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Résumé

La technologie RFID étant très attractive dans le domaine des sciences technologiques et très  appliquée pour l’identification d’une variété de produits et d’êtres humains. Les tags qui sont utilisés pour l’identification de ces produits rencontres des problèmes de fonctionnement face aux  environnements complexes. Il est évident, dans ces situations, que le tag ait une grande robustesse afin de biens fonctionner sans dégradations de ses paramètres faces à ces environnements ce qui lui permettra de surmonter les effets de ces surfaces complexes.  

Cette thèse porte sur la conception, l’optimisation et la réalisation d’antennes tags RFID UHF passifs robustes appliqués à des environnements complexes. Trois prototypes destinés à des applications différentes sont proposés dont le premier est un PIFA appliquer aux surfaces métalliques, le deuxième est un dipôle destiner à suivre certains produits utilisés dans la chaine d’approvisionnement et le dernier est un tag flexible appliqué dans le domaine médical pour l’identification des poches de sang et de solutions intraveineuses (IV). Pour améliorer la robustesse des tags, des techniques d’amélioration du gain d’antenne telles que les surfaces sélectives en fréquence (FSS) dont le conducteur magnétique artificiel (AMC) sont utilisées sur le PIFA et le tag flexible. L’application des tags sur différentes surfaces complexes a permis de voir leurs robustesses puis les prototypes réalisés permettent de confirmer les résultats de simulations. La validation faites par des mesures sur les prototypes réalisés montre que ces tags proposés peuvent fonctionner sur les environnements auxquels ils sont appliqués.

Mots clés : Système RFID, antennes tags, PIFA, environnements complexes, robustesses, miniaturisation des antennes, flexibilité, FSS, EBG, AMC. 

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Bon nombre de systèmes dans la bande ISM comme l’Internet des Véhicules (IoV) par ses nœuds de capteurs, les modules Wi-Fi ect. utilisent généralement des antennes omnidirectionnelles. Ces d´dernières provoquent ainsi un gaspillage d’´énergie dû à leur rayonnement se faisant de la même façon dans toutes les directions.

 Dans le contexte particulier de contrôler le rayonnement pour réduire les pollutions électromagnétiques, avec l’abondance inconsidérée d’objets connectés, ce travail est dans le cadre de proposer de nouvelles techniques de réseaux d’antennes superdirectifs et reconfigurables en diagramme pour application sans fil dans la bande ISM 2,45GHz. Il s’agit donc de systèmes multiantennaires basé sur la théorie d’Uzkov. Deux modèles de réseaux d’antennes superdirectifs sont ainsi dans un premier temps proposé par excitation de toutes les antennes par des courants d’excitation appropriés calculés au préalable. Dans le but d’´éliminer le fort couplage entre antennes, l’utilisation d’´éléments parasites par ajout de composants passifs (inductives ou ca- actives) simplement contrôlables a ´été proposée dans un second temps. Ces solutions présentent ainsi en simulation un coefficient de réflexion de −29dB, une efficacité de 96%, un rayonnement avant et arrière respectivement de 5, 25dB et −11, 5dB et un angle d’ouverture de 117°dans toutes les directions. Une campagne de mesures a été aussi effectuée après réalisation, permettant de voir la concordance entre les résultats de simulation et de mesure.

Mots clés : Superdirectivité, reconfigurabilté, théorie d’Uzkov, ´équations d’Uzkov, théorie de Non-Foster.

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La géolocalisation permet d'estimer la position d'une cible ou d'un utilisateur. Le terme de positionnement peut être défini comme le processus de détermination de la position d'un objet ou d'une personne par rapport à un point de référence à l'aide de plusieurs technologies. Plusieurs technologies sont conçues pour suivre l'emplacement des utilisateurs mobiles. De nos jours, l'Homme a mis en place un système de positionnement par satellite, plus connu sous le nom de Global Positioning System (GPS) qui offre une précision suffisante à l'extérieur. Toutefois, le GPS présente un certain nombre de limites dues à la faible pénétration des signaux GPS à l'intérieur des bâtiments en raison d'obstacles. Par conséquent, la localisation peut être interrompue. C'est pourquoi des solutions alternatives de positionnement sont à l'étude. Le positionnement en intérieur par Wi-Fi (Wireless Fidelity) a attiré récemment l’attention de nombreux chercheurs. En effet, les communications directionnelles à 60 GHz sont vulnérables aux obstacles dans les réseaux à ondes millimétriques ce qui fait que l'estimation de la position de l’utilisateur est susceptible d’erreur. L'objectif de cette thèse est de concevoir un système de positionnement intérieur autonome et robuste pour les utilisateurs mobiles à l’intérieur des bâtiments. Nous proposons d'estimer l'emplacement de l'utilisateur mobile par la technique d’empreinte digitale (Fingerprint) qui est plus facile à réaliser mais du fait de sa précision comparé aux autres techniques classiques. La technique par Fingerprint est un processus en deux étapes, dans lequel une carte radio de la zone surveillée est construite en collectant l'intensité du signal à partir d'emplacements connus. Un emplacement inconnu est ensuite prédit en utilisant cette carte radio comme référence. Pour cette méthode, l’indicateur de l’intensité du signal reçu (Received Signal Strength Indicator, RSSI) est le plus souvent utilisé. Néanmoins, les valeurs de RSSI sont affectées par des fluctuations aléatoires causées par des phénomènes d'évanouissement et de trajets multiples, ce qui entraîne une diminution de la précision. En plus, les signaux sont très bruités. Dans ce cas, nous avons appliqué l’erreur quadratique moyenne minimale (MMSE) et le filtre des moindres carrés récursifs (RLS) afin de réduire le bruit des données. Ensuite, nous avons utilisé des algorithmes d’apprentissage automatique (Machine Learning, ML) pour estimer la position. Comparé aux autres approches, notre approche réduit de 12 à 6 le temps de conception, d’évaluation.

Mots-Clés : Positionnement intérieur, Wi-Fi, Fingerprint, Machine Learning (ML) algorithmes, Indicateur de l'intensité du signal reçu (RSSI), erreur quadratique moyenne minimale (MMSE), Filtre des moindres carrés récursifs (RLS).

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La communication optique coopérative ou la technologie MIMO virtuelle permet à un réseau optique en espace libre de coordonner la répartition des antennes et d'obtenir des gains de performances considérables, similaires à ceux des systèmes MIMO conventionnels. Elle permet des améliorations significatives en termes de capacité et de couverture de réseau. La communication FSO (Free Space Optics) coopérative est l’une des technologies les plus prometteuses pour la prochaine génération de réseaux de communication optique sans fil. Plusieurs travaux ont montré que cette technique de communication avait de meilleures performances par rapport aux techniques classiques dans les systèmes FSO. Cependant, pour résoudre le problème des turbulences atmosphériques et les perturbations dans les systèmes coopératifs FSO, plusieurs techniques de communication se limitent au modèle de transmission avec des relais. De plus, les modèles de communication supposent une connaissance parfaite du canal de transmission au récepteur, ce qui ne reflète pas le cas réel d’une transmission sur un canal FSO. Finalement, la communication coopérative dans les FSO a été étudiée partiellement. Les travaux antérieurs se sont limités à des modelés de transmission par relais et à des transmissions sans l’utilisation des codes correcteurs d’erreurs. Afin de remédier à toutes ces limites du modèle de communication coopérative FSO, nous proposons des architectures qui intègrent chacune de ces contraintes en utilisant les codes LDPC. Les résultats des simulations montrent les gains de performances des nouveaux modèles de transmission développés. Ceci nous a permis de comprendre le comportement du réseau optique coopératif avec les techniques de transmissions proposées et ces techniques de transmission offrant les meilleures performances en taux d’erreur binaire.

Mots-Clés : transmission optique en espace libre, codes LDPC, systèmes coopératifs, codes LDPC.

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Cette thèse porte sur l’étude, la conception et l’optimisation d’antennes miniatures, multi-bandes et agiles en fréquence, destinées à des applications IoT et mobiles dans les bandes LTE et 5G sub-6 GHz. Ces antennes sont réalisées sur des plans de masse de dimensions 120x60 mm². D’abord la conception d’une antenne PIFA bi-bande, couvrant les bandes ISM 868 MHz et 915 MHz est effectuée. Ensuite, nous avons proposé la conception et l’optimisation d’un système multi-antennaires multistandards à deux accès, fonctionnant sur les fréquences basses de la bande LTE (700 à 900 MHz) et couvrant en même temps la bande LTE 2600 et une partie de la bande 5G [3,4 - 3,8 GHz]. Ce système antennaire est constitué de deux antennes PIFAs associées à des éléments parasites également de type quart d’onde, permettant l’élargissement de leurs bandes passantes dans certaines bandes de fréquences. L’une des antennes fonctionne sur trois bandes de fréquences, elle est agile en fréquence sur sa bande basse. L’autre antenne opère quant à elle sur deux bandes fréquences (la bande LTE 2600 et la bande 5G 3600). L’agilité en fréquence de l’antenne reconfigurable est obtenue au moyen d’une diode varactor polarisée directement sur le port d’alimentation de l’antenne à l’aide d’un circuit LC parallèle, connecté sur sa ligne d’alimentation. Enfin, grâce à l’étude des modes caractéristiques du plan de masse, les positions des différentes antennes du système MIMO sont choisies de manière à ce qu’elles soient naturellement isolées sans l’emploi des méthodes de découplage classiques. Le système final couvre la bande LTE [700 - 900 MHz], reconfigurable en fréquence, la bande LTE 2600 et une partie de la bande 5G [3,4 - 3,8 GHz]. Les mesures ont montré une bonne isolation des antennes (|S21|≤-20 dB) dans les deux bandes où le système fonctionne en mode MIMO. Les efficacités mesurées dans la bande reconfigurable ne sont pas très élevées, cependant, elles restent correctes pour l’application visée.

Mots clés : Antennes miniatures, reconfigurables, LTE, IoT, MIMO, modes caractéristiques

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L’évolution éclaire des exigences en haut débit et en hautes performances des systèmes de communication mobiles conduiront à l’utilisation de dizaine de milliards de petits objets communicants à l’horizon 2020 sous l’ère des réseaux de cinquième génération. Ces réseaux intégreront des technologies radio adaptatives. Les antennes reconfigurables ou adaptatives, particulièrement en diagramme de rayonnement constituent un élément essentiel de ces technologies. Les antennes reconfigurables en diagramme de rayonnement permettent d’économiser de l’énergie, d’éviter les bruits de source et fournissent une plus grande couverture.

Bien qu’offrant de bonnes performances, l’emploi des composants actifs tels que les diodes-PIN et les systèmes micro-électromécaniques MEMS augmente le coût et la complexité de fabrication des antennes reconfigurables en digramme de rayonnement mais également induit l’apparition d’effets résistifs qui diminuent les performances de ses antennes.

Les travaux de cette thèse proposent une nouvelle approche d’agilité en digramme de rayonnement par utilisation de simples lignes de transmission qui composent un quadripôle appelé coupleur hybride. Le principe de cette nouvelle approche consiste à modifier la configuration du diagramme de rayonnement du système antennaire par un simple ou une combinaison d’excitations permettant d’avoir de bonnes performances. L’adoption de cette technique devrait permettre de diminuer considérablement le coût de fabrication des petits objets communicants qui l’intègrent.

Mots clés : Antennes miniatures, agilité, diagramme de rayonnement, coupleur à branches, 5G.

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Cette thèse porte sur l’étude des architectures systèmes de transmission optiques terrestres en espace libres adaptés aux milieux turbulents. La transmission optique en espace libre une solution candidate potentielle des réseaux très haut débit qui pourraient se substituer à une installation fibre ou à une liaison hertzienne si le besoin en capacité est plus élevée. La variation dans un milieu ouvert des caractéristiques physiques du milieu ambient le long du trajet de propagation de la lumière perturbe la direction des rayons lumineux. La turbulence naît avec les multiples changements des indices de réfractions dans le milieu donné. Ceci est dû à la dépendance entre la température et l’indice de réfraction du milieu. Les aspects de l’architecture système qui ont plus été discuté sont les modulations optiques, la diversité spatio-temporelle y compris les systèmes multi-antennes et les relais. Les études ont permis de dégager les limites du recours aux relais en séries pour relier deux sites très distants. L’option des relais en parallèle comme dans le cas des réseaux mobiles a été investigué. Il a été montré l’importance de privilégier un type de modulation. Une autre innovation de cette thèse est l’introduction des réseaux optiques passifs en espace libre. Les résultats des diverses simulations permettent d’apprécier les performances des architectures considérées selon que le milieu soit faiblement ou fortement turbulent. 

Mots Clés : transmission optique en espace libre, systèmes multi-antennes, relais, réseaux optiques passifs 

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Dans les systèmes de communication numérique modernes (objets communicants, assistants personnels, radiotéléphonies) une large part de l’efficacité des transmissions dépend des algorithmes de codage et de décodage de canal. Pour résoudre les contraintes de débit et de puissance d’émission, les réseaux de radiocommunication se tournent vers des systèmes à plusieurs antennes à l’émission et à la réception. Ces outils de la théorie de l’information, généralement utilisés en transmission numérique, sont exploités pour améliorer la détection des canaux MIMO. Nous utilisons, notamment, les codes polaires qui représentent, actuellement, la première et seule famille de codes permettant d’atteindre les deux limites établies par Shannon sur le codage canal et source.

Nos propositions dans cette thèse s’articulent autour de deux axes :

• Pour le premier axe, un diagramme en block constituant les blocs fondamentaux en transmission de l’information, dont l’accent est mis sur le codage polaire de longueur moyenne, un détecteur de Minimisation d’erreur moyenne par annulation d’interférences successive (MMSE-SIC) et le décodage de canal d’Annulation Successive (SC).

• Le second axe sera une continuité du premier consiste à concaténer les codes polaires au Space Time Block Codes, pour permettre d’exploiter la diversité, et ainsi d’avoir une grande capacité d’information.

Nous avons proposé des améliorations en y ajoutant le principe de traitement itératif (turbo-égalisation) qui effectue un échange d’informations entre un décodeur de canal et un égaliseur (ou détecteur) dans le but d’améliorer la fiabilité de l’information au fil des itérations. Nous avons montré que ce schéma une complexité moindre que celle utilisée par les codes LDPC (Low Density Parity Check) Non-binaires.  

Mot clés : Codes polaires, SC, BP, MMSE-SIC, codes correcteur, MIMO, ML, encodage, décodage, complexité.