-forward (DF) schemes. The AF relay receives information from the previous relay and simply amplifies the received signal and then forwards it to the next relay. On the other hand, the DF relay first decodes the received signal and then forwards it to the next relay in the second stage if it can perfectly decode the incoming signal. For analytical simplicity, in this thesis, we consider the AF relaying scheme and the results of this work can also be developed for the DF relay. The transceiver design for multi-hop MIMO relay is very challenging. This is because at the L-th relay stage, there are 2L possible channels. So, for a large scale network, it is not economical to send the signal through all possible links. Instead, we can find the best path from source-to-destination that gives the highest end-to-end signal-to-noise ratio (SNR). We can minimize the mean square error (MSE) or bit error rate (BER) objective function by sending the signal using the selected path. The set of relay in the path remains active and the rest of the relays are turned off which can save power to enhance network life-time. The best path signal transmission has been carried out in the literature for 2-hop MIMO relay and for multiple relaying it becomes very complex. In the first part of this thesis, we propose an optimal best path finding algorithm at perfect channel state information (CSI). We consider a parallel multi-hop multiple-input multiple-output (MIMO) AF relay system where a linear minimum mean-squared error (MMSE) receiver is used at the destination. We simplify the parallel network into equivalent series multi-hop MIMO relay link using best relaying, where the best relay ...

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient.

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.

Le développement rapide de la technologie des télécommunications à entrées et à sorties multiples MIMO met la caractérisation et modélisation de canaux sans fil dans une nouvelle perspective. Des recherches additionnelles sur la caractérisation et la modélisation de canaux sont nécessaires pour les déploiements de ces systèmes MIMO. En outre, de nouvelles techniques de caractérisation et de modélisation des canaux sont nécessaires pour faciliter la recherche sur la caractérisation et modélisation du canal MIMO. Trois contributions majeures sont présentées dans cette thèse. Tout d'abord, nous proposons une représentation généralisée et systématique des systèmes et des canaux sans fil dans les domaines spatio-temporels. Celle-ci peut être interprétée comme une extension des travaux de Bello [1, 2] et une généralisation des concepts introduits dans la littérature récente sur les canaux multiples. Dans ce cadre théorique, on propose un ensemble de seize fonctions noyau (kernel) et huit fonctions système et un ensemble de huit fonctions noyau dans le contexte de systèmes pratiques : ceux-ci sont définis dans le temps, la fréquence, l'espace et le vecteur d'onde pour la caractérisation du canal et du système MIMO. L'utilisation du cadre pratique est illustrée par une série d'exemples en utilisant des mesures basées sur des signaux de télévision numérique ATSC aux fréquences UHF. Les résultats étudiés comprennent les fonctions noyau spatiales mesurées, les spectres reçus dans le vecteur d'onde pour les canaux de liaison descendante et les fonctions de corrélation spatiale pour les canaux de liaison montante Deuxièmement, une nouvelle technique de mesure du signal dans l'espace et dans le temps, ainsi qu'une technique d'estimation du spectre dans le domaine des vecteurs d'onde et en fréquence sont proposées. La technique proposée permet de caractériser un grand réseau d'antenne virtuel à partir d'un nombre limité d'éléments d'antenne en déplaçant les éléments d'antenne le long d'une trajectoire prédéfinie. Une technique d'étalonnage est également proposée pour estimer le spectre de vecteur d'onde des signaux mesurés. Le compromis de cette technique est une faible précision de l'estimation si l'étalement des angles d'arrivée est trop grande. Les performances d'estimation du spectre sont évaluées par une série de simulations. Troisièmement, une vision globale du phénomène Doppler est présentée du point de vue de la technique de caractérisation proposée. Les spectres de Doppler, provoques par la mobilité des diffuseurs sous différentes distributions de vitesse de diffuseur, sont étudiés en profondeur. Ces résultats s'appliquent au scénario sans fil fixe pour lesquel l'émetteur et le récepteur sont fixes, tandis que les diffuseurs sont mobiles. Les modèles analytiques sont comparés avec les courbes empiriques, extraites d'autres publications dans la littérature, afin de valider la méthode proposée. Les résultats obtenus montrent que notre modèle théorique, pour un distribution exponentielle de vitesse de diffuseur, suit de près les courbes mesurées dans les canaux à variations lentes. En outre, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour les canaux à variations rapides, par exemple, lorsque les voitures en mouvement sont considérées comme des diffuseurs mobiles.

Le paradigme de station de bases distribuée (SDB) est étudié comme remplacement des structures plus rigides de stations de base cellulaire. Dans ce contexte, plusieurs SBD sont réparties afin d'offrir des zones de couverture radio se superposant et ainsi permettre à plusieurs SBD de relayer un même mobile pour lui offrir de la macrodiversité. De plus, les mobiles sont amenés à coopérer pour communiquer sur une même ressource radio afin d'augmenter l'efficacité spectrale par l'utilisation d'une plus grande diversité. L'étude du canal de coopération et macro diversité (de plusieurs mobiles à plusieurs SBD) est abordée afin d'offrir une base à la simulation de ceux-ci et ainsi étudier les interactions et la complexité qui découlent de l'utilisation de ces techniques. Ainsi, un système distribué, de la gestion des connexions (multiples) mobiles à SBD est proposé qui se base sur le concept d'agents multiples. Il est démontré que ceux-ci permet tent l'existence de schémas de connexion dynamiques qui s'auto-organisent. L'étude de l'interférence est ensuite abordée, et un deuxième système d'agents multiples est proposé pour la gestion de l'allocation des canaux. Enfin, la notion de coopération est abordée d'un point de vue systémique, c'est-à-dire en l'étudiant sur le réseau dans son ensemble. Il est montré que la coopération peut être efficace sous certaines conditions et qu'il est possible de gérer cette aptitude supplémentaire simplement avec le recourt d'agents multiples. En fin de compte, l'ensemble des systèmes d'agents proposés et de l'organisation du réseau de SBD permet effectivement d'obtenir des gains appréciables de diversité, d'efficacité spectrale, avec en prime tous les avantages découlant des propriétés distribuées des agents multiples: auto-configuration, adaptabilité, mise à l'échelle, etc.

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Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la synthèse d'observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires multi-sorties. La majeure partie de ce travail porte sur la synthèse d'observateurs à entrées inconnues mais nous présentons aussi la synthèse d'un observateur pour une large classe de systèmes uniformément observables (sans entrées inconnues). <br />Pour la synthèse des observateurs à entrées inconnues, nous avons considéré une forme canonique observable qui fait intervenir les entrées inconnues aussi bien au niveau de la dynamique de l'état que dans l"'expression de la sortie. La synthèse s'est effectuée sous certaines conditions suffisantes qui ont été formulées de sorte que les observateurs proposés permettent : <br />- d'estimer conjointement tous les états du système et les entrées inconnues lorsqu'on adopte l'hypothèse qui stipule la bornitude de la dynamique de ces entrées. <br />- d'estimer tous les états non mesurés du système, en l'absence de toute hypothèse portant sur les entrées inconnues <br /><br /><br />Notre contribution en terme de synthèse d'observateurs standards consiste à proposer un observateur de type grand gain pour une classe de systèmes qui inclut, à notre connaissance, toutes les classes de systèmes non linéaires multi-sorties uniformément observables considérées dans la littérature pour la synthèse d'observateurs. <br />Les différents résultats théoriques sont illustrés à travers des exemples en simulation. Le dernier chapitre est en particulier dédié à l'utilisation des observateurs à entrées inconnues pour l'estimation des concentrations en composés et des vitesses de réactions dans les réacteurs biochimiques.