Les avancées technologiques de ces dernières années, combinées au succès avéré et toujours croissant des communications sans fil, ont tout naturellement donné naissance à un nouveau type de réseaux sans fil, communément appelés Body Area networks. A terme, ces réseaux corporels sans fil doivent permettre à un ensemble de senseurs bio-médicaux répartis sur le corps humain de communiquer, soit pour échanger des informations en vue d'un traitement en temps réel du patient, soit pour enregistrer des données physiologiques en vue d'une analyse ultérieure.<p><p>L’objectif de cette Thèse vise la réduction de la consommation énergétique au niveau des senseurs de sorte à leur garantir une autonomie de quelques mois, voire de quelques années. En réponse à cette contrainte énergétique, une association innovante de deux technologies émergentes est proposée, à savoir une combinaison des transmissions à ultra-large bande aux systèmes à multiples antennes. Une nouvelle architecture pour les réseaux corporels sans fil est donc envisagée pour laquelle les performances doivent être évaluées. Notre principale contribution à cet objectif consiste en la proposition d'une modélisation spatio-temporelle complète du canal de transmission dans le cadre de senseurs répartis autour du corps. Cette modélisation fait appel à la définition de nouveaux modèles, l'élaboration d'outils spécifiques d'extraction de paramètres et une compréhension fine des mécanismes de propagation liés à la proximité du corps humain. Ce manuscrit présente les résultats majeurs de nos recherches en cette matière.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les systèmes radio impulsionnelle Ultra large bande (IR-ULB), de part la nature de leurs signaux et de leurs architectures, montrent des caractéristiques intéressantes pour concurrencer les technologies existantes (Zigbee, Bluetooth et RFID) pour certaines applications nécessitant un faible coût et une faible consommation de puissance. Dans ce contexte cette thèse évalue les potentialités des systèmes IR-ULB pour la réalisation d’objets communicants miniatures.En utilisant une technologie "System In Package" (SiP), des objets communicants ULB prototype intégrant une ou plusieurs puces CMOS et une antenne ULB directement réalisée sur le boîtier sont présentés dans la thèse. Les transitions entre le circuit imprimé et les puces sont réalisées avec des fils d'interconnexion ("wirebonding"). Les points d'étude de la thèse se focalisent particulièrement sur la mise en boîtier d'une puce ULB et sur la conception sur silicium de la tête radio fréquence d'un système ULB. La réalisation d'une interconnexion faible cout par "wirebonding" entre un circuit intégré ULB et son support est problématique aux fréquences utilisées en ULB (3-10 GHz) en raison des éléments parasites importants limitant sa bande passante. Pour obtenir une transition ne dégradant pas les signaux ULB, plusieurs méthodologies d’interfaçage sont proposées permettant de réaliser sans augmentation notable de cout une transition large bande entre le circuit intégré et le circuit imprimé du boîtier. L'intégration en technologie CMOS standard des éléments principaux constituant la tête radio fréquence d'un système ULB impulsionnel (LNA, détecteur d'impulsions et générateurs d'impulsions) est étudiée. L'intérêt d'un co-design entre le silicium et le circuit imprimé lors de la conception de ces éléments est mis en avant. L'intégration ainsi que la miniaturisation du système final dans une technologie SIP sont également présentées. / Due to the nature of their signals and their architectures, Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) systems show interesting features to compete with existing technologies (Zigbee, Bluetooth and RFID UHF) for low cost and low power applications. In this context, this thesis evaluates the potential of UWB systems for the realization of miniature communication devices.The thesis presents UWB communicating devices realized with a System in Package (SiP) technology. Devices incorporate one or several CMOS chips and an antenna directly printed on the board (PCB). Transitions between the PCB and the chips are made with standard wire bonds. The thesis especially focuses on packaging of UWB dice and on the design of UWB front end radio frequency.Due to important parasitic elements limiting its bandwidth, wire bonds transition is problematic for UWB applications (3-10 GHz). This thesis proposes several methodologies to interface integrated circuit and PCB to obtain a broadband transition without increasing cost production. The integration in standard CMOS technology of main components comprising the UWB radio frequency front end (LNA, pulse detector and pulse generator) is studied. The interest of a co-design between silicon and PCB to design these elements is pointed up. Integration and miniaturization of the final system in a SIP technology are also presented.

Les circuits de récupération d'horloge et de données sont nécessaires au bon fonctionnement de plusieurs systèmes de communication sans fil. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse concernent le développement de ces circuits avec d'une part la réalisation, en technologie HCMOS9 0,13 μm de STMICROELECTRONICS, de circuits CDR analogiques à 1 et 54 Mbit/s, et d'autre part, la mise en œuvre de fonctions CDR numériques programmables à bas débit. Un circuit CDR fonctionnant à plus bas débit (1 Mbit/s) a été conçu dans le cadre de la gestion d'énergie d'un récepteur ULB impulsionnel non cohérent. Ces deux structures ont été réalisées à l'aide de PLL analogiques du 3ème ordre. Un comparateur de phase adapté aux impulsions issues du détecteur d'énergie a été proposé dans cette étude. Les circuits ont ensuite été dimensionnés dans le but d'obtenir de très bonnes performances en termes de jitter et de consommation. En particulier, les performances mesurées (sous pointes) du circuit CDR à 1 Mbit/s permettent d'envisager une gestion d'énergie efficace (réduction de plus de 97% de la consommation du récepteur). Dans le cadre d'une chaîne de télémesure avion vers sol, deux circuits CDR numériques ont également été réalisés durant cette thèse. Une PLL numérique du second degré a été implémentée en vue de fournir des données et une horloge synchrone de celles-ci afin de piloter une chaîne SOQPSK entièrement numérique. Un circuit ELGS a également mis au point pour fonctionner au sein d'un récepteur PCM/FM. / Clock and data recovery circuits are required in many wireless communication systems. This thesis is about development of such circuits with: firstly, the realization, in HCMOS9 0.13 μm of STMICROELECTRONICS technology, of 1 and 54 Mb/s analog CDR circuits, and secondly, the implementation of programmable digital circuits at low rates. In the aim of an impulse UWB transceiver dealing with video transmission, a CDR circuit at 54 Mb/s rate has been realized to provide clock signal synchronously with narrow pulses (their duration is about a few nanoseconds) from the energy detector. Another CDR circuit has been built at 1 Mb/s rate in a non-coherent IR- UWB receiver power management context. Both circuits have been implemented as 3rd order analog PLL. In this work, a phase comparator suitable for “RZ low duty cycle” data from the energy detector has been proposed. Circuits have been sized to obtain very good performances in terms of jitter and power consumption. Particularly, measured performances of the 1 Mb/s CDR circuit allow to plan an efficient power management (a decrease of more than 97% of the receiver total power consumption). In the context of a telemetry system from aircraft to ground, two digital CDR circuits have also been implemented. A second order digital PLL has been adopted in order to provide synchronous clock and data to an SOQPSK digital transmitter. Also, a digital ELGS circuit has been proposed to work in a PCM/FM receiver. For both CDR structures, the input signal rate is programmable and varies globally from 1 to 30 Mb/s.

Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser la technologie ULB pour établir un nouveau système de communication haut débit Radio Impulsionnelle (IR-ULB), basé sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation) et les formes d'ondes orthogonales MGF (Modified Gegenbaeur Function). Ce système est dédié aux applications sans fil à courte portée, notamment les communications multimédia et le transport intelligent (ITS). Les modulations M-OAM proposées, sont évaluées sous le canal AWGN et les canaux ULB à trajets multiples à savoir IEEE.802.15.3a et IEEE.802.15.4a. Les résultats de simulation montrent que la performance du système proposé, en terme de taux d'erreur binaire (BER), est du même ordre que celle des modulations ULB traditionnelles. En outre, les modulations M-OAM offrent un très haut débit de données avec une faible complexité d'implémentation. En effet, la conception d'un tel système doit certes fournir un très haut débit mais aussi servir un grand nombre d'utilisateurs simultanément avec une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d'accès multiple DS-MGF-OAM est proposée. Ce système multi-utilisateur fait usage de la technique DS-ULB et l'orthogonalité des impulsions MGF pour permettre une communication efficace avec un nombre maximal d'utilisateurs. Néanmoins, l'effet de trajets multiples réduit la qualité de la transmission. Ainsi, la contribution de deux architectures de réception dans l'amélioration des performances est étudiée, à savoir le récepteur RAKE et l'égaliseur MMSE (Minimum Mean Square Error). Cette étude montre que le système de communication M-OAM offre de bonnes performances en terme de qualité de services (QoS). Après l'étape de simulation, les résultats expérimentaux des systèmes proposés dans les environnements réelles sont analysés et discutés. Dans la dernière partie de ce document, nous avons réalisé un prototype de traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, offrant des temps de calcul à 3GHz grâce à des algorithmes parallélisables sur des architectures re-configurables. / In this thesis, we propose to use the UWB technology to establish a new communications system Impulse Radio (IR-UWB), based on a new modulation scheme called M-OAM (Orthogonal M-Amplitude Modulation) and orthogonal waveforms MGF (Modified Gegenbauer Function). This system is dedicated to the short-range wireless applications, especially multimedia communications and intelligent transportation (ITS). The proposed modulations M-OAM, are evaluated under the AWGN channel and UWB multipath channel namely IEEE.802.15.3a and IEEE.802.15.4a. Simulation results show that the performance of the proposed system in terms of bit error rate (BER) is the same as that of traditional UWB modulations. In addition, M-OAM modulations offer the highest data rate with low complexity of implementation. Indeed, the design of a such system should certainly provide a very high speed but also serve a large number of concurrent users with good quality of service. In this context, a new multiple access technique DS-MGF-OAM is proposed. This multi-user system makes use of the DS-UWB technology and orthogonal pulses MGF to enable effective communication with a maximum number of users. However, the multi-path effect reduces the quality of the transmission. Thus, the contribution of two receiver architectures in performance improvement is studied, namely the RAKE receiver and MMSE (Minimum Mean Square Error) equalizer. This study shows that the M-OAM communication system offers good performance in terms of quality of service (QoS). Following the simulation step, the experimental results of the proposed systems in real environments are analyzed and discussed. In the last part of this document, we performed a real-time protoptype on an FPGA platform, offering calculation time of 3GHz through parallelizable algorithms on reconfigurable architectures.

Dans ce travail de thèse, nous présentons nos travaux qui portent sur l’identification des cibles en général par un radar Ultra-Large Bande (ULB) et en particulier l’identification des cibles dont la surface équivalente radar est faible telles que les piétons et les cyclistes. Ce travail se décompose en deux parties principales, la détection et la reconnaissance. Dans la première approche du processus de détection, nous avons proposé et étudié un détecteur de radar ULB robuste qui fonctionne avec des données radar 1-D (A-scan) à une dimension. Il exploite la combinaison des statistiques d’ordres supérieurs et du détecteur de seuil automatique connu sous le nom de CA-CFAR pour Cell-Averaging Constant False Alarm Rate. Cette combinaison est effectuée en appliquant d’abord le HOS sur le signal reçu afin de supprimer une grande partie du bruit. Puis, après avoir éliminé le bruit du signal radar reçu, nous implémentons le détecteur de seuil automatique CA-CFAR. Ainsi, cette combinaison permet de disposer d’un détecteur de radar ULB à seuil automatique robuste. Afin d’améliorer le taux de détection et aller plus loin dans le traitement, nous avons évalué l’approche des données radar 2-D (B-Scan) à deux dimensions. Dans un premier temps, nous avons proposé une nouvelle méthode de suppression du bruit, qui fonctionne sur des données B-Scan. Il s’agit d’une combinaison de WSD et de HOS. Pour évaluer les performances de cette méthode, nous avons fait une étude comparative avec d’autres techniques de suppression du bruit telles que l’analyse en composantes principales, la décomposition en valeurs singulières, la WSD, et la HOS. Les rapports signal à bruit -SNR- des résultats finaux montrent que les performances de la combinaison WSD et HOS sont meilleures que celles des autres méthodes rencontrées dans la littérature. A la phase de reconnaissance, nous avons exploité les données des deux approches à 1-D et à 2-D obtenues à partir du procédé de détection. Dans la première approche à 1-D, les techniques SVM et le DBN sont utilisées et évaluées pour identifier la cible en se basant sur la signature radar. Les résultats obtenus montrent que la technique SVM donne de bonnes performances pour le système proposé où le taux de reconnaissance global moyen atteint 96,24%, soit respectivement 96,23%, 95,25% et 97,23% pour le cycliste, le piéton et la voiture. Dans la seconde approche à 1-D, les performances de différents types d’architectures DBN composées de différentes couches ont été évaluées et comparées. Nous avons constaté que l’architecture du réseau DBN avec quatre couches cachées est meilleure et la précision totale moyenne peut atteindre 97,80%. Ce résultat montre que les performances obtenues avec le DBN sont meilleures que celles obtenues avec le SVM (96,24%) pour ce système de reconnaissance de cible utilisant un radar ULB. Dans l’approche bidimensionnelle, le réseau de neurones convolutifs a été utilisé et évalué. Nous avons proposé trois architectures de CNN. La première est le modèle modifié d’Alexnet, la seconde est une architecture avec les couches de convolution arborescentes et une couche entièrement connectée, et la troisième est une architecture avec les cinq couches de convolution et deux couches entièrement connectées. Après comparaison et évaluation des performances de ces trois architectures proposées nous avons constaté que la troisième architecture offre de bonnes performances par rapport aux autres propositions avec une précision totale moyenne qui peut atteindre 99,59%. Enfin, nous avons effectué une étude comparative des performances obtenues avec le CNN, DBN et SVM. Les résultats montrent que CNN a les meilleures performances en termes de précision par rapport à DBN et SVM. Cela signifie que l’utilisation de CNN dans les données radar bidimensionnels permet de classer correctement les cibles radar ULB notamment pour les cibles à faible SER et SNR telles que les cyclistes ou les piétons. / In this thesis work, we focused on the study and development of a system identification using UWB-Ultra-Wide-Band short range radar to detect the objects and particularly the vulnerable road users (VRUs) that have low RCS-Radar Cross Section- such as cyclist and pedestrian. This work is composed of two stages i.e. detection and recognition. In the first approach of detection stage, we have proposed and studied a robust UWB radar detector that works on one dimension 1-D radar data ( A-scan). It relies on a combination of Higher Order Statistics (HOS) and the well-known CA-CFAR (Cell-Averaging Constant False Alarm Rate) detector. This combination is performed by firstly applying the HOS to the received radar signal in order to suppress the noise. After eliminating the noise of the received radar signal, we apply the CA-CFAR detector. By doing this combination, we finally have an UWB radar detector which is robust against the noise and works with the adaptive threshold. In order to enhance the detection performance, we have evaluated the approach of using two dimensions 2-D (B-Scan) radar data. In this 2-D radar approach, we proposed a new method of noise suppression, which works on this B-Scan data. The proposed method is a combination of WSD (Wavelet Shrinkage Denoising) and HOS. To evaluate the performance of this method, we performed a comparative study with the other noise removal methods in literature including Principal Component Analysis (PCA), Singular Value Decomposition (SVD), WSD and HOS. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the final result has been computed to compare the effectiveness of individual noise removal techniques. It is observed that a combination of WSD and HOS has better capability to remove the noise compared to that of the other applied techniques in the literature; especially it is found that it allows to distinguish efficiency the pedestrian and cyclist over the noise and clutters whereas other techniques are not showing significant result. In the recognition phase, we have exploited the data from the two approaches 1-D and 2-D, obtained from the detection method. In the first 1-D approach, Support Vector Machines (SVM) and Deep Belief Networks (DBN) have been used and evaluated to identify the target based on the radar signature. The results show that the SVM gives good performances for the proposed system where the total recognition accuracy rate could achieve up to 96,24%. In the second approach of this 1-D radar data, the performance of several DBN architectures compose of different layers have been evaluated and compared. We realised that the DBN architecture with four hidden layers performs better than those of with two or three hidden layers. The results show also that this architecture achieves up to 97.80% of accuracy. This result also proves that the performance of DBN is better than that of SVM (96.24%) in the case of UWB radar target recognition system using 1-D radar signature. In the 2-D approach, the Convolutional Neural Network (CNN) has been exploited and evaluated. In this work, we have proposed and investigated three CNN architectures. The first architecture is the modified of Alexnet model, the second is an architecture with three convolutional layers and one fully connected layer, and the third is an architecture with five convolutional layers and two fully connected layers. The performance of these proposed architectures have been evaluated and compared. We found that the third architecture has a good performance where it achieves up to 99.59% of accuracy. Finally, we compared the performances obtained using CNN, DBN and SVM. The results show that CNN gives a better result in terms of accuracy compared to that of DBN and SVM. It allows to classify correctly the UWB radar targets like cyclist and pedestrian.

Le développement croissant des systèmes de communication sans fil pour des applications médicales (imagerie), radar (surveillance, détection, localisation), radiomobiles (navigation, sur- veillance) et réseaux (WLAN,WPAN) nécessite l'introduction de nouvelles technologies. Depuis peu, un intérêt particulier s'est porté sur des applications courtes distances, très hauts débits (supérieurs à 100 Mbit/s), multi-utilisateurs et faible puissance (inférieure à 1 mW). Dans ce contexte, la technologie Ultra-Large Bande (ULB ou UWB) a récemment attiré l'attention de la communauté scientifique et des industriels. Alors que les technologies bande étroite sont fondées sur une étude dans le domaine fréquentiel, la technologie ULB se prête mieux à une étude dans le domaine temporel puisqu'elle utilise des signaux temporels très brefs, de spectre extrêmement large, de grande période de répétition et de faible puissance. Le développement de cette approche, considérée comme une évolution majeure des technologies traditionnelles bande étroite, induit des problématiques nouvelles au sein d'environnements intra-bâtiment. Ces problématiques nécessitent la réalisation préalable d'études approfondies de modélisation et de caractérisation du canal de propagation pour dimensionner les paramètres du système de transmission.<br />Dans le cadre de l'élaboration d'outils de prédiction déterministe de la propagation à l'in-<br />térieur de bâtiments, entrepris à l'ESYCOM (Marne-La-Vallée) en bande étroite et à l'IETR<br />(Rennes) en ultra-large bande, nous avons cherché à développer une documentation précise<br />associée aux comportements de deux éléments du canal de propagation, les matériaux et les<br />antennes ; l'implémentation de cette documentation dans les simulateurs de canal nécessitera<br />encore un peu de temps. Notre travail a consisté à développer deux modules particulièrement<br />originaux traitant, dans les domaines fréquentiel et temporel, de modélisations analytique et<br />numérique, ainsi que de la caractérisation des matériaux et des antennes à l'aide de bancs de<br />mesure spéciÞquement réalisés. La spéciÞcité des études conduites tient à la modélisation des<br />réponses de ces éléments dans le domaine temporel; notamment, nous avons montré que l'ex-<br />citation d'un matériau par une impulsion génère des échos successifs déformés et atténués dont<br />l'allure dépend de sa structure (porosité, dimension des grains,...) et des conditions initiales<br />(température, humidité, ...). Aussi, l'excitation d'une antenne de type résonante produit des<br />signaux, qui au premier ordre, ont l'allure de la dérivée du signal incident mais ayant subi une<br />distorsion qui dépend de l'angle d'observation. Ainsi, nous avons remarqué que la largeur de<br />l'impulsion d'excitation influe non seulement sur l'allure des impulsions rayonnées dans l'espace,<br />mais aussi sur la direction du maximum de rayonnement. Cette propriété remarquable permet<br />d'envisager la focalisation d'une antenne ULB dans une direction particulière en modifiant la<br />durée et la forme de l'impulsion d'excitation. En prévision de l'analyse des trajets multiples d'un canal de propagation ultra-large bande, nous avons abordé leur identiÞcation à l'aide d'al-<br />gorithmes Haute Résolution (HR) en considérant le canal généré par un matériau du bâtiment.<br />Les algorithmes, MUSIC modiÞé et Faisceau de matrices, sont fondés sur l'analyse spectrale<br />paramétrique des données et prennent en compte la dispersion fréquentielle. Ils ont permis de<br />reconstruire la réponse impulsionnelle de matériaux caractérisés en réflexion.<br />La modélisation d'une chaîne de transmission a été de plus abordée dans le cadre d'études de<br />faisabilité du projet "internet-pêche" qui vise à doter des ßotilles de pêche de longueur inférieure<br />à 25 mètres d'une connexion internet par liaison sans Þl aux fréquences MF-HF ([2 ; 30] MHz).<br />Une modélisation statistique de la surface de la mer, remuée par le vent, pour un profil de relief<br />sous-marin donné, a été proposée. Puis, nous avons implémenté le modèle de propagation du<br />terrain irrégulier afin de rendre compte de la présence d'ondes de sol se propageant sur une<br />surface de mer considérée comme rugueuse.

Nombre d'applications récentes trouvent leur fondement dans une capacité présumée des systèmes de communication à délivrer des informations précises de localisation. Dans ce contexte, les propriétés intrinsèques de la technologie radio impulsionnelle Ultra-Large Bande (ULB) peuvent être mises à profit : résolution des trajets multiples, précision temporelle autorisant la mesure de temps de vol et la synchronisation fine des terminaux, etc. Les solutions ULB laissent par ailleurs présager l'émergence de réseaux d'un nouveau genre, tels que les réseaux ad hoc, mobiles, distribués et dépourvus d'infrastructure. Dans le cadre de l'élaboration du standard WPAN bas-débit IEEE 802.15.4a (jusqu'à 1Mbps), la possibilité de localiser des dispositifs ULB bas-coût et à faible consommation constitue un apport déterminant au regard des solutions existantes (e.g. Zigbee...). Les travaux présentés se proposent d'appréhender dans sa globalité la problématique de localisation ULB au sein des réseaux sans-fil. Quelques idées-forces sont alors mises en lumière, telles que la nécessité d'injecter une forme de connaissance a priori propre à la couche physique ULB dans le problème de localisation, la mise à profit de la diversité multi-trajets autorisée par la résolution ULB, ou bien encore l'exploitation des formes nouvelles adoptées par les réseaux (tant du point de vue du protocole que de la topologie). Dans un premier temps, nous caractérisons et modélisons les erreurs susceptibles d'affecter des métriques de base (temps ou différences de temps d'arrivée), qu'elles soient « indépendantes » de la couche physique (dérives d'horloge, modes d'échange, etc.) ou directement imputables au canal de propagation ULB (e.g. non-visibilité). Nous évaluons ensuite les performances de détection d'architectures de récepteurs ULB (e.g. échantillonnage direct sur 1 bit) pour des environnements indoor réalistes. Nous préconisons également différentes stratégies de positionnement (maximisation distribuée de la log-vraisemblance des distances mesurées, reconnaissance d'empreintes ULB, traitement déterministe des biais dans le cas de trajets réfractés, etc.) et de poursuite (techniques Bayésiennes avancées de filtrage), adaptées aux situations de non-visibilité. Enfin, quelques résultats d'expérimentations conduites dans la bande basse ([0.5:1]GHz) nous permettent d'illustrer certains des points abordés.

L'engouement du grand public pour les objets communicants et l'évolution des technologies a entraîné le besoin de transférer des quantités grandissantes d'informations en un minimum de temps. L'arrivée de l'UWB à la fin des années 90 a apporté aux communications sans fil une solution à cette problématique. L'UWB permet en effet d'atteindre de très hauts débits de transmission sur de courtes distances dans des environnements intra-bâtiment. Parmi les solutions envisagées pour cette nouvelle couche physique très haut débit, le système MB-OFDM répond bien aux contraintes environnementales. L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier et de proposer une amélioration du système MB-OFDM.<br /><br />Après la présentation du système MB-OFDM et de ses performances, nous proposons une nouvelle forme d'onde pour l'UWB nommée LP-OFDM. Elle est obtenue en ajoutant au système MB-OFDM une fonction de précodage linéaire combinant avantageusement l'OFDM et la technique d'étalement de spectre. L'utilisation du précodage linéaire permet une meilleure exploitation de la diversité fréquentielle du canal. Il offre également une plus grande granularité dans le choix des débits, augmentant ainsi la flexibilité du système. Il est important de souligner que l'ajout de la fonction de précodage linéaire s'accompagne d'une augmentation minime de la complexité du système.<br /><br />Des techniques d'optimisation du système sont proposées. Afin de minimiser l'interférence entre les codes d'étalement, une technique reposant sur l'allocation des séquences d'étalement est décrite et un critère de sélection proposé. Nous avons également mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre le rendement de codage et la longueur des séquences d'étalement afin de tirer au mieux partie de la diversité du canal tout en limitant l'interférence entre les codes. Une amélioration notable des performances du système LP-OFDM est ainsi obtenue par rapport au système MB-OFDM. Le système LP-OFDM étendu au cas du MIMO utilisant un codage temps-espace d'Alamouti est également étudié. Les résultats obtenus montrent là encore une amélioration significative des performances permettant d'envisager une augmentation de la portée ou des débits de transmission.<br /><br />Enfin, l'impact d'un interférent à bande étroite de type WiMAX sur les performances du système LP-OFDM est étudié comparativement au système MB-OFDM. Il en ressort que le système LP-OFDM est plus robuste que le système MB-OFDM face à un brouilleur. L'utilisation du précodage linéaire permet en effet d'étaler la puissance du signal interférent en réception lors du déprécodage linéaire.

La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB) est une technologie de communication relativement récente, qui apporte une solution intéressante au problème de l’encombrement du spectre RF, et qui répond aux exigences de haut débit et localisation précise d’un nombre croissant d’applications, telles que les communications indoor, les réseaux de capteurs personnels et corporels, l’IoT, etc. Ses caractéristiques uniques sont obtenues par la transmission d’impulsions de très courte durée (inférieure à 1 ns), occupant une largeur de bande allant jusqu’à 7,5 GHz, et ayant une densité spectrale de puissance extrêmement faible (inférieure à -43 dBm/MHz). Les meilleures performances d’un système IR-UWB sont obtenues avec des récepteurs cohérents de type Rake, au prix d’une complexité accrue, due notamment à l’étape d’estimation du canal UWB, caractérisé par de nombreux trajets multiples. Cette étape de traitement nécessite l’estimation d’un ensemble de composantes spectrales du signal reçu, sans pouvoir faire appel aux techniques d’échantillonnage usuelles, en raison d’une limite de Nyquist particulièrement élevée (plusieurs GHz).Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de nouvelles approches, à faible complexité, pour l’estimation du canal UWB, basées sur la représentation parcimonieuse du signal reçu, la théorie de l’acquisition compressée, et les méthodes de reconstruction des signaux à taux d’innovation fini. La réduction de complexité ainsi obtenue permet de diminuer de manière significative le coût d’implémentation du récepteur IR-UWB et sa consommation. D’abord, deux schémas d’échantillonnage compressé, monovoie (filtre SoS) et multivoie (MCMW) identifiés dans la littérature sont étendus au cas des signaux UWB ayant un spectre de type passe-bande, en tenant compte de leur implémentation réelle dans le circuit. Ces schémas permettent l’acquisition des coefficients spectraux du signal reçu et l’échantillonnage à des fréquences très réduites ne dépendant pas de la bande passante des signaux, mais seulement du nombre des trajets multiples du canal UWB. L’efficacité des approches proposées est démontrée au travers de deux applications : l’estimation du canal UWB pour un récepteur Rake cohérent à faible complexité, et la localisation précise en environnement intérieur dans un contexte d’aide à la dépendance.En outre, afin de réduire la complexité de l’approche multivoie en termes de nombre de voies nécessaires pour l’estimation du canal UWB, nous proposons une architecture à nombre de voies réduit, en augmentant le nombre d’impulsions pilotes émises.Cette même approche permet aussi la réduction de la fréquence d’échantillonnage associée au schéma MCMW. Un autre objectif important de la thèse est constitué par l’optimisation des performances des approches proposées. Ainsi, bien que l’acquisition des coefficients spectraux consécutifs permette une mise en oeuvre simple des schémas multivoie, nous montrons que les coefficients ainsi choisis, ne donnent pas les performances optimales des algorithmes de reconstruction. Ainsi, nous proposons une méthode basée sur la cohérence des matrices de mesure qui permet de trouver l’ensemble optimal des coefficients spectraux, ainsi qu’un ensemble sous-optimal contraint où les positions des coefficients spectraux sont structurées de façon à faciliter la conception du schéma MCMW. Enfin, les approches proposées dans le cadre de cette thèse sont validées expérimentalement à l’aide d’une plateforme expérimentale UWB du laboratoire Lab-STICC CNRS UMR 6285. / Ultra-wideband impulse radio (IR-UWB) is a relatively new communication technology that provides an interesting solution to the problem of RF spectrum scarcity and meets the high data rate and precise localization requirements of an increasing number of applications, such as indoor communications, personal and body sensor networks, IoT, etc. Its unique characteristics are obtained by transmitting pulses of very short duration (less than 1 ns), occupying a bandwidth up to 7.5 GHz, and having an extremely low power spectral density (less than -43 dBm / MHz). The best performances of an IR-UWB system are obtained with Rake coherent receivers, at the expense of increased complexity, mainly due to the estimation of UWB channel, which is characterized by a large number of multipath components. This processing step requires the estimation of a set of spectral components for the received signal, without being able to adopt usual sampling techniques, because of the extremely high Nyquist limit (several GHz).In this thesis, we propose new low-complexity approaches for the UWB channel estimation, relying on the sparse representation of the received signal, the compressed sampling theory, and the reconstruction of the signals with finite rate of innovation. The complexity reduction thus obtained makes it possible to significantly reduce the IR-UWB receiver cost and consumption. First, two existent compressed sampling schemes, single-channel (SoS) and multi-channel (MCMW), are extended to the case of UWB signals having a bandpass spectrum, by taking into account realistic implementation constraints. These schemes allow the acquisition of the spectral coefficients of the received signal at very low sampling frequencies, which are not related anymore to the signal bandwidth, but only to the number of UWB channel multipath components. The efficiency of the proposed approaches is demonstrated through two applications: UWB channel estimation for low complexity coherent Rake receivers, and precise indoor localization for personal assistance and home care.Furthermore, in order to reduce the complexity of the MCMW approach in terms of the number of channels required for UWB channel estimation, we propose a reduced number of channel architecture by increasing the number of transmitted pilot pulses. The same approach is proven to be also useful for reducing the sampling frequency associated to the MCMW scheme.Another important objective of this thesis is the performance optimization for the proposed approaches. Although the acquisition of consecutive spectral coefficients allows a simple implementation of the MCMW scheme, we demonstrate that it not results in the best performance of the reconstruction algorithms. We then propose to rely on the coherence of the measurement matrix to find the optimal set of spectral coefficients maximizing the signal reconstruction performance, as well as a constrained suboptimal set, where the positions of the spectral coefficients are structured so as to facilitate the design of the MCMW scheme. Finally, the approaches proposed in this thesis are experimentally validated using the UWB equipment of Lab-STICC CNRS UMR 6285.

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. / Due to the shared nature of wireless medium, wireless communications are more vulnerable to security threats. In my PhD work, I focused on two types of threats: relay attacks and jamming. UWB-IR physical layer technology has seen a great development during the last decade which makes it a promising candidate for short range wireless communications. My main goal was to exploit UWB-IR physical layer characteristics in order to reinforce security of wireless communications. By the simple way of signal relaying, the adversary can defeat wireless authentication protocols. The first countermeasure proposed to thwart these relay attacks was distance bounding protocol. The concept of distance bounding relies on the combination of two sides: an authentication cryptographic side and a distance checking side. In this context, I propose two new distance bounding protocols that significantly improve the security of existing distance bounding protocols by means of UWB-IR physical layer parameters. The first protocol called STHCP is based on using secret time-hopping codes. Whereas, the second called SMCP is based on secret mapping codes. Security analysis and comparison to the state of the art highlight various figures of merit of my proposition. Jamming consists in the emission of noise over the channel while communication is taking place and constitutes a major problem to the security of wireless communications. In a first contribution, I have determined worst case Gaussian noise parameters (central frequency and bandwidth) against UWB-IR communication employing PPM modulation and a non-coherent receiver. The metric considered for jammer optimization is the signal-to-jamming ratio at the output of the receiver. In a second contribution, I propose a new jamming model by analogy to attacks against ciphering algorithms. The new model leads to distinguish various jamming scenarios ranging from the best case to the worst case. Moreover, I propose a modification of the UWB-IR physical layer which allows to restrict any jamming problem to the most favorable scenario. The modification is based on using a cryptographic modulation depending on a stream cipher. The new radio has the advantage to combine the resistance to jamming and the protection from eavesdropping. Finally, I focused on the problem of security embedding on an existing UWB-IR network. Security embedding consists in adding security features directly at the physical layer and sending them concurrently with data. The embedding mechanism should satisfy a compatibility concern to existing receivers in the network. I propose two new embedding techniques which rely on the superposition of a pulse orthogonal to the original pulse by the form or by the position. Performances analysis reveal that both embedding techniques satisfy all system design constraints.