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This thesis is dedicated to the study of a new type of planar antenna with beam agility called ARMA (Agile Radiating Matrix Antenna) developed at XLIM. This antenna is designed by the joint arrangement of "pixels": small cavities closed by a semi-reflective surface. A rigorous approach is carried out to position this new antenna on the electromagnetic plane. New capabilities have been studied and validated such as wide bandwidth, high gain, creation of holes in the wide bandwidth and strong beamsteering by pushing the pixelization lobes outside the wide operating band., Ce mémoire est consacré à approfondir un nouveau type d’antenne planaire à agilité de faisceau appelé MARPEM (Matrice Agile Rayonnante à Pixels Élaborés en Métamatériaux) développé à XLIM. Cette antenne est conçue par l’agencement jointif de « pixels » : petites cavités fermées par une surface semi-réfléchissante. Une approche rigoureuse est réalisée pour positionner cette nouvelle antenne sur le plan électromagnétique. Des nouvelles capacités ont été étudiées et validées comme la large bande passante, le grand gain, la création des trous dans la large bande et les forts dépointages en repoussant les lobes de pixellisation en dehors de la large bande de fonctionnement.

Wireless Sensor Network (WSN) is the set of elements called micro-sensors able to collect data and transmit it via wireless links. In recent years and with the development of hardware elements such as CMOS cameras, the integration of multimedia content has become possible in the WSNs, that leds to the development of Wireless Multimedia Sensor Network (WMSN). The WMSNs requires short-range and high-speed wireless links that support the transmission of multimedia contents such as images and videos in indoor environments, which justifies the use of Ultra Wide Band (UWB) wireless transmission technology, more precisely the IEEE 802.15.3c standard. In order to ensure a better image/video transmission with a certain quality of service over UWB IEEE 802.15.3c system, many robust and efficient source encoders are used on our research work like JPEG and SPIHT for image transmission and H.264/AVC for video transmission. Our contributions in this manuscript focus on improving the quality of service (QoS), firstly for the case of image transmission by the application of various adaptive techniques including unequal error protection UEP at the channel encoder side and hierarchical modulation, hybrid modulation and adaptive OFDM modulation at the modulator side. Secondly, and for the case of video transmission, all the techniques previously mentioned have been applied to improve the quality of transmitted videos at the receiver side. In addition, we acted on the choice of the size of the GOP (Group of Pictures) at H.264 /AVC encoder to show the influence of the GOP size during the video transmission on the errors propagation produced by the noisy multi-path channel. The originality of this thesis is to propose effective techniques for the improvement of transmitted multimedia contents quality through UWB IEEE 802.15.3c system, more precisely the audio visual high rate physical layer mode (AV HRP) while keeping a good QoS and minimizing the rate distortion ratio and exploit the characteristics of WMSNs which are widely used to deploy services in IoT multimedia applications., Un réseau de capteurs sans fil (RCSF) ou bien Wireless Sensor Network (WSN) est l’ensemble d’éléments appelés micro-capteurs capable de collecter des données et les transmettre via des liens sans fil. Avec le développement des éléments hardware comme les caméras CMOS, l’intégration des contenus multimédia est devenue possible dans les RCSFs la chose qui a conduit au développement des Réseaux de Capteurs Sans Fil Multimédia (RCSFMs) connu aussi sous le nom de Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs). Les RCSFMs nécessitent généralement des liaisons sans fil à courte portée et à hauts débits qui supportent la transmission des contenus multimédia comme des images et des vidéos dans des environnements internes, ce qui justifie l’usage de la technologie de transmission sans fil Ultra Wide Band (UWB) et plus précisément le standard IEEE 802.15.3c dans nos travaux de recherche, et pour assurer la bonne transmission des contenus multimédia (images/vidéos) avec une certaine qualité de service à travers le système UWB IEEE 802.15.3c, des codeurs de sources robustes et efficaces ont été bien choisi (JPEG et SPIHT pour les images et H.264/AVC pour les vidéos). Nos contributions dans ce manuscrit se focalisent sur l’amélioration de la qualité de service (QoS), en premier lieu pour le cas de transmission d’images, et ce par l’application de diverses techniques adaptatives y compris la protection inégale de données UEP au niveau du codeur canal et les modulations hiérarchique, hybride, OFDM adaptative au niveau du modulateur. En deuxième lieu, et pour le cas d’une source vidéo, toutes les techniques citées précedemment ont été appliquées afin d’améliorer la qualité de vidéos reçues au côté recepteur. De plus, nous avons agit sur le choix de la taille du GOP (Group of Pictures) dans le codeur H.264/AVC pour montrer l’influence de la taille de GOP lors de la transmission d’une vidéo sur la propagation d’erreurs produites par le canal multi-trajets perturbé. L’originalité de cette thèse porte à proposer des techniques performantes pour l’amélioration de la qualité de transmission des flux compressés multimédia à travers un système UWB IEEE 802.15.3c plus spécifiquement, le mode de couche physique Audio Visuel à haut débit (AV HRP) tout en gardant une bonne QoS et minimisant le rapport débit distortion et d’exploiter les caractéristiques des RCSFMs qui sont largement utilisés pour déployer des services dans des applications multimédias IoT.

Detection and ranging with electromagnetic waves (Radar) are used in a number of domains such as aeronautics, automobile or even medecin. In this thesis, we are interested particularly on Radar in the wellness domain for widely use: sleep pattern tracking sensors, smart glasses or white cane with obstacles detection for visually impaired people. The problem, which so far has not been discussed, is to add necessary functionalities as follow to the exciting solution to resolve theses applications: the thoracic and abdominal displacement tracking with a millimetric resolution; and the measurements of arrival direction of backscattered signals from obstacles in front of visually impaired individuals. The technological starting point is the one of Ultra Wideband (UWB) technology, which offers a resolution of approximate one centimeter in the distance measurement within the range of few meters and in the discrimination of backscattered signals from multiple obstacles. To meet these criterias, the research focuses on the backscattering propagation channel in particularly from the human body. It also analyses the techniques in signal processing, aiming to estimate the breathing rate in the backscattered signal of human body, and to estimate the arrival direction to an antenna array to nearly one degree. Finally, it investigates the systematic architecture, especially in the receiver associated with the antenna array, in order to withstand the angular measurement without notably increasing the receiver complexity and consumption., De nos jours, la détection et la mesure de la distance avec les ondes électromagnétiques (Radar) sont utilisées dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique, l’automobile ou bien la médecine. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement au Radar dans le domaine du bien-être pour le grand public : capteur sans contact pour le suivi du sommeil, et lunettes ou canne pour malvoyants pour la détection des obstacles sur la route. Le problème posé dans cette thèse est d’ajouter les fonctionnalités nécessaires suivantes à la solution Radar existante afin de répondre à ces applications : la mesure du rythme respiratoire issu du déplacement de la cage thoracique et de l'abdomen de quelques millimètres pendant la respiration et la mesure de la direction d'arrivée de l'onde électromagnétique rétro-diffusée des obstacles devant le malvoyant. Le contexte technologique de départ est celui de la technologie ultra large bande qui offre une résolution de l’ordre du centimètre pour la mesure de distance à une portée de quelques mètres et la discrimination des signaux rétro-diffusés des multiples obstacles. Suivant les besoins, les travaux décrits ici se sont concentrés sur le canal de propagation en rétro-diffusion sur corps humain. Ils se sont aussi portés sur les techniques de traitement du signal pour pouvoir estimer le rythme respiratoire dans le signal rétro-diffusé du corps humain, et sur l'estimation de la direction d'arrivée de l'onde à un réseau d'antennes avec une résolution au degré près. Enfin, cette thèse aborde l’architecture du système, et notamment du récepteur associé au réseau d'antennes, afin de pouvoir réaliser la mesure angulaire sans augmenter la complexité, le coût et la consommation du récepteur.

International audience; In this paper, a high data rate modulation scheme for impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) communication system using orthogonal waveforms is presented. The proposed M-state Orthogonal Amplitude Modulation (M-OAM) is evaluated under additive White Gaussian noise and indoor multipath channels IEEE.802.15. The simulation results show that the proposed system performance, in term of bit error rate (BER), is of the same order as that of the traditional UWB modulation. In addition, the M-OAM modulations provide a high data rate for short range wireless applications. Nevertheless, the multipath effect reduces the quality of transmission. Thus, the performances of three receiver architectures, that employ different pulse combining schemes, are investigated. Namely, a conventional matched filter receiver, a RAKE receiver and a minimum mean square error equalizer are considered. This study shows that the proposed M-OAM communication system offers good performances in term of quality of services, channel capacity and BER.

This thesis presents the design of small form factor Ultra Wide Band antennas with progressive waves shape, which is dedicated to ultra-short pulses radiation in a frequency band ranging from 300MHz to 3GHz. The aim is to combine a wide band of radiated frequencies and good performance while limiting the size of antennas. The insertion of a dielectric material has been associated with the design of Ultra Wide Band antennas to reduce their dimensions. This has led to the synthesis and characterization of innovative dielectric materials based on geopolymers, whose mastering of the value of the permittivity is possible. An antenna prototype has been manufactured and measurements of the different radiation characteristics were made and compared to the simulation results to ensure its good functioning. This antenna has also been associated with radar applications for the detection of targets in different environments (air and soil). The impulse responses obtained for the different tested radar scenes have been compared with the results obtained with other known antennas.; Ce mémoire présente une méthodologie de conception d’antennes Ultra Large Bande volumiques à ondes progressives, d’encombrement réduit, dédiées au rayonnement d’impulsions ultra-courtes dans une bande de fréquence allant de 300 MHz à 3 GHz. L’objectif est de concilier une large bande de fréquences rayonnées et de bonnes performances de rayonnements transitoires (niveau élevé, signaux brefs) tout en limitant l’encombrement des antennes. L’insertion d’un matériau diélectrique a été associée au design des antennes ULB afin de réduire leurs dimensions. Ceci a conduit à la synthèse et à la caractérisation de matériaux diélectriques innovants à base de géopolymères, dont la maîtrise de la valeur de la permittivité est possible. Un prototype d’antenne a été réalisé, des mesures des différentes caractéristiques de rayonnement ont été effectuées et comparées aux résultats de simulation pour s’assurer du bon fonctionnement de celle-ci. Cette antenne a également été associée à des applications radar pour la détection de cibles se situant dans différents milieux (air et sol). Les réponses impulsionnelles obtenues pour les différentes scènes radar testées ont été comparées aux résultats mesurées avec d’autres antennes connues.

Generally, in railway networks, dissipated energy-and its consequences in terms of noise, ballast attrition, electromagnetic interference, etc-is considered a nuisance generated by this means of transport. Therefore, most studies are carried out with the aim of reducing it. This paper takes the opposite view and considers the particular case of the irreducible electromagnetic interference generated along an electrified line, in order to propose new applications beneficial to railway operations. At a selected representative location, wideband (ranging from 10 kHz to 1 GHz) electromagnetic field measurements are performed successively during, and not during, high speed train passages. We deduce two potential applications of these unintentional signals. At low frequency, the first proposal considers energy harvesting using the received electromagnetic interference as the source. This received energy can be converted and used to DC feed low consumption sensors to be installed along the railway infrastructure. These sensors participate in monitoring infrastructure health and in making it more resilient to internal and external stresses. At higher frequencies, for the second proposal, radiation from the catenary line and train pantograph is specifically examined at a carefully selected sub-band. The results are also studied following a time-frequency analysis, to introduce a new nondestructive inspection method of the sliding contact between the catenary line and the train pantograph. Ultimately, this technique could offer a new means of monitoring the health of both the catenary line and the pantograph.; Dans les réseaux ferroviaires, l'énergie dissipée - et ses conséquences en termes de bruit, d'interférences électromagnétiques, etc. - est considérée comme une nuisance générée par ce moyen de transport. Par conséquent, la plupart des études sont menées dans le but de les réduire. Cet article prend le contre-pied et considère le cas particulier de l'interférence électromagnétique irréductible générée le long d'une ligne électrifiée, afin de proposer de nouvelles applications bénéfiques aux opérations ferroviaires. A un emplacement représentatif sélectionné, des mesures de champ électromagnétique à large bande (allant de 10 kHz à 1 GHz) sont effectuées successivement pendant les passages de trains à grande vitesse. Nous envisagons deux applications potentielles de ces signaux involontaires. À basse fréquence, la première proposition considère la collecte d'énergie en utilisant l'interférence électromagnétique reçue comme source. Cette énergie reçue peut être convertie et utilisée pour alimenter en DC des capteurs de faible consommation à installer le long de l'infrastructure ferroviaire. Ces capteurs participent à la surveillance de la santé de l'infrastructure et à la rendre plus résistante aux contraintes internes et externes. À des fréquences plus élevées, pour la deuxième proposition, le rayonnement de la ligne caténaire et du pantographe de train est spécifiquement examiné dans une sous-bande soigneusement sélectionnée. Les résultats sont également étudiés à la suite d'une analyse temps-fréquence, pour introduire une nouvelle méthode d'inspection non destructive du contact glissant entre la ligne caténaire et le pantographe du train. En fin de compte, cette technique pourrait offrir un nouveau moyen de surveiller la santé de la ligne caténaire et du pantographe.

In the past, in order to ensure train positioning as well as ground-to-train information exchange, railways have adopted various technologies. Over time, each new generation of equipment enriched the global information exchange but, as a consequence, necessitated higher data rate transfers. For the positioning functionality, the existing localisation systems are still limited, since most of them require an infrastructure installation with constraints such as laying equipment between the rails or having high database maintenance requirements and computational costs. Moreover, some of them accumulate errors (odometers and inertial sensors) or offer limited coverage in shadowed areas (GNSS, etc.). Currently, in railway applications, a widely used localization system is based on proprioceptive sensors embarked in the train. This on-board system is coupled to the use of balises located at ground between the rails. These balises are kilometre markers. They are used to compensate for the drift of the localization information computed using the proprioceptive sensors alone, when the train moves. The balises provide absolute localization information whenever the train passes over them. They can also provide spot communication during the short period of time when trains are passing over them. In the first part of this chapter, techniques for achieving train positioning and data exchanges between trains and infrastructure are introduced. In the second part, a new balise is proposed. Particular attention is paid to the contribution of this new solution in terms of localization error and communication performances.

National audience; Dans ce papier, une antenne Ultra-large-Bande (ULB) de dimensions 3cm x 3cm, conçue pour être utilisée en contact direct avec le sein est présentée. La conception de cette antenne ULB a été menée sur un modèle de sein composé de 4 couches tenant compte des variations des propriétés électriques (permittivité et conductivité) en fonction de la fréquence. L’antenne a été optimisée pour améliorer son adaptation au corps humain et aussi pour y favoriser un maximum de transfert d’énergie et ainsi augmenter le potentiel de détection.

EGU - European Geosciences Union General Assembly 2017, Vienna, AUTRICHE, 23-/04/2017 - 28/04/2017; Antennas with broadband characteristics have recently found various applications in modern ultra wide band (UWB) communication systems and in ground penetrating radar (GPR). Our applications are focused on imaging the subsurface of a large range of civil engineering structures at several depths using a bistatic GPR positioned on or close to the ground surface. The development of a compact (34´29 cm2) broadband pair of antennas operating in the frequency band from 0.27 to 3.1 GHz, whose radiation characteristics have been preliminary studied theoretically in details in different configurations, is to allow the probing of the subsurface in several frequency sub-bands using a step frequency (SF-GPR) acquisition mode. Microstrip patch antennas (MPAs) are one of the most basic and important types of planar antennas because they offer many advantages such as compact size, low-cost, ease of fabrication, light weight, and various shapes design. However, a low bandwidth and a low gain are the main shortcomings for such planar structure. The microstrip antenna has now reached maturity and many techniques have been suggested for achieving a high bandwidth such as using more complex shapes, parasitic elements, multilayer configurations and the tuning of the feed line. In this paper, an original printed rectangular slot antenna fed by a 50 W CPW (coplanar waveguide) transmission line tuned by a E-shaped patch is presented. Presently, little work has been made to lower the operating frequency band of microstrip antennas at frequencies less than 0.8 MHz and to reduce the antenna size at these frequencies because major applications concern UWB wireless communications. By choosing a relative combination of a E-shaped patch, a linear feed line and a rectangular slot, we have designed an antenna structure on a FR4 substrate ( ) with a very wide operating bandwidth whose nearly half of the spectrum covers frequencies lower than 1 GHz. A partial shield, only opened towards the ground, and coated with an inner layered absorbing material has been added to eliminate undesirable reflections from the upper environment particularly at low frequencies; moreover, in a GPR system, the antenna shielding will allow to reduce the coupling between the transmitting and the receiving units. The proposed rectangular slot antenna has been designed and simulated using the 3D commercial software EMPIRE based on the finite difference time domain (FDTD) technique. A detailed parameter study has allowed to define the several geometrical parameters of the unshielded slot antenna which are the result of a compromise on the frequency bandwidth (S11

this paper, an energy consumption model is developed and exploited to evaluate the electrical energy consumption of ultra-wideband impulse radio (UWB-IR) systems. We develop the energy consumption models and our comparative study, on the one hand, for a system based single-input singleoutput (SISO) configuration and a multiple-input single-output (MISO) and, on the other hand, for a time reversal TR-MISO configuration and for MISO alone configuration. We consider an indoor propagation environment based on the 802.15.4a channel model. The results show very different behaviors depending on the propagation conditions, the number of antennas used, or on the number of transmitted symbols. Using such a model, a radiofrequency designer can obtain significant inputs to optimally select an adequate configuration to design an adaptive energyaware UWB-IR system.

Currently space applications require to embark more and more equipment to make the most complete missions possible. However, the space on satellites is a limited resource, therefore miniaturization of embedded electronics is a crucial requirement. In embedded applications covering several frequency ranges, use Ultra WideBand antennas (UWB) is a classic and effective solution to limiting the number of antennas and associated circuits. Therefore, the miniaturization of UWB antennas is a major scientific challenge. A miniaturization technique was recently discovered [1] - [3]. It consists to load an Archimedean spiral antenna by stacking coupled resonant rings. This technique allows a reduction of about 35% of the diameter of the antenna without significant degradation of radiating performances. The work of this thesis allows to improve the physical understanding of the role played by the rings in the miniaturization process. An equivalent circuit is developed on the basis of integral equations using extended test functions and the concept of surface impedance. This circuit simulates the electromagnetic response of the coupled and stacked rings 10 times faster than using commercial and rigorous simulation software. This time saving is employed to test a large number of solutions from which it is possible to identify the optimal structure for the miniaturization of the Archimedean spiral loaded with stacked resonant rings. To maximize the effect of coupled resonant rings in the miniaturization of the antenna, the choice of the resonant frequency of the rings is essential. This frequency must be low enough and allow the antenna to stay matched over the widest possible frequency band. The resonant frequency of the rings depends on the deployed perimeter of the rings. The perimeter length is fixed by the choice of the pattern and its number of repetitions along the rings. A quick methodology to select the most suitable pattern for the design of the miniaturized antenna is presented. This method and the equivalent electrical circuit enable a quick and optimized design of a miniature UWB antenna. The validation of this design methodology was done experimentally on the basis of several realizations.; De nos jours les applications spatiales nécessitent d’embarquer toujours plus d’équipements afin de rendre les missions les plus complètes possibles. Cependant l’espace à bord des satellites est une ressource limitée et par conséquent, la miniaturisation de l’électronique embarquée est une nécessité cruciale. Dans les applications embarquées couvrant plusieurs plages de fréquence différentes, l’utilisation d’antennes ultra large bande (ULB) est une solution classique et efficace pour limiter le nombre d’antennes et de circuits associés. Leur miniaturisation présente donc un enjeu scientifique majeur. Une technique de miniaturisation consistant à charger une antenne spirale d’Archimède par un empilement d’anneaux résonants et couplés a récemment été découverte [1]-[3]. Elle permet une diminution de l’ordre de 35% du diamètre de l’antenne sans dégradation notable des performances en rayonnement. Les travaux de cette thèse permettent d’affiner la compréhension physique du rôle joué par les anneaux dans le phénomène de miniaturisation. Un circuit électrique équivalent est élaboré sur la base d’équations intégrales utilisant des fonctions d’essai étendues et le concept d’impédance de surface réactive. Ce circuit permet de simuler la réponse électromagnétique des anneaux empilés et couplés 10 fois plus vite qu’en utilisant des logiciels de simulation commerciaux et rigoureux. Ce gain de temps est mis à profit pour tester un nombre de combinaisons importants de solutions parmi lesquelles il est possible d’identifier la structure optimale pour la miniaturisation de la spirale d’Archimède chargée par des anneaux empilés et résonants. Pour maximiser l’effet des anneaux résonants couplés dans la miniaturisation de l’antenne, le choix de la fréquence de résonance des anneaux est crucial. Cette fréquence doit être suffisamment basse et permettre à l’antenne de rester adaptée en impédance sur la bande de fréquence la plus large possible. La fréquence de résonance des anneaux dépend du périmètre déployé des anneaux. Ce périmètre est fixé par le choix du motif de base et par le nombre de ses répétitions le long des anneaux. Une méthode rapide pour choisir le motif le plus adapté à la conception de l’antenne miniaturisée est présentée. Cette méthode et le circuit électrique équivalent permettent la conception optimisée et rapide d’une antenne ULB miniature. La validation de cette méthodologie de conception s’est faite expérimentalement sur la base de plusieurs réalisations.

This thesis presents the design of an Ultra Wide Band radar triggered by an optoelectronic generator which is dedicated to ultra short pulses radiation for short and medium range detection. The emitting part of this radar is based on transmitting array composed of several UWB antennas with an integrated photoswitch device triggered using optical pulses and a receiving UWB antenna. A specific signal processing method has been proposed and implemented for UWB optoelectronic radar involving autonomous beam scanning capability in order to overcome the limitation in the depth of detection encountered while using standard imaging algorithm. Indeed, this hybrid correlation/CLEAN algorithm considers the whole measured burst and finds the relevant information to rebuilt a radar map with a very good accuracy. In order to improve the radar map quality, the waveform generation technique has been discussed and, more precisely, the temporal shaping method to obtain specific spectrum using evolutionary algorithm.; Ce mémoire présente la conception d'un radar Ultra Large Bande à déclenchement optoélectronique dédié au rayonnement d'impulsions ultra-courtes dans une bande de travail comprise entre 300MHz et 3GHz pour réaliser des opérations de détection à courte et moyenne portée. A l'émission, ce radar est composé de plusieurs sources de rayonnement élémentaires constituées d'une antenne au sein de laquelle un générateur optoélectronique est intégré, d'un générateur de haute tension pulsée et d'un système commande optique. Des mesures de validation ont été menées pour s'assurer du bon fonctionnement d'une source. Cette association garantit une excellente synchronisation entre les sources et autorise un balayage électromagnétique autonome rapide en ajustant les fréquences de répétition (quelques dizaines de MHz) de chaque générateur de manière à décaler proportionnellement à l'angle visé, l'instant d'alimentation. A la réception, une antenne ou plusieurs antennes sont utilisées pour récupérer les signaux diffractés par les cibles et un traitement de signal est appliqué pour reconstruire l'image. Ce traitement spécifique permet de s'affranchir de la limite de détection en distance imposée par la fréquence de répétition en utilisant une association entre des calculs de corrélation et une déconvolution itérative. Un des vecteurs d'amélioration de la qualité de l'image a également été développé. Il concerne la génération de forme d'ondes et plus particulièrement le façonnage spectral par profilage temporel en utilisant un algorithme d'optimisation évolutionnaire.

International audience; UWB radio has the potential to offer good perfor- mance in terms of localization precision. Time Reversal chan- nel pre-filtering facilitates signal detection and also helps to increase the received energy in a targeted area. This paper assesses the quantitative and qualitative contributions of the Time Reversal (TR) technique associated with an Ultra Wide- band (UWB) localization system applied to a railway odometry problem. The analytical and simulation results for Power Delay Profile, equivalent channel model and focusing gain of the TR- UWB are given. The contribution of the TR technique associ- ated with UWB radio to enhance the localization resolution is analysed. To perform these studies, and to be representative of the proposed railway application, a deterministic channel model is used. The analytical simulation and experimental results show that time reversal has very promising characteristics regarding its association with the UWB in terms of localization error. These results also indicate that the TR-UWB technique delivers improved performance over UWB only localization approach, that could benefit the development of the proposed railway application.

National audience; This work takes place in the context of real time localization systems (RTLS) made as a system of RFID tags and a set of readers. Although some systems have already existed for several years, the double challenge of a low consumption for the tags (ideally fully passive, i.e. without any local source of energy) and of a high spatial resolution for the localization capability is very hard to achieve. An approach has been pursued within a few years, which consists of a system of four readers at the corners of a parallelepiped (‎Figure 1. ), and of tags operating according to a modulated backscattering principle ‎[1]. The benefit lies in the low energy requirement within the tag, since for responding to the interrogation signal, it only needs to modify the impedance seen by the antenna port, according to a certain digital code. This process does not require an RF transmitter in the tag, with the associated energy consumption. At the reader, the modulated backscattered signal is received and can be detected by making use of the processing gain provided by the code. An extra code can be used by the reader itself, so to discriminate between its own backscattered signals from those coming from the other readers. In other words, among the system parameters that require careful design in order to control the link budget and the effect of interference, the coding strategy is essential ‎[1]. Although some local energy source remains necessary, it can be much smaller than for an active transmitter and making use of a very small battery. Technologies are currently developed in order to cope with such needs, e.g. with supercapacitors ‎[2].In this work, we address the system performance from the point of view of the radio channel between the readers and the tags. Typically, the backscattered signal is similar to that of a radar, meaning that it decays as the 4th power with the distance, which is extremely fast. In addition, since the technology is ultra wide band, the power spectral density is severely limited (typically well below 1 mW) and is much smaller than the power limitation for UHF RFID readers (typically 2 W). These facts are highly constraining in terms of detection range. However, since not only the propagation but also the antennas are involved in the link budget, it is possible to play with antenna characteristics in order to improve it somewhat.In this paper, we concentrate on attenuation measurements between reader antennas and tags, which depend on the reader antenna characteristics and the tag antenna characteristics, including the polarization. We show that, by appropriately tuning the reader antenna characteristics, the 4th power distance dependence can be reduced, hence providing an enhanced detection range.

International audience; Ultra wideband (UWB) communications involve very sparse channels, since the bandwidth increase results in a better time resolution. This property is used here to propose an efficient algorithm jointly estimating the channel and the transmitted symbols. More precisely, this paper introduces an expectation-maximisation (EM) algorithm within a wavelet domain Bayesian framework for semi-blind channel estimation of multiband orthogonal frequency-division multiplexing (MB-OFDM) based UWB communications. A prior distribution is chosen for the wavelet coefficients of the unknown channel impulse response (CIR) in order to model a sparseness property of the wavelet representation. This prior yields, in maximum a posteriori (MAP) estimation, a thresholding rule within the EM algorithm. We particularly focus on reducing the number of estimated parameters by iteratively discarding 'insignificant' wavelet coefficients from the estimation process. Simulation results using UWB channels issued from both models and measurements show that under sparsity conditions, the proposed algorithm outperforms pilot based channel estimation in terms of mean square error (MSE) and bit error rate (BER). Moreover, the estimation accuracy is improved, while the computational complexity is reduced, when compared to traditional semi-blind methods. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

The energy consumption of the wireless communication systems is starting to be unaffordable. One way to improve the power consumption is the optimization of the communication techniques used by the communication networks and devices. In order to develop an energy efficient UWB multi-user communication system, the choice of modulation and multi access technique is important. This paper compares two Ultra-wideband multi-user techniques, i.e. the DS-UWB and the TH-UWB in the case of the Nakagami-m fading channel. For the DS-UWB technique, the orthogonal (T-OVSF, ZCD) and non-orthogonal (Kasami) codes are used. For TH-UWB, authors consider different modulations (PPM, PSM, PAM). This comparison allows choosing the best solution in terms of energy consumption, data rate and communication range. Two different studies are realized to find the most efficient technique to use. In the first study, the same number of users for the different type of codes (data rate values) is chosen and the total energy consumption for several distances and path-loss coefficient is computed. In the second one, the multiusers effects (same data rate) for various values of distances and path-loss are evaluated.

Dans un contexte où les ressources énergétiques sont moindres et la demande en termes de débit de communication est forte, il est intéressant de proposer des solutions techniques au niveau de la couche physique permettant d'optimiser la consommation énergétique de systèmes. Actuellement, pour une localisation précise et un transfert de données entre voie et trains efficace, la signalisation ferroviaire exploite des balises disposées entre les rails. La durée possible de la communication entre trains et balises s'avère très brève et n'est effective que lorsque le train passe juste au-dessus de la balise. Celle-ci reste en état de veille jusqu'à ce que le train la télé alimente lors de son passage. Le temps de communication utile entre le train et la balise s'établit à 3-4 ms pour un train roulant à 300 km/h. Par conséquent, plusieurs équipements consécutifs doivent être installés si l'on veut accroître la durée d'échange ou encore la quantité de données échangées. En outre, le fait démettre continument un puissant signal de télé alimentation radiofréquence non exploité depuis tous les trains en circulation, la difficulté de maintenance liée à la présence de cet équipement entre les rails, ainsi que la portée et donc la capacité de communication réduites des balises actuelles constituent autant de limitations que nous tentons de pallier avec ce nouvel équipement. Dès lors, nous développons une nouvelle génération de balise ferroviaire fondée sur un lien radiofréquence qui possède une portée atteignant quelques mètres, nettement plus importante que celle exploitable actuellement. Cette balise est également située en bord de voie et non entre les rails pour des questions de facilité de maintenance. Nous utilisons une technique de focalisation du signal émis depuis la balise vers l'antenne embarquée sur le train. Puisque la distance de communication balise au sol - interrogateur est portée à quelques mètres, la télé alimentation par couplage inductif actuelle n'est plus possible. Disposer d'une infrastructure centrale pour alimenter toutes les balises présentes sur le réseau n'est pas réaliste non plus. Une solution raisonnable et économe consiste à générer de l'énergie électrique basse tension localement en utilisant des énergies renouvelables (solaire, éolienne...), et en limitant le plus possible la consommation d'énergie de l'électronique de la balise. Dans cette optique, la contribution scientifique présentée consiste à développer et à optimiser, en termes d'énergie consommée, la couche physique de communication de cet équipement. Nous optons pour la technique radio Ultra Large Bande (ULB) performante à courte portée associée à la technique du Retournement Temporel (RT) afin de focaliser spatialement les signaux de la balise vers la voie pour une meilleure optimisation d'énergie. Celles-ci offrent la possibilité de créer des systèmes de communication économes en énergie d'alimentation et faciles à réaliser à coût limité. Pour définir un système de communication ULB efficace, nous développons des modèles permettant d'évaluer la consommation énergétique selon les paramètres de la couche physique (type de modulation, nombre d'utilisateurs, codages...) ainsi que du canal de propagation en prenant en compte à la fois l'énergie nécessaire à la transmission et l'énergie requise par la circuiterie. Nous développons ensuite des modèles permettant de comparer un système ULB conventionnel et un système ULB avec RT. Lors d'une dernière étape, nous comparons un système Multi Output Single Input (MISO) avec et sans RT à un système Single Input Single Output (SISO) avec et sans RT et nous proposons une démarche permettant d'établir des comparaisons énergétiques directement sur carte FPGA permettant de valider les modèles énergétiques théoriques. In railway signaling, accurate and safe localization of trains is of paramount importance for the safe exploitation of railway networks. Therefore, train odometry has received considerable interest. Usually, train odometers manage different embarked sensors including wheel counters and Doppler radars that compute the position and the speed of the trains. However, as trains move, these proprioceptive sensors accumulate drifts and, as a consequence, train localization accuracy is compromised after several kilometers. In order to fix this drift problem, railway signaling uses beacons installed at ground, on the track, between the rails. Installed every several kilometers, they transmit absolute localization information to trains passing over them thus, bringing back locally the drifts to zero. These beacons constitute major components of railway signaling and also one of the very last equipment installed between the rails. Existing railway beacons are placed on the rails for two main reasons. First of all, since in these conditions the radio link between the train and the beacons remains very short, in the order of a few tens of centimeters, placing the beacons on the rails is very helpful to deliver an accurate local absolute localization to the train. Moreover using this very short radio communication range, while passing over them, trains can supply electrical energy to the beacons by magnetically coupling radiofrequency energy from the train to the beacon. This radiofrequency energy is detected and converted in DC power supply to feed the beacon electronics. This very short range leads to a satisfactory transfer of energy between train and beacon. As indicated previously, beacons can just be position indicators; however, they can also handle communication between grounds and trains using a peer to peer radio link. In this case, communication is only active when the train passes over the beacons, thus, the effective communication time is very short. As another major drawback of this particular implementation between the rails, track maintenance requires disassembling the beacons and then repositioning them safely and accurately.

This work is focused on the development of a compressive technique applied to the simplification of microwave imaging systems. This principle is based on the study of passive devices able to compress transmitted and received waves, allowing for the reduction of the hardware complexity required by radar systems. This approach exploits the modal diversity in the developed components, making it compatible with ultra wide bandwidth. Several proofs of concept are presented using different passive devices, allowing this technique to be adapted to a large variety of architectures and bandwidths.; Ces travaux portent sur le développement d'une technique de compression appliquée à la simplification des systèmes d'imagerie dans le domaine microonde. Cette approche repose sur le développement de composants passifs capables de compresser les ondes émises et reçues, autorisant ainsi une réduction du nombre de modules actifs nécessaires au fonctionnement de certaines architectures de radars. Ce principe est basé sur l'exploitation de la diversité modale présente dans les composants développés, le rendant compatible avec l'utilisation de très larges bandes passantes. Plusieurs preuves de concept sont réalisées au moyen de différents composants étudiés dans cet ouvrage, permettant d'adapter cette technique à de nombreuses spécifications d'architectures et de bandes passantes.

International audience; Dans le cadre de reseaux corporels sans fil (WBAN), l'impact de la mobilité des nœuds sur l'estimation de leur position n'est pas prise en compte, en particulier, lors de la conception des protocoles MAC. Les positions étant estimées avec le protocole '3-Way Ranging', nous quantifions l’impact de la mobilité avec l’erreur quadratique moyenne par rapport a des positions attendues. Afin de minimiser cet impact, nous proposons différentes stratégies d’allocation des slots utilisant une couche MAC TDMA et les évaluons avec un modèle de mobilité réaliste. Nous montrons que l’impact de la mobilité peut être limitée en utilisant une approche d’agrégation et de diffusion des messages lors de l’estimation des distances, et un schéma d’ordonnancement efficace qui prend en considération la vitesse de mobilité des nœuds.

A communication is impulsive whenever the information-bearing signal is burst-like in time. Examples of the impulsive concept are: impulse-radio signals, that is, wireless signals occurring within short intervals of time; optical signals conveyed by photons; speech signals represented by sound pressure variations; pulse-position modulated electrical signals; a sequence of arrival/departure events in a queue; neural spike trains in the brain. Understanding impulsive communications requires to identify what is peculiar to this transmission paradigm, that is, different from traditional continuous communications.In order to address the problem of understanding impulsive vs. non-impulsive communications, the framework of investigation must include the following aspects: the different interference statistics directly following from the impulsive signal structure; the different interaction of the impulsive signal with the physical medium; the actual possibility for impulsive communications of coding information into the time structure, relaxing the implicit assumption made in continuous transmissions that time is a mere support. This thesis partially addresses a few of the above issues, and draws future lines of investigation. In particular, we studied: multiple access channels where each user adopts time-hopping spread-spectrum; systems using a specific prefilter at the transmitter side, namely the transmit matched filter (also known as time reversal), particularly suited for ultrawide bandwidhts; the distribution function of interference for impulsive systems in several different settings.; Une communication est impulsive chaque fois que le signal portant des informations est intermittent dans le temps et que la transmission se produit à rafales. Des exemples du concept impulsife sont : les signaux radio impulsifs, c’est-à-dire des signaux très courts dans le temps; les signaux optiques utilisé dans les systèmes de télécommunications; certains signaux acoustiques et, en particulier, les impulsions produites par le système glottale; les signaux électriques modulés en position d’impulsions; une séquence d’événements dans une file d’attente; les trains de potentiels neuronaux dans le système neuronal. Ce paradigme de transmission est différent des communications continues traditionnelles et la compréhension des communications impulsives est donc essentielle. Afin d’affronter le problème des communications impulsives, le cadre de la recherche doit inclure les aspects suivants : la statistique d’interférence qui suit directement la structure des signaux impulsifs; l’interaction du signal impulsif avec le milieu physique; la possibilité pour les communications impulsives de coder l’information dans la structure temporelle. Cette thèse adresse une partie des questions précédentes et trace des lignes indicatives pour de futures recherches. En particulier, nous avons étudié: un système d'accès multiple où les utilisateurs adoptent des signaux avec étalement de spectre par saut temporel (time-hopping spread spectrum) pour communiquer vers un récepteur commun; un système avec un préfiltre à l'émetteur, et plus précisément un transmit matched filter, également connu comme time reversal dans la littérature de systèmes à bande ultra large; un modèle d'interférence pour des signaux impulsifs.

The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROC, La technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes ROC

A planar extremely-wide-band antenna is designed and simulated. Measurements are presented. The proposed antenna is a printed elliptical slotted monopole with a triangular ground plane, fed by a semi-ring trident arm followed by a tapered CPW line. The frequencies covered for a VSWR $ \leq 2$ extend from 0.67 GHz to 12 GHz with stable radiation patterns to ensure minimal pulse distortion. This is guaranteed by multimodal analysis of the radiating current on the radiator using the theory of characteristic modes. Numerical and experimental results are in good agreement. This novel miniaturized antenna ( $0.15 \times 0.07{\lambda _l}$ , where ${\lambda _l}$ corresponds to the wavelength of the lowest matched frequency) is a good candidate for wide-band spectrum sensing in the TV white space band in the context of cognitive radio applications.

A ground-penetrating radar (GPR) has been developed for civil engineering applications. Ultra-wide band (UWB) bowtie slot antennas operating at frequencies from 460 MHz to beyond 4 GHz have been designed to be integrated in a ground-penetrating radar (GPR) positioned very close to the soil surface. FDTD modeling has allowed to define the optimal geometrical parameters associated with the ground-coupled radar system that has been studied in two polarization configurations TE and TM. The ability of the GPR system in detecting small discontinuities using polarization diversity has been analyzed considering several buried canonical objects with different dielectric characteristics. Measurements in a sand box have been compared to full-wave simulations.

Ultra-wideband technology is based on the transmission of very short pulses with relatively low energy, which make it a promising option for short range wireless commu- nication system. In this paper, we propose to use this technology to establish a new multi- user technique dedicated to intelligent transport systems, especially vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communications. Indeed, the design of such system must provide good quality of service for a large number of users simultaneously and with high data rate. The proposed system is based on the use of a new modulation schemes named orthogonal amplitude modulation to reach high data rate; and an original multiple access technique that allows a maximum number of users simultaneously with good performances.

Applying Ultra Wide Band (UWB) spectral coding to surface acoustic wave (SAW) devices, usedas passive sensors interrogated through a radio frequency link, increases the number of stored andexchanged data and improves the measurement resolution. The proposed approach is to design SAWUWB devices in the frequency band of 2 GHz − 2.5 GHz complying with the American radio frequencycommunication standards after prototyping them in the lower 200 MHz − 400 MHz frequency band.The authorized emitted power is −41.3 dBm/MHz: for a SAW device exhibiting insertion losses ofabout 30 dB, the interrogation distance determined by the RADAR equation adapted to SAW devicesis theoretically limited to 1 m. In order to improve the reading distance, we investigated severalarchitectures as standard SAW devices and as linear frequency modulated (LFM) devices, in order toreduce insertion losses. Using an embedded SAW reader, we simultaneously measured temperatureon three sensors, showing a solution to the problem of collision. The temperature resolution reachedwas 0.1 C for a reading distance of 20 cm. We show that the UWB communication is also a solutionfor communications in radio frequency wave reflective environment. Using a arbitrary waveformgenerator and an oscilloscope, we also show experimentally, that time reversal works on LFM SAWdevices, with the response signal to noise ratio improved by the processing gain; Le codage spectral Ultra Large Bande (ULB) appliqué aux dispositifs `a ondes élastiques de surface(SAW), exploit ´es comme capteurs passifs interrogeables par liaison radio fréquence, augmente lenombre de données stockées et échangées, et améliore la résolution sur la mesure. L’approcheproposée est de réaliser des dispositifs SAW ULB dans la bande de fréquence 2 GHz − 2.5 GHzréglementée par la norme de communication radio fréquence américaine, après prototypage dansune bande de fréquences plus basses de 200 MHz − 400 MHz. La puissance autorisée sur cettepremière bande est de −41.3 dBm/MHz : pour un dispositif SAW ayant des pertes d’insertion del’ordre de 30 dB, la distance d’interrogation établie par application de l’ équation du RADAR estthéoriquement limitée `a environ 1 m. Afin d’avoir la portée la plus grande possible, nous avonsétudié plusieurs architectures de dispositifs SAW : standards et modulés linéairement en fréquence,pour limiter les pertes d’insertion. A l’aide d’un lecteur embarqué, nous avons réalisé des mesuresen température sans fils simultanées de trois capteurs, apportant une solution au problème decollision. La résolution en température atteinte est de 0.1 _C pour une distance de mesure de 20 cm.Nous montrons que la communication ULB est aussi une solution pour l’interrogation sans fils enmilieux réflectifs aux ondes radio fréquences. `A l’aide d’un synthétiseur de fonction arbitraire et d’unoscilloscope, nous montrons expérimentalement que le retournement temporel fonctionne sur lesdispositifs SAW LFM et qu’il bénéficie du gain de traitement ce qui améliore le rapport signal surbruit.

This thesis focuses on the development of tools and methods dedicated for ultra wide band (UWB) localization systems in indoor environment. The thesis work was conducted within the European FP7 project Where2, about the cooperative localization in cellular networks. Data from a measurement campaign conduct during the project are used to validate the proposed algorithms. This thesis is divided in four parts : The first part is focused on the description of an original raytraing tool based on a graph description. In order to be compliant with the requirement of a mobile simulation, a new concept of rays signature enabling incremental computation, and a vectorized formalism for processing rays are described and implemented. The second part is focused on the indoor localization techniques, where a novel technique based on interval analysis approaches is presented and compared to alternative techniques. Advantageously using this approach, a specific processing based on an hypothesis testing method using received power observations to resolve ambiguities appearing in under determined localization problems is described. A third part describes different aspects of the dynamic platform. In particular a realistic mobility model based on ''steering behaviors'', a graph description of the network scene and an inter agents communication protocol are detailed. The fourth section uses measured data obtained from an heterogeneous measurement campaign to validate both the developed software platform and the proposed localization algorithms.; Cette thèse porte sur le développement d'outils et de méthodes pour l'étude des systèmes de localisation Ultra Large Bande en milieu intérieur. Le travail de thèse a été mené pour partie dans le cadre du projet Européen FP7 WHERE2, portant sur la localisation coopérative dans les réseaux cellulaires. La thèse utilise pour sa partie validation des données obtenues dans le cadre de ce projet. La thèse comporte 4 grandes parties. Une première partie présente un outil de raytracing basé sur une description à base de graphes. Afin de pouvoir adresser les problématiques de simulation de la mobilité, l'outil introduit le concept nouveau de signature ainsi qu'un formalisme vectorisé permettant l'accélération du calcul du champ sur les rayons obtenus. Une seconde partie concerne les techniques de localisation utilisées en intérieur et propose une technique originale basée sur des approches ensemblistes. Cette technique est évaluée et comparée à des techniques alternatives comme le des moindres carrés pondérés ou le maximum de vraisemblance. Tirant partie des spécificités de la méthode précédente, une méthode basé sur un test d'hypothèse est décrite. Cette dernière propose d'exploiter les données de puissance reçue (largement disponible en pratique) pour lever les ambiguïtés multimodales dans les cas de carence d'observables précis. Une troisième partie présente 3 aspects de la plateforme dynamique. Tout d'abord un modèle de mobilité réaliste basé sur les «steering behaviors», puis la description sous forme de graphe du réseaux sans fils et enfin un protocole simplifié de communication inter agents. La quatrième partie exploite des données radio obtenues lors d'une campagne de mesure pour valider les différents étages de la plateforme et les algorithmes de localisation proposés.

This thesis focuses on the design of ultrawideband reconfigurable antennas. The objective of this study is to integrate all the antennas of observation on satellites into a single radiating panel and make it reconfigurable. Works presented in this document are focused on the design of spiral antennas and on their possible improvements. Thereby, a new topology of square spiral antenna reconfigurable into an array of four smaller square spiral antennas is shown. This reconfiguration allows increasing the surface efficiency of the structure while offering new possibilities of utilization to the antenna and improving its performance. Characteristics and performance of both configurations in frozen states are presented. Breadboards and measurements are also presented in order to validate the functioning of the antenna. Then, several improvements of this structure are studied and a possible application. Finally, a solution for improving the functioning of spiral antennas printed over a metallic ground plane is presented. This solution permits to remove a null of radiation when the distance between the antenna and the ground plane is a multiple of the half wavelength. In this way, its bandwidth can be doubled without losing the half of the energy like with absorbers. This technique consists in adding a parasitic radiating element over the antenna. This element is fed by coupling to the spiral antenna and radiates at the frequency of the null of radiation. This element is narrowband, so antenna performance remains unchanged at the other frequencies of the bandwidth. A structure using this concept has been made in order to validate its functioning.; Cette thèse s’intéresse à la conception d’antennes ultra large bande reconfigurables. Cette étude a été motivée par le souhait de regrouper l’ensemble des antennes d’observation présentes sur les satellites en un panneau rayonnant unique afin de pouvoir réduire la taille de ces derniers. Les travaux présentés dans ce mémoire sont donc principalement axés sur la conception d’antennes spirales et sur les améliorations qui peuvent leur être apportées. Ainsi, une nouvelle topologie d’antenne spirale carrée reconfigurable en un réseau de quatre antennes spirales carrées plus petites sur la même ouverture rayonnante est exposée. Cette reconfiguration permet d’augmenter l’efficacité de surface de la structure tout en offrant de nouvelles possibilités d’utilisation à l’antenne et en améliorant ses performances. Les caractéristiques et les performances des deux configurations en états figés sont détaillées. Les maquettes réalisées et les résultats de mesure sont également présentés afin de valider le fonctionnement de l’antenne. Ensuite, différentes améliorations de cette structure sont présentées ainsi qu’une application possible. Enfin, une solution permettant d’améliorer le fonctionnement des antennes spirales imprimées au-dessus d’un plan de masse est décrite. En effet, cette solution permet de supprimer un nul de rayonnement lorsque l’antenne se situe à une demi-longueur d’onde du plan de masse. Sa bande passante d’utilisation peut ainsi être potentiellement doublée sans perdre la moitié de l’énergie comme avec l’utilisation d’absorbants. Cette technique consiste à ajouter un élément rayonnant parasite au-dessus de l’antenne. Cet élément est excité par couplage à l’antenne spirale et rayonne à la fréquence du nul de rayonnement. Cet élément étant faible bande, il ne dégrade pas le fonctionnement de l’antenne aux autres fréquences de la bande passante. Une structure utilisant ce concept a été réalisée afin de valider son fonctionnement.

National audience; Dans cet article, nous considérons un système de communication multi-utilisateurs mettant en oeuvre une couche physique ultra-large bande (ULB) impulsionnelle à répartition par code. Nous nous intéressons tout d'abord à l'expression de la variance de l'interférence d'accès multiple (IAM) lorsque les utilisateurs ont des durées symboles différentes grâce à un nombre de trames, $N_f$, variable selon les utilisateurs. Nous nous intéressons ensuite au problème de la maximisation du débit global en affectant un nombre de trames différent pour chaque utilisateur sous contrainte de qualité de service (QoS) hétérogène pour certaines classes d'utilisateurs. Nous proposons une heuristique à complexité linéaire avec le nombre d'utilisateurs pour l'allocation du nombre de trames et évaluons ses performances par rapport à deux algorithmes de références.

In guided transport, the precise location of trains is vital for nominal operation of the transport system. In a propagation environment such as a railway line, an effective location sensor is complex to design and validate since it must operate in the presence of many fixed and mobile obstacles constituted by the infrastructure and the trains. In this thesis, to design such a sensor, we propose the use of so-called spectral diversity techniques also found under the name of Ultra Wideband radio (UWB). In this work, the latter is also associated with the Time Reversal (TR) technique to take advantage of the complex propagation environment. The objective is to obtain a reliable and robust location of rail vehicles by focusing UWB signals to antennas or ground trains. Theoretical studies combined with simulations were performed on the properties of energy focusing of TR technique taking into account several parameters related to antennal configurations, propagation channels and the railway environment. The contribution of TR on the accuracy of the positioning system was quantified by comparing the conventional UWB positioning system alone and then, combining it with TR. The theoretical results and simulations of the proposed solution have been validated by experiments carried out in an anechoic chamber and in indoor environment.; En transports guidés, la localisation précise des trains s’avère vitale pour une exploitation nominale du système de transport. Dans un environnement de propagation tel que celui d’une emprise ferroviaire, un capteur de localisation efficace est complexe à concevoir et à valider lorsqu’il doit opérer en présence de nombreux obstacles fixes et mobiles constitués par l’infrastructure et les trains. Afin de concevoir un tel capteur, nous proposons dans ce travail de thèse l’emploi de techniques innovantes dites de diversité spectrale que l’on retrouve également sous la dénomination de radio Ultra Large Bande (ULB). Dans ce travail, cette dernière est également associée à la technique de Retournement Temporel (RT) afin de tirer partie de cet environnement de propagation complexe. L’objectif visé est d’obtenir une localisation fiable et robuste des véhicules ferroviaires par focalisation de signaux ULB en direction des antennes sol ou trains. Des études théoriques alliées à des simulations ont été effectuées portant sur les propriétés de focalisation d’énergie de la technique de retournement temporel en tenant compte de plusieurs paramètres liés aux configurations antennaires, aux canaux de propagation rencontrés et à l’électronique utilisée. L’apport du retournement temporel sur la précision du système de localisation Ultra Large Bande a été quantifié en comparant le système de localisation ULB conventionnel, sans retournement temporel puis, en associant le RT. Les résultats théoriques et de simulations de la solution proposée ont été validés par des expérimentations menées en chambre anéchoïque ainsi qu’en environnement indoor.

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; 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, 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 project MIMOC (Methods of Integration and Miniaturization of communicating objects), which was completed in partnership with the laboratory IM2NP of Marseille, the company InsightSiP in Sophia Antipolis and Orange Labs La Turbie. The project targets the pulse transmission systems over a very wide band frequency spectrum (Ultra Wide Band signals : UWB). Within this project, the work of this thesis is focused on the development, miniaturization and integration of antennas for UWB communications systems conform to United States (FCC : 3.1 - 10.6 GHz) and European standards (ECC : 6 - 8.5 GHz). The antenna was developed by adjusting the various parameters which influences its matching and radiation. We led a preliminary study to create a database that was useful later in various phases of the project to modify the antenna to fit in its environment changes. A printed radiating element constituted by several rectangular layers, fed by ground coplanar waveguide line (GCPW), matched to the FCC frequency band, served as the basis for this study. This antenna has been studied in two configurations corresponding to two types of applications : credit card and USB key, mainly distinguished by the width of their ground planes. The study began with a large ground plane structure that was miniaturized in a second phase. The miniaturization aimed to reduce the width of the ground planes by changing the geometry of the structure to keep its radio-electrical performances. Several techniques have been studied, including reducing the size by 2D and 3D folding. The most effective technique was the one based on the insertion of slots in the side ground planes as well as in the lower ground planes. A well optimized dimension of these slots has achieved a structure 5 times smaller with a good impedance matching over all the FCC frequency band. These structures were then fabricated and the prototypes have been characterized. The characterization of the prototypes was obtained after several measurement campaigns in the LEAT and Orange Labs La Turbie. A test bench has been fully developed and measured in time and frequency domains. It permits us to extract the performances of antennas : gain, radiation pattern, impulse response, fidelity factor, etc... The capacity of a transmission through these prototypes was tested in a real environment. High data rate up to 500Mbits/s was obtained. The third phase of the work was to model a UWB chip pulse generator and integrate it together with the antenna in the system. This study was performed in the ECC band. A new printed miniature element with a good matching in this frequency band had to be designed. The chip has been fully modeled and parameterized, so it is taken into account in the design of the system. MIMOC project was completed successfully. The good partnership with all members has been very constructive and has achieved the co-design of the antenna and the microelectronics. Following this work, another project aiming to develop UWB communications systems operating in contact with the human body (RUBY) has just started.; Cette thèse a fait partie du projet MIMOC (Méthodes d'Intégration et de Miniaturisation d'Objets Communicants) qui a été mené à terme en partenariat avec le laboratoire IM2NP de Marseille, la société InsightSiP à Sophia Antipolis et Orange Labs La Turbie. Le projet cible les systèmes de transmission par impulsions occupant une très large bande de fréquences (signaux Ultra Large Bande : ULB). Au sein de ce projet, les travaux de cette thèse ont été concentrés sur le développement, la miniaturisation et l'intégration des antennes dans des systèmes de communications ULB conformes aux normes Américaines (FCC :3.1-10.6 GHz) et Européennes (ECC : 6-8.5 GHz). Le développement d'une antenne consiste à en maîtriser les différents paramètres en analysant leurs influences sur l'adaptation et le rayonnement de celle-ci. Une étude préliminaire a permis de créer une base de données qui a été utilisée par la suite dans les différentes phases du projet afin de réadapter l'élément en fonction de l'évolution de son environnement. Un élément rayonnant imprimé constitué de plusieurs étages rectangulaires, alimenté par la ligne ground coplanaire (GCPW), adapté dans la bande de fréquence FCC, a servi de base d'étude. Cette antenne a été étudiée dans deux configurations correspondant à deux types d'applications : un format carte de crédit et un format clé USB, principalement distinguées par leur encombrement lié à la largeur des plans de masse. L'étude a débuté avec une structure à plan de masse large et a été suivie, dans une deuxième phase, par des travaux de miniaturisation. La miniaturisation consiste à réduire la largeur des plans de masse en modifiant la géométrie de la structure afin de conserver ses performances radioélectriques. Plusieurs techniques ont été étudiées, notamment la réduction de l'encombrement par repliements 2D et 3D. La technique la plus efficace fut celle basée sur l'insertion de découpes au niveau des plans de masse latéraux ainsi qu'au niveau des plans de masse inférieurs. Une bonne maîtrise des dimensions de ces encoches a permis d'obtenir une structure réduite d'un facteur 5 avec une bonne adaptation sur toute la bande de fréquences. Ces structures ont ensuite été réalisées et les prototypes ont été caractérisés. La caractérisation s'est déroulée lors de plusieurs campagnes de mesures au LEAT et à Orange Labs à La Turbie. Un banc de test a été entièrement développé et des mesures dans les domaines temporel et fréquentiel ont permis d'extraire les performances des antennes : gain, diagramme de rayonnement, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc. La capacité d'une transmission à travers ces prototypes a été vérifiée en environnement réel. Des débits allant jusqu'à 500Mbits/s ont été atteint. La troisième phase des travaux a consisté à modéliser une puce génératrice d'impulsions ULB et l'intégrer en l'assemblant avec l'antenne dans un système. Cette étude a été réalisée dans la bande ULB européenne ECC. Un nouvel élément imprimé et miniaturisé adapté dans cette bande de fréquences a du être conçu. La puce a totalement été modélisé et paramétrée de façon à ce qu'elle soit prise en compte lors de la conception du système. Le projet MIMOC a été achevé avec succès. Le bon partenariat avec tous les membres s'est avéré très constructif et a permis de réaliser le codesign de la partie "antenne" et de la partie "microélectronique". Suite à ces travaux, un autre projet qui consiste à développer des systèmes communicants en contact avec le corps humain (RUBY) vient de démarrer.

This thesis is part of the project MIMOC (Methods of Integration and Miniaturization of communicating objects), which was completed in partnership with the laboratory IM2NP of Marseille, the company InsightSiP in Sophia Antipolis and Orange Labs La Turbie. The project targets the pulse transmission systems over a very wide band frequency spectrum (Ultra Wide Band signals : UWB). Within this project, the work of this thesis is focused on the development, miniaturization and integration of antennas for UWB communications systems conform to United States (FCC : 3.1 - 10.6 GHz) and European standards (ECC : 6 - 8.5 GHz). The antenna was developed by adjusting the various parameters which influences its matching and radiation. We led a preliminary study to create a database that was useful later in various phases of the project to modify the antenna to fit in its environment changes. A printed radiating element constituted by several rectangular layers, fed by ground coplanar waveguide line (GCPW), matched to the FCC frequency band, served as the basis for this study. This antenna has been studied in two configurations corresponding to two types of applications : credit card and USB key, mainly distinguished by the width of their ground planes. The study began with a large ground plane structure that was miniaturized in a second phase. The miniaturization aimed to reduce the width of the ground planes by changing the geometry of the structure to keep its radio-electrical performances. Several techniques have been studied, including reducing the size by 2D and 3D folding. The most effective technique was the one based on the insertion of slots in the side ground planes as well as in the lower ground planes. A well optimized dimension of these slots has achieved a structure 5 times smaller with a good impedance matching over all the FCC frequency band. These structures were then fabricated and the prototypes have been characterized. The characterization of the prototypes was obtained after several measurement campaigns in the LEAT and Orange Labs La Turbie. A test bench has been fully developed and measured in time and frequency domains. It permits us to extract the performances of antennas : gain, radiation pattern, impulse response, fidelity factor, etc... The capacity of a transmission through these prototypes was tested in a real environment. High data rate up to 500Mbits/s was obtained. The third phase of the work was to model a UWB chip pulse generator and integrate it together with the antenna in the system. This study was performed in the ECC band. A new printed miniature element with a good matching in this frequency band had to be designed. The chip has been fully modeled and parameterized, so it is taken into account in the design of the system. MIMOC project was completed successfully. The good partnership with all members has been very constructive and has achieved the co-design of the antenna and the microelectronics. Following this work, another project aiming to develop UWB communications systems operating in contact with the human body (RUBY) has just started.; Cette thèse a fait partie du projet MIMOC (Méthodes d'Intégration et de Miniaturisation d'Objets Communicants) qui a été mené à terme en partenariat avec le laboratoire IM2NP de Marseille, la société InsightSiP à Sophia Antipolis et Orange Labs La Turbie. Le projet cible les systèmes de transmission par impulsions occupant une très large bande de fréquences (signaux Ultra Large Bande : ULB). Au sein de ce projet, les travaux de cette thèse ont été concentrés sur le développement, la miniaturisation et l'intégration des antennes dans des systèmes de communications ULB conformes aux normes Américaines (FCC :3.1-10.6 GHz) et Européennes (ECC : 6-8.5 GHz). Le développement d'une antenne consiste à en maîtriser les différents paramètres en analysant leurs influences sur l'adaptation et le rayonnement de celle-ci. Une étude préliminaire a permis de créer une base de données qui a été utilisée par la suite dans les différentes phases du projet afin de réadapter l'élément en fonction de l'évolution de son environnement. Un élément rayonnant imprimé constitué de plusieurs étages rectangulaires, alimenté par la ligne ground coplanaire (GCPW), adapté dans la bande de fréquence FCC, a servi de base d'étude. Cette antenne a été étudiée dans deux configurations correspondant à deux types d'applications : un format carte de crédit et un format clé USB, principalement distinguées par leur encombrement lié à la largeur des plans de masse. L'étude a débuté avec une structure à plan de masse large et a été suivie, dans une deuxième phase, par des travaux de miniaturisation. La miniaturisation consiste à réduire la largeur des plans de masse en modifiant la géométrie de la structure afin de conserver ses performances radioélectriques. Plusieurs techniques ont été étudiées, notamment la réduction de l'encombrement par repliements 2D et 3D. La technique la plus efficace fut celle basée sur l'insertion de découpes au niveau des plans de masse latéraux ainsi qu'au niveau des plans de masse inférieurs. Une bonne maîtrise des dimensions de ces encoches a permis d'obtenir une structure réduite d'un facteur 5 avec une bonne adaptation sur toute la bande de fréquences. Ces structures ont ensuite été réalisées et les prototypes ont été caractérisés. La caractérisation s'est déroulée lors de plusieurs campagnes de mesures au LEAT et à Orange Labs à La Turbie. Un banc de test a été entièrement développé et des mesures dans les domaines temporel et fréquentiel ont permis d'extraire les performances des antennes : gain, diagramme de rayonnement, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc. La capacité d'une transmission à travers ces prototypes a été vérifiée en environnement réel. Des débits allant jusqu'à 500Mbits/s ont été atteint. La troisième phase des travaux a consisté à modéliser une puce génératrice d'impulsions ULB et l'intégrer en l'assemblant avec l'antenne dans un système. Cette étude a été réalisée dans la bande ULB européenne ECC. Un nouvel élément imprimé et miniaturisé adapté dans cette bande de fréquences a du être conçu. La puce a totalement été modélisé et paramétrée de façon à ce qu'elle soit prise en compte lors de la conception du système. Le projet MIMOC a été achevé avec succès. Le bon partenariat avec tous les membres s'est avéré très constructif et a permis de réaliser le codesign de la partie "antenne" et de la partie "microélectronique". Suite à ces travaux, un autre projet qui consiste à développer des systèmes communicants en contact avec le corps humain (RUBY) vient de démarrer.

The main objective of the thesis is to develop a realistic heterogeneous Radio Access Technology physical layer simulator which allows indoor radio propagation modeling for multistandard systems, including Ultra Wide Band. The proposed 3D-Ray Tracing simulation tool PyRay is based on a 3D implementation of Geometrical Optics and Uniform Theory of Diffraction, taking into account all electromagnetic wave propagation effects, antenna patterns, polarization effects and material impacts. It uses Vector Spherical Harmonic expansion of antenna radiation function, as a solution for both issues : compression of the amount of data needed for describing antenna characteristics and fast and correct retrieval of antenna array response for waves coming from arbitrary directions. The presented approach stands at an intermediate level between the exact électromagnetic simulation and the use of a scalar radiation pattern in a simplified manner. The implementation matrix method which can be applied to any simulator based on RT is detailed here. PyRay tool follows a continue development progress, evolving towards a heterogeneous radio simulation platform, that will integrate the mobility of radio nodes which is relevant in different application areas, such as localization.; Les travaux effectués pendant cette thèse portent sur la modélisation réaliste de canaux radios hétérogènes Ultra Large Bande. La plateforme de simulation de canal PyRay, détaillée au cours de ce manuscrit, rend compte des phénomènes physiques en présence dans un canal de propagation, en y intégrant de façon appropriée l’effet large bande des matériaux et des antennes, afin d’augmenter son réalisme. En se plaçant à un niveau intermédiaire au plan de la description de la physique entre la simulation électromagnétique exacte et l’usage très simplifié d’un diagramme de rayonnement scalaire d’antenne, le développement en harmoniques sphériques vectorielles est utilisé pour rendre compte efficacement de la fonction de rayonnement des antennes dans l’outil de modélisation du canal proposé. Cette approche a le double avantage de permettre une représentation compacte des antennes et de pouvoir regénérer sans interpolation la fonction vectorielle d’antenne dans toute direction arbitraire. La méthode d’implémentation matricielle qui peut être appliquée à tout simulateur à base de tracé de rayons est décrite dans ce manuscrit. PyRay évolue graduellement vers une plateforme de simulation radio hétérogène, intégrant la mobilité des noeuds radios en vue d’une exploitation dans divers contextes applicatifs dont celui très important de la localisation.

Interference is a phenomenon that is present in many communication systems and is often a serious hindrance to their development. An intelligent management of this phenomenon is thus necessary to limit its negative impact. In this thesis, we addressed three issues related to its presence. In the first part, in order to boost transmission rates in impulse radio ultra-wide band systems, we propose to assign multiple time-hopping codes to the same user. This generates a new type of interference associated with the additional codes allocated to the user of interest. Since the benefit of this type of strategy is not straightforward, we study the impact of our proposition on the system's performance. In the second part, we tackle the problem of optimizing the outage probability of multiple-antenna systems in a slow fading Rician channel. We propose to optimize this probability in the context of N transmit antennas and one single receive antenna, when the signal-to-noise ratio is high, and improve it when there are multiple antennas both at the transmitter and at the receiver. In the last part, we study the problem of power allocation in a Gaussian interference channel. Based on a new approximate expression of this channel's capacity and using an OFDM modulation, we propose to develop a new power allocation algorithm that improves the achievable rates region, compared with a uniform allocation and classic dynamic spectrum management techniques., L'interférence est un phénomène présent dans de nombreux systèmes de communication et est souvent un sérieux frein à leur développement. Une gestion intelligente de ce phénomène est alors nécessaire, afin de limiter son impact négatif. Dans cette thèse, nous avons abordé trois sujets liés à sa présence. Dans la première partie, de façon à augmenter le débit de transmission dans les systèmes à ultra large bande basés sur des impulsions brèves, nous proposons d'attribuer plusieurs codes à saut temporel au même utilisateur. Ceci génère un nouveau type d'interférence associée aux codes supplémentaires alloués à l'utilisateur d'intérêt. Le bénéfice de ce type de stratégie n'étant pas immédiat, nous étudions l'impact de notre proposition sur les performances du système. Dans la deuxième partie, nous traitons le problème de l'optimisation de la probabilité de coupure dans un système multi-antennaire, soumis à un canal de Rice à évanouissement lent. Nous proposons d'optimiser cette probabilité dans le contexte à N antennes de transmission et une antenne de réception, lorsque le rapport signal-à-bruit est grand, et de l'améliorer dans le contexte à plusieurs antennes de transmission et plusieurs antennes de réception. Dans la dernière partie, nous étudions le problème de l'allocation de puissance dans un canal à interférence gaussien. En nous basant sur une nouvelle expression approchée de la capacité de ce canal et moyennant une modulation OFDM, nous proposons de développer un nouvel algorithme d'allocation de puissance qui améliore la région de débits atteignables, en comparaison avec une allocation uniforme et des schémas classiques de gestion dynamique du spectre.

This thesis evaluates the potential of Ultra Wideband Impulse Radio for wireless sensor network applications. Wireless sensor networks are collections of small electronic devices composed of one or more sensors to acquire information on their environment, an energy source (typically a battery), a microcontroller to control the measurements, process the information and communicate with its peers, and a radio transceiver to enable these communications. They are used to regularly collect information within their deployment area, often for very long periods of time (up to several years). The large number of devices often considered, as well as the long deployment durations, makes any manual intervention complex and costly. Therefore, these networks must self-configure, and automatically adapt to changes in their electromagnetic environment (channel variations, interferers) and network topology modifications: some nodes may run out of energy, or suffer from a hardware failure. Ultra Wideband Impulse Radio is a novel wireless technology that, thanks to its extremely large bandwidth, is more robust to frequency dependent propagation effects. Its impulsional nature makes it robust to multipath fading, as the short duration of the pulses leads most multipath components to arrive isolated. This technology should also enable high precision ranging through time of flight measurements, and operate at ultra low power levels. The main challenge is to design a system that reaches the same or higher degree of energy savings as existing narrowband systems considering all the protocol layers. As these radios are not yet widely available, the first part of this thesis presents Maximum Pulse Amplitude Estimation, a novel approach to symbol-level modeling of UWB-IR systems that enabled us to implement the first network simulator of devices compatible with the UWB physical layer of the IEEE 802.15.4A standard for wireless sensor networks. In the second part of this thesis, WideMac, a novel ultra low power MAC protocol specifically designed for UWB-IR devices is presented. It uses asynchronous duty cycling of the radio transceiver to minimize the power consumption, combined with periodic beacon emissions so that devices can learn each other's wake-up patterns and exchange packets. After an analytical study of the protocol, the network simulation tool presented in the first part of the thesis is used to evaluate the performance of WideMac in a medical body area network application. It is compared to two narrowband and an FM-UWB solutions. The protocol stack parameters are optimized for each solution, and it is observed that WideMac combined to UWB-IR is a credible technology for such applications. Similar simulations, considering this time a static multi-hop network are performed. It is found that WideMac and UWB-IR perform as well as a mature and highly optimized narrowband solution (based on the WiseMAC ULP MAC protocol), despite the lack of clear channel assessment functionality on the UWB radio. The last part of this thesis studies analytically a dual mode MAC protocol named WideMac-High Availability. It combines the Ultra Low PowerWideMac with the higher performance Aloha protocol, so that ultra low power consumption and hence long deployment times can be combined with high performance low latency communications when required by the application. The potential of this scheme is quantified, and it is proposed to adapt it to narrowband radio transceivers by combining WiseMAC and CSMA under the name WiseMAC-HA.

Many applications like sensor networks require a wireless link to transfer data, not necessarily with a high speed rate, but with very low power consumption. The Impulse Radio - Ultra Wideband technology benefits from intrinsic properties that enable to develop low-complexity transceiver solutions. It also takes advantage of the fine temporal resolution that inherently results from the wide available bandwidth, hence providing appealing radiolocation capabilities. For these two main reasons, UWB technologies were strongly supported when the IEEE 802.15.4a task group started defining an alternative physical layer (PHY) for Wireless Personal Area Networks (WPAN). The work presented in this thesis took place in this double context of technological research and standardization, aiming at a low-complexity receiver architecture compliant with the on-going standard. Firstly, UWB signals are characterized and an analytical pulse model is proposed. It takes into account the main PHY parameters entering into the radiated power, such as bandwidth, power spectral density, pulse repetition frequency, etc. The propagation channel influence is then considered. Different statistical studies based on IEEE channel models are proposed, concerning energy repartition, small scale fading, pulse magnitude distribution and correlation properties. Subsequently, the different kinds of receiver architectures are described and compared in terms of performance, complexity, robustness to multi-paths, etc. Finally, the most relevant features of the 802.15.4a standard and the complete solution selected for implementation are detailed, including a synchronization algorithm compliant with IEEE preambles., Nombre d'applications nécessitent un lien de communication sans fil présentant une faible consommation électrique, sans requérir de débits élevés. La technologie basée sur la transmission de signaux impulsionnels UWB dispose de bonnes propriétés intrinsèques permettant non seulement d'envisager la mise en œuvre de solutions peu complexes au niveau de l'émetteur-récepteur, mais aussi d'exploiter à des fins de radiolocalisation la résolution temporelle inhérente à la largeur de bande disponible. Cette technologie a d'ailleurs été plébiscitée au sein du groupe IEEE 802.15.4a qui a été chargé de définir une couche physique alternative pour les WPAN bas débit. C'est dans ce contexte de recherche technologique et de normalisation que s'inscrivent ces travaux de thèse, avec pour objectif la définition d'une architecture de récepteur consommant peu, et compatible avec la norme en cours d'élaboration. En premier lieu, nous caractérisons les signaux UWB et développons un modèle d'impulsion prenant en compte les principaux paramètres de la couche physique intervenant dans la puissance rayonnée (largeur de bande, densité spectrale, fréquence de répétition des impulsions, etc.). Nous étudions ensuite l'influence du canal de propagation et modélisons de manière statistique plusieurs grandeurs nécessaires à l'établissement d'un bilan de liaison réaliste (distribution des amplitudes reçues, répartition de l'énergie, etc.). À la lumière de ces études, nous explorons et comparons différentes architectures de réception (performance, complexité, robustesse aux trajets multiples, etc). Enfin, la solution retenue, comprenant également un algorithme de synchronisation, est présentée en détails.

Usuellement utilsées pour des mesures de Compatibilité Electromagnétique (CEM), les Chambre Réverbérante à Brassage de Modes (CRBM) offrent un fort intérêt pour la mesure d'efficacité d'antennes par son rendu d'environnement de propagation multitrajets uniforme. Le travail consiste à utiliser les propriétés des CRBM pour la mesure d'antenne Ultra Large Bande (ULB) et à la comparer avec les methodes de mesures existantes. Ceci par le développement d'une méthode de mesure temporelle utilisant le Retournement Temporel (RT).

In recent years, extensive research and development efforts have been put into exploiting planar filters for their potential qualities of low cost, tiny weight and high degree of integration. The aim of the research work presented in this manuscript is the design and the realization of selective and miniaturized planar filters. A new topology of compact low-pass filter with periodic structures, constituted by a transmission line loaded by SMT capacitors, is proposed. A rigorous design method for the low-pass filter is also implemented. The measurements of the low-pass filters, realized near to 1 GHz in a CPW technology, in good agreement with simulations demonstrated interesting electrical proprieties of rejection, matching and spurious suppression. The validity of this topology is also investigated for higher frequencies with the realization of a low-pass filter in the X-band. Several capacitor's characterization approaches were also investigated. The implementation of capacitors in a low pass filter with periodic structure carried out constitutes the most precise way to characterize capacitors. A new topology of Ultra Wide Band band-pass filters, based on the combination of a high pass filter with short circuited stubs and a low pass filter with capacitively loaded lines, is proposed. The measurements of the prototype filters realized in a microstrip technology, in good agreement with simulations, show interesting proprieties of selectivity, miniaturization and spurious suppression.; 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.

National audience; Dans ces dernières années, il y a eu un développement très marqué des systèmes de télécommunications sans fils. Des réseaux locaux aux téléphones portables, le marché demande de plus en plus des systèmes rapides, fiables et très peu gourmands en énergie. Les technologies Ultra Large Bande (ULB ou UWB pour Ultra Wide Band) constituent un candidat très prometteur pour répondre à ce type d'exigences. Une possibilité consiste à émettre des impulsions de durée inférieure à la nanoseconde. À cause du caractère impulsionnel, le spectre occupé par ce type de modulation est très large. Dans ce papier, nous proposons l'étude d'un émetteur ULB constitué par un générateur d'impulsions couplé avec une antenne ULB. La spécificité de notre approche consiste à ne pas aborder la conception de ces deux éléments séparément, mais plutôt les considérer comme faisant partie d'un système unique, dans une stratégie de co-design. Des résultats de simulation et de mesure seront présentés, attestant la possibilité d'obtenir un module d'émission ULB qui respecte les masques proposés par les organismes de régulation.

In recent years, extensive research and development efforts have been put into exploiting planar filters for their potential qualities of low cost, tiny weight and high degree of integration. The aim of the research work presented in this manuscript is the design and the realization of selective and miniaturized planar filters. A new topology of compact low-pass filter with periodic structures, constituted by a transmission line loaded by SMT capacitors, is proposed. A rigorous design method for the low-pass filter is also implemented. The measurements of the low-pass filters, realized near to 1 GHz in a CPW technology, in good agreement with simulations demonstrated interesting electrical proprieties of rejection, matching and spurious suppression. The validity of this topology is also investigated for higher frequencies with the realization of a low-pass filter in the X-band. Several capacitor's characterization approaches were also investigated. The implementation of capacitors in a low pass filter with periodic structure carried out constitutes the most precise way to characterize capacitors. A new topology of Ultra Wide Band band-pass filters, based on the combination of a high pass filter with short circuited stubs and a low pass filter with capacitively loaded lines, is proposed. The measurements of the prototype filters realized in a microstrip technology, in good agreement with simulations, show interesting proprieties of selectivity, miniaturization and spurious suppression., 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.

La technique ultra large bande (UWB) par impulsions consiste à émettre des impulsions de courte durée et de faible énergie offrant ainsi la possibilité de transmettre de l'information à de hauts débits et à faible coût. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux systèmes ultra large bande à accès multiple par répartition de codes de saut temporel (TH-UWB) dans un contexte asynchrone et dans un environnement de propagation à trajets multiples. Un récepteur rake a été mis en place. Nous avons calculé de manière analytique la variance de l'interférence multi-utilisateur (MUI) en sortie de ce récepteur. Ceci nous a permis d'identifier les paires dites optimales qui minimisent cette variance. Nous avons constaté qu'utiliser ces paires permet d'améliorer significativement le taux d'erreur binaire du système. Une démarche similaire a été appliquée aux systèmes DS-UWB et DS-CDMA, en effet ces systèmes s'expriment analytiquement de manière identique au système TH-UWB. Ainsi nous avons pu caractériser les paires optimales. Nous avons ensuite comparé les performances de ces différents systèmes lorsque la variance de la MUI est minimale. La variance de l'interférence entre symboles et entre trames (ISI / IFI) a été calculée analytiquement. Ceci nous a permis de dimensionner le récepteur rake et le temps de garde intelligemment. Nous avons également observé, en absence d'ISI / IFI et de bruit, un seuil sur la probabilité d'erreur. En modifiant légèrement le récepteur, nous avons éliminé ce seuil. Enfin nous avons établi les bornes de Cramer-Rao relatives à l'estimation des paramètres du canal (amplitudes et retards) en supposant que les trajets pouvaient se chevaucher.

From its new approach, the Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) technology is carrying many promises in terms of troughput, robustness, and low energy consumption. Because his bandwidth (higher than 500 MHz), it also makes it possible to do high accuracy geolocalisation. This thesis work began whereas the first publications on UWB had extraordinary simulation results. In order to better determine IR-UWB real potential in the field of low throughput communications to which their one seems particularly adapted, this study was directed towards the prototyping of an UWB link, underlain by the constraint of strong complexity reduction. This study starts with the specification of a physical layer adapted to the technology and the applicability considered, which is based on a very simple transmission scheme. The transmitter is based on a very simple architecture build with low cost "off the shelf" components and thus shows the possibility of embarking such a structure in an autonomous low cost communicating object. The receiver structure follows an original approach based on a video detector and a variable threshold comparator, which makes it possible to slacken certain blocking constraints like those related to synchronization. A set of low complexity receiving algorithms is also developed to enable the use of this structure while raising various technological deadlock. By this work, a global reflexion on an low data rate IR-UWB system was conducted and led to the realization of a physical radio link which shows the technical viability of this technology. Moreover, the results obtained were the base of a full proposal carried in standardization.; De par son approche nouvelle, la radio impulsionnelle ultra large bande (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses en termes de débit, de robustesse et de faible consommation. Du fait de sa largeur de bande (supérieure à 500 MHz), elle offre également la possibilité de faire de la géolocalisation avec une précision submétrique. Ce travail de thèse a débuté alors que les premières publications sur l'UWB présentaient des résultats de simulation extraordinaires. Afin de mieux cerner son réel potentiel dans le domaine des communications bas débit auquel l'UWB-IR semble particulièrement adaptée, cette étude a été orientée vers la réalisation matérielle d'une chaîne de communication, sous-tendue par la contrainte de forte réduction de complexité. Cette étude commence par la spécification d'une couche physique adaptée à la technologie et au domaine d'application envisagé, qui repose sur un schéma de transmission très simple. La plate-forme d'émission réalisée est basée sur une architecture très simple et des composants discrets de bas de gamme. Elle démontre ainsi la possibilité d'embarquer une telle structure dans un objet communicant autonome de faible coût. La chaîne de réception suit une approche originale basée sur un détecteur d'enveloppe et un comparateur à seuil variable, ce qui permet de relâcher certaines contraintes bloquantes comme celles liées à l'acquisition de synchronisation. Un ensemble d'algorithmes de réception à faible complexité permet d'exploiter au mieux cette structure de détection en levant différents verrous technologiques. Par ce travail, une réflexion globale sur un système UWB-IR bas débit a été menée et a abouti à la réalisation d'un lien radio physique qui démontre la viabilité technique de cette technologie en rupture. De plus, les résultats obtenus ont été la base d'une proposition complète portée en normalisation.

Many recent applications rely on the capability of communication means in delivering precise location information. In this context, the intrinsic properties of the Impulse Radio Ultra Wideband (IR-UWB) technology can be exploited: high multipath resolution, fine temporal precision enabling Time Of Flight (TOF) estimation and synchronization... UWB, which is also adapted to mobile, distributed and infrastructure-less solutions (ad hoc), discloses new fascinating perspectives in terms of networking. Regarding Low Data Rate WPAN applications (e.g. the IEEE 802.15.4a standard, with rates up to 1Mbps), fused communication and location functionalities based on low-cost and low-consumption UWB devices present overwhelming features compared to existing technologies (e.g. Zigbee...). The proposed work addresses the global UWB localization problem in wireless networks. Some general ideas are emphasized, such as the necessity to take into account a prior knowledge related to the UWB physical layer, exploiting multipath diversity or modern network embodiments (from both protocol and topology points of view). At first, the errors that can affect basic radiolocation metrics (Time Of Arrival, Time Difference Of Arrival) are characterized and modelled. These errors can be independent of the physical layer (clock drifts, protocol transactions, etc.) or can result from severe propagation conditions (e.g. Non-Line Of Sight situations). Then, the detection performance of two representative low-complexity UWB receivers (e.g. 1 bit direct sampling) is evaluated under realistic environments. We also recommend the use of original positioning techniques (e.g. distributed maximization of the joint log-likelihood of the range estimates, fingerprinting, mitigation of the deterministic biases induced by single-path refractions) or tracking techniques (e.g. advanced Bayesian filtering) adapted to Non-Line Of Sight situations. Finally, some preliminary experimental results obtained in the lower band ([0.5:1]GHz) are provided and allow us to illustrate some of the discussed points., 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.