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Wireless communication in millimetre wave bands, namely above 20 GHz and up to 300 GHz, is foreseen as a key enabler technology for the next generation of wireless systems. The huge available bandwidth is contemplated to achieve high data-rate wireless communications, and hence, to fulfil the requirements of future wireless networks. In this paper, we discuss and illustrate new paradigms for the sub-THz physical layer, which either aim at maximizing the spectral efficiency, minimizing the device complexity, or finding good tradeoff. The solutions offered by appropriate modulation schemes and multi-antenna systems are assessed based on various potential scenarios.

Wireless Terabits per second (Tbps) link is needed for the new emerging data-hungry applications in Beyond 5G (B5G) (e.g., high capacity broadband, enhanced hotspot, three Dimensional (3D) extended reality, etc.). Besides, the sub-THz/THz bands are the next frontier for B5G due to scarce sub-GHz spectrum, and insufficient bandwidth for wireless Tbps link in 5G millimeter Wave (mmWave) bands. Even though a wider bandwidth and large-scale Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) are envisioned at sub-THz bands, but the system and waveform design should consider the channel characteristics, technological limitations, and high Radio Frequency (RF) impairments. Based on these challenges, we proposed to use an energy-efficient low order single carrier modulation accompanied by spectral-efficient Index Modulation (IM) with MIMO. Firstly, MIMO Spatial Multiplexing (SMX) and spatial IM domain (e.g. Generalized Spatial Modulation (GSM)) are explored, where we reduced their optimal detection complexity by 99% and the high-spatial correlation effect on GSM. Besides, we proposed Dual-Polarized Generalized Spatial Modulation (DP-GSM) that provides higher Spectral Efficiency (SE) via multi-dimensional IM and helps with the latter problem. We derived the theoretical performance of DP-GSM, and all these potential candidates are assessed in sub-THz environment. We also proposed a novel IM domain, called filter IM domain, that generalizes most existing Single-Input Single-Output (SISO)-IM schemes. Within the filter IM domain, we proposed two novel schemes: Filter Shapes Index Modulation (FSIM) and In-phase and Quadrature Filter Shape Index Modulation (IQ-FSIM) to enhance system SE and Energy Efficiency (EE) through indexation of the filters in the bank. In addition, their optimal low complexity detectors and their specialized equalization techniques are designed. Starving for further SE and EE improvement, this filter IMdomain is exploited inMIMO.Besides, we theoretically characterized the performance of FSIM, IQ-FSIM, and Spatial Multiplexing with Filter Shape Index Modulation (SMX-FSIM) systems. To conclude, the proposed SMX-FSIM is compared in sub-THz environment to the previously considered candidates. The results confirm that SMX-FSIM is the most promising solution for low-power wireless Tbps B5G system due to its high SE/EE, robustness to RF impairments, low power consumption, feasible complexity, and low-cost with a simple linear receiver. Finally, the challenging filter bank design problem imposed by the filter IM domain is tackled by optimization to achieve better results.; Pour les futures applications de l’après 5G, qui seront très gourmandes en données, des communications sans fils de l’ordre du Térabits/s sont envisagées. Pour atteindre ce niveau de débit, il faudra disposer d’une grande largeur de bande. Comme le spectre est déjà saturé autour de 6 GHz, il est envisagé d’utiliser la bande sous-THz (90-200GHz). Les formes d’ondes doivent être étudiées en prenant en compte les caractéristiques des canaux à ces fréquences, les limitations technologiques, la sensibilité aux défauts RF (bruit de phase, par exemple). Nous avons donc proposé d’étudier une modulation monoporteuse très efficace énergétiquement, puis d’accroitre son efficacité spectrale par des techniques d’indexation et des techniques MIMO.Dans un premier temps les techniques MIMO multiplex spatial et spatial Index Modulation (GSM) sont étudiées. En particulier des détecteurs réduisant la complexité de 99% sont proposés. La très forte corrélation spatiale du GSM est aussi étudiée et des solutions pour en diminuer l’effet sont proposées. Une modulation d’index dans le domaine de la polarisation et spatiale est aussi proposée pour augmenter l’efficacité spectrale.Dans un second temps, nous proposons un nouveau domaine pour l’indexation : le domaine filtre. Ce domaine généralise la plupart des schémas de modulation d‘Index existants. Dans ce domaine filtre, nous avons proposé deux nouvelles modulations d’index : la modulation d’index de filtre de mise en forme (FSIM) et sa version en phase et en quadrature (I/Q-FSIM). Une version MIMO de ces modulations est aussi proposée. Différents détecteurs sont proposés, ainsi que des techniques d’égalisation. Les performances théoriques de ces modulations sont développées et validées par des simulations. Ces modulations nécessitent de définir des bancs de filtres avec de fortes contraintes. Deux solutions sont proposées pour résoudre ce challenge, qui font partie des perspectives de cette thèse. Tous nos résultats confirment que la modulation FSIM MIMO offre un gain considérable par rapport aux modulations de l’état de l’art et permet d’atteindre le Térabits/s dans les canaux sous-THz.