Du fait de la congestion des bandes de fréquences conventionnelles (bandes S, C, Ku) et de la nécessité d'acheminer des débits de plus en plus importants, l'évolution des télécommunications par satellite fournissant des services multimédia à très haut débit se traduit actuellement par une montée en fréquence (bande Ka, 20-30 GHz, pour les liaisons utilisateurs, et bande Q/V, 40-50 GHz, pour les liens avec les stations d'ancrage) pour atteindre une capacité globale de l'ordre du Tb/s. Cependant, cette montée en fréquence rend les futurs systèmes de télécommunications extrêmement vulnérables aux atténuations troposphériques, notamment aux précipitations qui constituent le principal contributeur à l'affaiblissement troposphérique total. Dans ce contexte, la seule utilisation des techniques de codages et de modulation adaptatives, même combinée avec de la gestion de puissance, ne suffit plus. Afin d'exploiter la décorrélation en distance des champs de précipitations, l'utilisation de stations terrestres en diversité de site est étudiée par les opérateurs afin de maintenir un bilan de liaison favorable, en jouant sur une certaine redondance des stations sols pour rediriger les signaux selon les conditions météorologiques locales. Si plusieurs modèles permettant de dimensionner de tels systèmes existent déjà, leur paramétrage n'a pu s'appuyer pour le moment que sur un nombre limité de bases de données expérimentales, à la fois en terme de durée d'acquisition et de climats représentés : les données ne sont bien souvent recueillies que dans des zones climatiques tempérées (Europe et Amérique du Nord) et ne représentent qu'un faible nombre d'années de mesures (une année dans la majorité des cas). Dès lors, le paramétrage, ainsi que la validation, de ces modèles est compromise. Cette thèse propose la définition d'un nouveau modèle, le modèle WRF-EMM, permettant de générer des statistiques de propagation sur une zone géographique de 100 x 100 km2 en couplant le modèle de prévisions météorologiques à haute résolution WRF (Weather Research and Forecasting) à un module électromagnétique EMM (ElectroMagnetic Module) optimisé pour l'occasion. Aux latitudes moyennes, les sorties de ce simulateur sont utilisées pour alimenter les modèles actuels de dimensionnement des systèmes de télécommunications par satellite en diversité de site. Les résultats obtenus sont suffisamment proches des résultats expérimentaux pour envisager d'utiliser le modèle WRF-EMM pour compléter de façon artificielle les bases de données expérimentales existantes et finalement paramétrer les modèles de propagation en respectant les spécificités climatologiques et orographiques locales. En parallèle au développement du modèle WRF-EMM, cette thèse propose également la mise en place d'une nouvelle métrique de test permettant d'intégrer les variabilités interannuelles dans le processus de validation des modèles, ce qui n'était pas le cas jusqu'à maintenant. / Due to the congestion of standard frequency bands (S, C, Ku bands) and the need to offer higher data rates for multimedia services, space communication systems require to be operated at carrier frequencies higher than 20 GHz: Ka-band (20-30 GHz) for user links or Q/V band (40-50 GHz) for feeder links, to reach the Tb/s capacity. However, these frequency bands are submitted to increase tropospheric impairments, in particular rain attenuation which is its major contributor. In this context, the only use of standard fade mitigation techniques (up-link power control and/or adaptive coding and modulation) is not enough to counteract these propagation impairments and the use of gateways in site diversity configurations allows satisfying link budget to be maintained, relying on redundant gateways to reroute data traffic depending on local meteorological conditions. If several models suited to design such systems already exist, their parameterization is based on a limited number of sub-representative experimental data, both in terms of duration and climatic regions: experimental propagation data in a site diversity context have been often measured in temperate regions (Europe and North America) and represent few years of data (only one year in the majority of the cases). As a consequence, the parameterization, and so the validation, of such models is compromised. This PhD thesis proposes the definition of a new model, the WRF-EMM model, allowing rain attenuation time series and statistics to be generated over a grid of 100 x 100 km2, coupling the high resolution weather prediction model WRF (Weather Research and Forecasting) with the EMM (ElectroMagnetic Module), especially optimized during this thesis. Outputs of this simulator can feed site diversity models in order to design future satellite communications systems. At mid-latitudes, the results are promising and the use of the WRF-EMM model to generate site diversity synthetic datasets and to parameterize site diversity models wherever in the world should now be envisaged as an alternative to experimental data. In parallel with the development of the WRF-EMM model, this thesis also proposes the introduction of a new testing metric allowing to integrate the inter- annual variabilities during the validation process of statistical models, which has not been the case until now.

La théorie des matrices aléatoires présente un ensemble d'outils mathématiques efficaces pour l'étude de performances des systèmes de communications numériques. L'objectif de cette thèse est de développer des résultats analytiques basés sur la théorie des matrices aléatoires pour étudier les fluctuations de quelques indices de performances pour les systèmes de communications sans fil. Nous étudions dans un premier temps, les fluctuations de formes quadratiques aléatoires. Basés sur l'approche REFORM, nous montrons les fluctuations gaussiennes des formes quadratiques associées à des matrices aléatoires. De point de vue applicatif, le SINR (rapport signal sur bruit), indice de performance mesuré à la sortie d'un récepteur linéaire de Wiener, peut être modélisé sous forme de formes quadratiques aléatoires. Nous nous intéressons également à l'établissement d'un théorème central limit pour une fonctionnelle spectrale de matrices de Gram pour un modèle de matrices dont les entrées sont indépendantes non centrées et non identiquement distribuées. Sur le plan applicatif, cette fonctionnelle modélise la capacité d'un canal de transmission dans le cadre des systèmes de transmission multi-antennes.

Les dernières années ont témoigné une augmentation spectaculaire de la demande des communications sans-fil à taux élevé. Afin de répondre à ces nouvelles exigences, le recours aux techniques Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) était inévitable, car ils sont capables d’assurer une transmission fiable des données à haut débit sans l’allocation de bande passante supplémentaire. Dans le cas où l’émetteur ne dispose pas d’information sur l’état du canal, les techniques de codage spatio-temporel se sont avérées d’exploiter efficacement les degrés de liberté du canal MIMO tout en profitant du gain de diversité maximal. D’autre part, généralement la complexité de décodage ML des codes espace-temps augmente de manière exponentielle avec le taux ce qui impose un défi important à leur incorporation dans les normes récentes de communications. Reconnaissant l’importance du critère de faible complexité dans la conception des codes espace-temps, nous nous concentrons dans cette thèse sur les codes espace-temps en bloc où la matrice du code peut être exprimée comme une combinaison linéaire des symboles réels transmis et nous proposons des nouveaux codes qui sont décodables avec une complexité inférieure à celle de leurs rivaux dans la littérature tout en fournissant des meilleurs performances ou des performances légèrement inférieures. / The last few years witnessed a dramatic increase in the demand on high-rate reliable wireless communications. In order to meet these new requirements, resorting to Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) techniques was inevitable as they may offer high-rate reliable wireless communications without any additional bandwidth. In the case where the transmitter does not have any prior knowledge about the channel state information, space-time coding techniques have proved to efficiently exploit the MIMO channel degrees of freedom while taking advantage of the maximum diversity gain. On the other hand, the ML decoding complexity of Space-Time Codes (STCs) generally increases exponentially with the rate which imposes an important challenge to their incorporation in recent communications standards. Recognizing the importance of the low-complexity criterion in the STC design for practical considerations, this thesis focuses on the design of new low-complexity Space-Time Block Codes (STBCs) where the transmitted code matrix can be expressed as a weighted linear combination of information symbols and we propose new codes that are decoded with a lower complexity than that of their rivals in the literature while providing better or slightly lower performance.

L'Ultra Large Bande constitue une technologie très prometteuse pour les futures communications sans fil à courte distance : débits très importants et fonctionnalités de localisation. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux antennes ULB et plus particulièrement à leur caractérisation et modélisation. Les propriétés spécifiques des antennes ULB sont soulignées comparativement aux antennes des systèmes à bande étroite. Nous montrons l'intérêt de considérer les antennes ULB comme des systèmes linéaires et invariants et proposons de nouvelles approches pour définir les fonctions de transfert et réponses impulsionnelles associées. Cette caractérisation « système » est alors complétée en lui associant une modélisation paramétrique dans le but de réduire le nombre de données requises mais aussi d'intégrer les modèles d'antennes dans des environnements de simulation variés. Les modélisations proposées s'appuient sur des simulations électromagnétiques et des mesures fréquentielles, et considèrent différents types d'antennes ULB.