Cette thèse s’inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l’Information de l’Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d’un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d’une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35μm conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d’enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d’estimation de la distance entre deux dispositifs d’un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L’étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d’arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSC / This thesis is part of the Electronics and Physics (EPH) department’s research work at Institut Telecom SudParis in collaboration with the Information, Images and Information Processing (CITI) Department. The project included the development of a receiver architecture called Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC) that works with Transmitted Reference Ultra Wideband signals (TR-UWB), and which could achieve a good performance without channel estimation. The first part of this work included the design of a modular UWB communication system based on the TDSC method. This platform uses a 0.35μm CMOS chip conceived by the EPH laboratory. This gives the possibility to record real TR-UWB signals and to achieve functional tests. A second part of the thesis was to deepen the use of the TDSC method for detection of UWB signals and the synchronization procedure of the receiver using real signals acquired by the platform. A series of tests were conducted in this regard by using baseband signals as well as frequency translated signals, through cable channels and radio transmission. The results let us validate the TDSC detection and the synchronization procedure. Finally, a third line of work was the study and development of a distance estimation proposal based on the time of arrival (TOA) of TR-UWB signals, for indoor localization purposes. The study included a synthesis of several proposals and experimental works. Simulations were made and compared with other methods. Experimental results and their good convergence with the simulations let conclude that the proposal is a feasible solution to the measurement of the TOA, based on a TR-UWB receiver with low-complexity architecture

Actuellement, la majorité des équipements électroniques prenant place dans nos véhicules s'interconnectent encore par des liens câblés. Or, l'établissement d'un réseau sans fil permet de remplacer ces liens existants. Afin de permettre cette connectivité et pour répondre aux exigences futures, une solution qui accepte suffisamment de débit doit être développée. Parmi les solutions actuelles possibles, l'Ultra-Large Bande est le candidat idéal. De manière générale, cette Thèse se consacre à l'étude de la propagation à l'intérieur d'une voiture. Afin d'évaluer les performances de ce type de système à l'intérieur d'un véhicule, un modèle de canal pouvant reproduire avec fidélité la propagation intra-véhiculaire est nécessaire. De par la similarité entre les environnements, le modèle de canal proposé est basé sur la théorie des chambres réverbérantes. Compte tenu des faibles dimensions de l'environnement et de la proximité des antennes par rapport aux passagers, l'idée est de réduire l'énergie absorbée par ces derniers tout en maximisant celle-ci à la position d'un récepteur visé. Parmi les solutions possibles, le retournement temporel apparait comme une technique idéale pour répondre à ces objectifs. Cette technique permet en effet de focaliser temporellement et spatialement le signal électromagnétique au niveau du récepteur. Dans cette Thèse, une évaluation des performances du RT à l'intérieure d'une voiture est proposée. Cette étude nous a amenés à porter notre attention sur les propriétés spatiales de l'énergie totale portée par un signal utilisant le retournement temporel et, de ce fait, nous proposons un nouveau formalisme de la distribution spatiale de cette énergie. / Current vehicles still use wired links to interconnect the embedded electronic equipment. However, advances in wireless technologies permit to replace these links with wireless personal area networks. To enable this connectivity and to meet the future requirements, a solution that provides sufficient data rate must be developed. One technological candidate that can be used to meet the data rate requirements is Ultra-Wide Band. This thesis investigates the ultra-wideband propagation environment in intra-vehicular environments. In order to evaluate the performances of UWB inside a vehicle, channel models that accurately reproduce the intra-vehicular propagation characteristics are required. Because of obvious similarities, the proposed model is based on reverberation chamber theory. Given the small size of the environment and the proximity of the antennas to the passengers, one goal of intra-vehicular communications is to reduce the energy absorbed by the passengers while maximizing the energy at the position of the intended receiver. Among the possible solutions, Time Reversal appears to be the ideal technique to meet this objective. Time Reversal permits to spatially and temporally focus the electromagnetic signal at the receiver. In this thesis, a performance evaluation of Time Reversal inside a car is proposed. Moreover, a model of the spatial properties of the total energy of a signal using Time Reversal is proposed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La technologie planaire constitue une technologie attrayante pour la réalisation de filtres, en terme de coût, de volume, ainsi que des possibilités d'intégration. Dans ce contexte, le développement de filtres planaires sélectifs et peu encombrants est à l'heure actuelle un domaine d'activité d'un intérêt fondamental. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans cet axe de recherche. Après un état de l'art sur les différentes familles de filtres planaires, une nouvelle topologie de filtre passe-bas compact, constituée d'une ligne de propagation périodiquement chargée par des capacités CMS, est développée. Une méthode rigoureuse de conception est développée et des démonstrateurs hybrides en technologie CPW à 1 GHz sont réalisés. Les mesures, en très bon accord avec les simulations, valident des propriétés intéressantes en terme de réjection, d'adaptation et de remontées parasites. La montée en fréquence est également explorée par la réalisation d'un filtre passe-bas en bande X. Les résultats montrent la nécessité d'une caractérisation fine des capacités. Ensuite, une méthode de caractérisation des capacités est mise en oeuvre. Il s'avère que l'insertion des capacités dans des filtres passe-bas à structure périodique constitue un moyen précis et fiable de modélisation. Une topologie de filtre passe-bande à Ultra Large Bande, basée sur une imbrication d'un filtre passe-haut à stubs dans un filtre passe-bas à lignes capacitivement chargées, est mise en place. Les mesures des prototypes en technologie micro-ruban, en bon accord avec les simulations, montrent des propriétés intéressantes de sélectivité, de miniaturisation et de rejet de lobes secondaires.

Dans cette thèse nous nous sommes principalement concentrés sur les transmissions impulsion radio Ultra Large Bande (UWB-IR) qui a plusieurs avantages grâce à la nature de sa bande très large (entre 3.1GHZ et 10.6GHz) qui permet un débit élevé et une très bonne résolution temporelle. Ainsi, la très courte durée des impulsions émises assure une transmission robuste dans un canal multi-trajets dense. Enfin la faible densité spectrale de puissance du signal permet au système UWB de coexister avec les applications existantes. En raison de toutes ces caractéristiques, la technologie UWB a été considérée comme une technologie prometteuse pour les applications WSN. Cependant, il existe plusieurs défis technologiques pour l'implémentation des systèmes UWB. A savoir, une distorsion différente de la forme d'onde du signal reçu pour chaque trajet, la conception d'antennes très larges bandes de petites dimensions et non coûteuses, la synchronisation d'un signal impulsionnel, l'utilisation de modulation d'onde d'ordre élevé pour améliorer le débit etc. Dans ce travail, Nous allons nous intéresser à l'étude et l'amélioration de la synchronisation temporelle dans les systèmes ULB. / The basic concept of Impulse-Radio UWB (IR-UWB) technology is to transmit and receive baseband impulse waveform streams of very low power density and ultra-short duration pulses (typically at nanosecond scale). These properties of UWB give rise to fine time-domain resolution, rich multipath diversity, low power and low cost on-chip implementation facility, high secure and safety, enhanced penetration capability, high user capacity, and potential spectrum compatibility with existing narrowband systems. Due to all these features, UWB technology has been considered as a feasible technology for WSN applications. While UWB has many reasons to make it a useful and exciting technology for wireless sensor networks and many other applications, it also has some challenges which must be overcome for it to become a popular approach, such as interference from other UWB users, accurate modelling of the UWB channel in various environments, wideband RF component (antennas, low noise amplifiers) designs, accurate synchronization, high sampling rate for digital implementations, and so on. In this thesis, we will focus only on one of the most critical issues in ultra wideband systems: Timing Synchronization.

Ce travail de thèse s’articule autour de la problématique du respect des gabarits spectraux d’émission imposés par les règlementations et les normes dans le domaine des émetteurs radio impulsionnels ultra-large bande. Le choix a été fait de réaliser un capteur in-situ venant extraire les informations nécessaires à une estimation sur puce de la densité spectrale de puissance. Un algorithme d’estimation embarqué peut alors permettre de détecter les gabarits violés et pouvoir rétroagir sur le dispositif. La grande diversité constatée parmi les règlementations et les normes en vigueur ainsi que dans les différentes architectures de générateurs d'impulsions a alors motivé la réalisation d'un système de calibration universel à tous les émetteurs par prise d'informations en sortie. Le manuscrit s'est alors employé à représenter une impulsion à partir de son enveloppe instantanée et de sa fréquence instantanée, ces deux grandeurs temporelles pouvant être extraites pour tout type d'impulsions. Il a été également proposé dans le chapitre une première technique de calibration basée sur la modification de l'enveloppe à des instants précis qui permet de faire rentrer le spectre dans le gabarit tout en maximisant l'occupation de celui-ci. Enfin, l'extraction de l'enveloppe instantanée et de la fréquence instantanée a été abordée en proposant une technique d'extraction par transposition de l'information en bande de base. La conception des dispositifs électroniques nécessaires a été présentée et ceux-ci ont été implémentés sur la même puce qu'un générateur d'impulsions dans le but de réaliser un démonstrateur qui a validé l'utilisation du système étudié. / This thesis focusses on the power emission constraints defined by regulations and standards for every kinds of ultra-wide band impulse radio transmitters. In fact, these power emission constraints have to be respected all along the device life. Also, an integrated sensor able to extract the essential information for an on-chip estimation of the power spectral density has been realized. Then, an embedded algorithm is added to the system and detects if a power limit is broken. If necessary, it acts on the transmitter to solve the problem. In the first chapter, a large variety of power constraints shapes and several architectures of impulse generators have been observed and studied. Therefore, the aim of this thesis is to realise a calibration system which would be universal to all impulse radio transmitters. After its extraction at the output of the transmitter, information have to be downconverted in order to reduce the constraints on conversion stage but without using a local oscillator and a mixer. A model for the impulse signal based on the instantaneous envelop and on the instantaneous frequency has been proposed in the second chapter. A new calibration method based on these two signals is also presented. The last chapter concentrates on detailing the extraction of the instantaneous envelop and the instantaneous frequency. The design of the electronic devices essential to this extraction is presented and a chip has been realised and the viability of the solution shown.

Du fait de la nature ouverte et partagée du canal radio, les communications sans fil souffrent de vulnérabilités sérieuses en terme de sécurité. Dans ces travaux de thèse, je me suis intéressé particulièrement à deux classes d'attaques à savoir l'attaque par relais et l'attaque par déni de service (brouillage). La technologie de couche physique UWB-IR a connu un grand essor au cours de cette dernière décennie et elle est une candidate intéressante pour les réseaux sans fil à courte portée. Mon objectif principal était d'exploiter les caractéristiques de la couche physique UWB-IR afin de renforcer la sécurité des communications sans fil. L'attaque par relais peut mettre à défaut les protocoles cryptographiques d'authentification. Pour remédier à cette menace, les protocoles de distance bounding ont été proposés. Dans ce cadre, je propose deux nouveaux protocoles (STHCP : Secret Time-Hopping Code Protocol et SMCP : Secret Mapping Code Protocol) qui améliorent considérablement la sécurité des protocoles de distance bounding au moyen des paramètres de la radio UWB-IR. Le brouillage consiste en l'émission intentionnelle d'un signal sur le canal lors du déroulement d'une communication. Mes contributions concernant le problème de brouillage sont triples. D'abord, j'ai déterminé les paramètres d'un brouilleur gaussien pire cas contre un récepteur UWB-IR non-cohérent. En second lieu, je propose un nouveau modèle de brouillage par analogie avec les attaques contre le système de chiffrement. Troisièmement, je propose une modification rendant la radio UWB-IR plus robuste au brouillage. Enfin, dans une dernière partie de mes travaux, je me suis intéressé au problème d'intégrer la sécurité à un réseau UWB-IR en suivant l'approche d'embedding. Le principe de cette approche consiste à superposer et à transmettre les informations de sécurité simultanément avec les données et avec une contrainte de compatibilité. Ainsi, je propose deux nouvelles techniques d'embedding pour la couche physique UWB-IR afin d'intégrer un service d'authentification.

Dans les systèmes ultra large bande (ULB), des impulsions RF extrêmement étroites sont employées pour la communication entre émetteurs et récepteurs. En raison de leur bande passante très large, les signaux ULB entraînent un grand nombre de trajets multiples résolvables et donc réduisent les interférences provoquées par la superposition de ces trajets. Toutefois, cela nécessite la mise en œuvre d'un système de réception complexe. Le retournement temporel (RT) est une approche qui permet d'utiliser des récepteurs simples en déplaçant la complexité vers l'émetteur. Le signal reçu RT est très focalisé dans les domaines temporel et spatial. Les focalisations temporelle et spatiale permettent de réduire respectivement l'interférence entre symboles et l'interférence multi-utilisateurs. Dans cette thèse, nous étudions la technique du RT en ULB et son application aux communications haut débit. La validation de la technique du RT dans le laboratoire est réalisée et une étude paramétrique du RT est faite avec différentes configurations multi-antennes (SISO, SIMO, MISO et MIMO). Les résultats montrent que la configuration RT-MIMO présente les meilleures performances. La robustesse du RT est également étudiée dans des environnements non stationnaires. La robustesse du RT est également étudiée dans des environnements non stationnaires. Les résultats suggèrent que si le canal garde une certaine corrélation partielle avec le canal précédent, le RT peut donner une bonne robustesse même si la corrélation totale des canaux est très faible. Bien que les performances obtenues soient meilleures avec des bandes passantes supérieures, la dégradation des performances avec les variations dans le canal reste du même ordre de grandeur. Ensuite, le RT est étudié du point de vue communication. Des validations expérimentales d'une nouvelle technique de modulation et la communication à haut débit sont effectuées pour des canaux denses en trajets multiples. On montre que les performances de TEB en indoor sont meilleures que celles obtenues en chambre réverbérante. Par ailleurs, avec une transmission RT par sous bandes, qui constitue une sorte d'égalisation, le TEB peut être sensiblement amélioré. Enfin, la communication RT multi-utilisateur a été examinée avec des modifications dans le pré-filtre. Le RT modifié donne de meilleures performances que le RT classique ou le RT avec permutation circulaire. Les résultats présentés dans cette thèse suggèrent que le RT en ULB, qui peut être facilement combiné avec les systèmes MIMO, est une approche prometteuse pour les futurs réseaux de locaux et personnels (WLAN et WPAN) sans fils.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement des réseaux de capteurs sans fil pour le domaine aérospatial. Les applications concernées sont la mesure de température et des contraintes mécaniques sur les ailes d'avion en vol d'essai ainsi que sur la structure des satellites. Ces mesures sont effectuées en temps réel et sans perte de données. Nos travaux de recherches se focalisent sur le développement d'une architecture de communication sans fil qui permet de répondre aux besoins des ces applications en terme de faible coût, faible consommation et haut débit. Nous avons développé une architecture à conversion directe avec l'utilisation de deux voies différentielles I et Q. Cette architecture exploite la bande de fréquence UWB 6-8.5 GHz autorisée en Europe. Nous nous sommes concentrés en particulier sur la conception des mélangeurs de fréquence qui demandent une bande passante très importante en valeur relative (10-510 MHz) sur l'entrée de mélangeur rehausseur de fréquence et sur la sortie de mélangeur abaisseur de fréquence. La conception de l'amplificateur faible bruit est moins délicate car son besoin en bande passante relative est moins important. Une nouvelle topologie de mélangeur a été conçue pour répondre au besoin en largeur de bande. Nous avons pris soins à ce que le mélangeur d'émission ait une perte de conversion nulle pour attaquer directement l'antenne sans passer par un amplificateur de puissance et réduire la puissance de contrôle à -3d Bm pour diminuer la consommation de l'oscillateur contrôlé en tension (VCO). De cette manière, la chaine d'émission se réduit à deux mélangeurs I et Q basse consommation. Cette architecture d'émission laisse plus de marge en terme de consommation pour la conception de la chaine de réception. Les différents blocs RF ont été développés en technologie CMOS 130 nm, permettant d'atteindre de bonnes performances avec un coût minimum. Les mesures effectuées valident le fonctionnement des circuits développés.

La sécurité des systèmes de communication mobiles/sans fil est problématique, car ceux-ci sont généralement construits suivant une topologie répartie ou arborescente. Les noeuds qui composent ces réseaux sont caractérisés par des ressources limitées et connectés généralement entre eux d'une manière ad-hoc sans l'aide d'une tierce personne de confiance. Les méthodes de sécurité matures issues du monde des réseaux filaires s'appuient souvent sur des procédés nécessitant des systèmes centralisés et des ressources importantes qui sont difficiles à mettre en place dans des réseaux à fortes contraintes. Dans le cadre de cette thèse, on propose de nouvelles solutions de sécurité qui exploitent les propriétés du médium électromagnétique et de l'interface de radiocommunication dans le but d'assurer des communications sécurisées. La thèse est structurée en deux parties. La première est dédiée au problème de génération de clés de cryptage en exploitant les propriétés des systèmes de communication à bande de fréquence ultra large (ULB). Trois phases sont nécessaires pour convertir le canal radio en clés secrètes: l'estimation du canal, la quantification et l'accord mutuel entre noeuds. Des expérimentations ont été effectuées pour valider les hypothèses sur lesquelles se fondent les méthodes de génération de clés (c.-à-d. la réciprocité et la décorrélation spatiale du canal). Notre étude a montré que la robustesse de ces techniques de sécurité repose sur le choix des algorithmes de numérisation utilisés pour la conversion de la signature du canal ULB vers un format de clé. Une solution adaptative d'extraction a été proposée, évaluée et testée. La robustesse contre les attaques de prédiction du canal a été également examinée. La deuxième partie traite le problème des intrusions illégitimes aux réseaux sans fil. Dans un premier temps, nous testons expérimentalement une méthode basée sur les variations électromagnétiques afin de détecter l'attaque d'écoute passive "eavesdropping" dans les réseaux de capteurs. Par la suite, nous présentons nos travaux concernant l'attaque relais qui est une variante de l'attaque de l'homme-du-milieu et qui est considérée comme un grand défi en particulier pour les systèmes d'authentification. Une nouvelle approche basée sur la détection de la variation des caractéristiques du bruit a été proposée. Des études théoriques et expérimentales ont été conduites pour vérifier la validité de la proposition dans les systèmes de communication de type RFID. / Security in mobile wireless networks is considered a major impediment since these environments are a collection of low-cost devices. They are generally collected in ad hoc manner without the help of trusted third party. Therefore, conventional security methods are always inappropriate. Recent contributions propose to explore the radio communication interface and to turn the radio propagation problems into advantages by providing new alternatives to enhance security. In this thesis, we investigate the signal-based security concept and study its effectiveness through experiments. The first part of this dissertation discusses the problem of key generation from Ultra Wide Band channel. To derive secret keys from channel measurements three stages are required: channel estimation, quantization and key agreement. A campaign of measurements has been performed to confirm the fundamental channel requirements for key generation (i.e., the reciprocity and the spatial decorrelation). Results show that the robustness of such techniques depends on the channel information used as source of randomness as well as on the underlying algorithms. Analysis on the impact of each stage (i.e. the quantization and the key agreement) on the security has been presented. An adaptive key extraction method is proposed, performances are evaluated and robustness against deterministic channel prediction attacks is presented. The second part of the dissertation considers the problem of intrusion detection. First, we test a method based on electromagnetic radiation to discover the presence of an adversary in the receiver/emitter vicinity. Then, the problem of relay attack detection is investigated in RFID systems. A relay attack is a man-in-the middle attack, where the adversary is able to successfully pass the authentication phase by relaying messages between the legitimate verifier and the prover. A new solution based on the noise channel is proposed to detect this attack. Experimental and theoretical results are provided to test the effectiveness of the new proposition.

Les activités de transport de passagers et de marchandises augmentent sans cesse dans le monde et en particulier dans l'Union Européenne, entre autres au bord des péages. Afin d'améliorer la fluidité et réduire les risques d‘encombrements, une des solutions consiste à rendre les péages plus performants. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la performance des systèmes d'identification de véhicules et de contribuer à la conception d'un système de classification des types de véhicules par ondes électromagnétiques pour application au télépéage. Ce système permet un paiement automatique sans arrêt des véhicules. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude de deux systèmes d'identification de véhicules : RFID UHF et DSRC. Notre recherche s'est focalisée sur l'augmentation de la distance de communication ainsi que sur la réduction de la taille et du prix du système grâce à 5 nouvelles antennes à bas coûts, très directives et faciles à industrialiser. La deuxième partie est consacrée à l'étude d'un système de classification à distance des différents types de véhicules, basé sur les ondes diffusées par les véhicules. Il détecte la présence d'un véhicule et mesure la distance entre ce véhicule et le système avec une bonne précision. Ce système est basé sur la technique de radar Ultra-Large-Bande. Le signal émis est une impulsion monocyle de très courte durée. Dans cette partie, nous proposons et testons trois méthodes de classification de véhicules dans un environnement proche du milieu routier. / The activities of passenger and goods transport are constantly increasing worldwide and especially in the European Union, including the edge of tolls. To improve the fluidity and reduce the risk of congestion, one of the solutions is automatic toll payments. The objective of this thesis is to enhance the performance of vehicle identification systems and to contribute to develop a design of a classification vehicles system by using electromagnetic waves for free-flow electronic toll collection system application. This system allows an automatic payment without stopping vehicles. The first part of this thesis deals with the study of two vehicle identification systems: UHF RFID and DSRC. Five new antennas were realized with the purpose to increase the communication range as well as to reduce the size and cost of the system. They are high gain and easy to be industrialized. The second part of this thesis is devoted to the study of a classification of different types of vehicles from the scattered waves captured by the system. Three methods of vehicle classification are proposed and tested in the road environment. Such system detects the presence of vehicle and measures the distance between vehicle and itself with a good accuracy. The principle of the system is based on Ultra-Wideband radar technology in which transmitting signal with a very short duration pulse is used.