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812/2020/UA/ED STII/TASI Année universitaire : 2019-2020

ECOLE DOCTORALE EN SCIENCES ET TECHNIQUES DE

Laboratoire de Recherche en Télécommunication, Automatique, Signal et Images

THESE DE DOCTORAT

grade de

Domaine :

Thématique :

Spécialité : Télécommunication

Par : RAKOTONIRINA Hariniony Bienvenu

Titre : CONTRIBUTION A LA MODELISATION ET A

TECHNIQUE DE LINEAR

AMELIORER LES RESEAUX DE TELECOMMUNICATION 5G

Soutenu le Mercredi 02 décembre 2020

Président de Jury : M. RANDIMBINDRAINIBE Falimanana, Professeur Titulaire

Examinateurs :

M. RANDRIAMITANTSOA Andry Auguste, Professeur

M. REZIKY ZAFIMARINA STEFANA Hery Zojaona Tantely, HDR Rapporteur externe : M. RATIARISON Adolphe, Professeur Emérite Rapporteur interne : Mme.RAMAFIARISONA Hajasoa Malalatiana, Professeur Directeur Scientifique : M. RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste, Professeur Titulaire i

REMERCIEMENTS

IEU pour sa bonté et ses miséricordes car I

la force et le courage pour mettre à terme cette thèse.

Cette thèse décrit les travaux de recherche qui ont été effectués au Laboratoire de Recherche "

Télécommunication,

-STII). exprime mes sincères remerciements envers toutes les personnes sa pas été réalisé, particulièrement à :

Monsieur RAVELOMANANA Mamy Raoul

Monsieur RANDIMBINDRAINIBE Falimanana, Professeur Titulaire, Responsable de eil Sciences Cognitives et Applications s Jury de cette thèse, et sous la direction

duquel, ces travaux ont été effectués, pour son aide, sa sympathie, sa pédagogie et ses

réalisation de cette thèse. Il a su se montrer disponible tout au long de mes travaux de recherche,

Monsieur RATIARISON Adolphe, Professeur Emérite, Responsable du Laboratoire Physique et Applications, en sa qualité de rapport externe, Madame RAMAFIARISONA Hajasoa Malalatiana, Professeur, Membre de Doctorale ii Monsieur RANDRIAMITANTSOA Andry Auguste, Professeur, Membre de Monsieur REZIKY ZAFIMARINA STEFANA Hery Zojaona Tantely, HDR, Membre de personnels administratifs Ecole sans qui ce travail n iii

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS .............................................................................................................................. i

TABLE DES MATIERES .................................................................................................................... iii

NOTATIONS ....................................................................................................................................... viii

LISTES DES TABLEAUX ET DES FIGURES ............................................................................. xxiv

INTRODUCTION ET POSITION DU PROBLEME ........................................................................ 1

CHAPITRE 1 VARIABLES ALEATOIRES, RESEAUX DE NEURONES ET CODES

.......................................................................................................... 3

1.1 Introduction ........................................................................................................................... 3

1.2 Variables aléatoires ............................................................................................................... 3

1.2.1 Tribu ................................................................................................................................ 3

1.2.2 Quelques théorèmes fondamentaux sur les tribus ........................................................ 4

1.2.3 Tribu borélienne ............................................................................................................. 6

1.2.4 Mesure et probabilité ...................................................................................................... 6

1.2.5 Notions sur les variables aléatoires ................................................................................ 9

1.3 Réseaux de neurones ........................................................................................................... 23

1.3.1 Historique ..................................................................................................................... 23

1.3.2 Neurone biologique ...................................................................................................... 24

1.3.3 Neurone formel ou neurone artificiel .......................................................................... 25

1.3.4 ................................................................................................... 27

1.3.5 Réseaux de neurones artificiels ................................................................................... 29

1.4 Théories de base sur les codes correcteurs ........................................................................ 40

1.4.1 Corps fini ou corps de Galois ....................................................................................... 40

1.4.2 Code par bloc ................................................................................................................ 42

1.4.3 Code linéaire (code linéaire en bloc) ........................................................................... 46

1.5 Conclusion ............................................................................................................................ 53

CHAPITRE 2 MODELISATION DES TECHNOLOGIES MULTIPORTEUSES AVANCEES ...

............................................................................................................................................................... 54

2.1 Introduction ......................................................................................................................... 54

2.2 Chaine de transmission numérique ................................................................................... 54

2.3 Phénomènes physiques dans le canal radioélectrique ...................................................... 55

2.3.1 Phénomènes à grande échelle ...................................................................................... 55

2.3.2 Phénomènes à petite échelle ......................................................................................... 59

2.4 Canal radio ........................................................................................................................... 63

2.4.1 Canal AWGN (Additive White Gaussian Noise) ........................................................... 64

2.4.2 Densité de probabilité du SNR (Signal-to-Noise Ratio) .............................................. 64

iv

2.4.3 Canal de Rayleigh ......................................................................................................... 66

2.5 Modulation numérique ............................................................................................................. 66

2.5.1 Principe de la modulation numérique ......................................................................... 68

2.5.2 Modulation ASK ........................................................................................................... 69

2.5.3 Modulation PSK ........................................................................................................... 70

2.5.4 Modulation QAM .......................................................................................................... 70

2.5.5 .......................................................... 71

2.6 Technologies multiporteuses avancées .............................................................................. 71

2.6.1 ................................................................................................. 71

2.6.2 Principe des modulations multiporteuses .................................................................... 74

2.6.3 Multiplexage fréquentiel avec porteuses orthogonales ............................................... 75

2.6.4 Modulation OFDM .............................................................................................................. 76

2.6.5 Modulation FBMC ....................................................................................................... 85

2.6.6 Comparaison entre les modulations OFDM et FBMC-OQAM .................................. 96

2.7 Conclusion .......................................................................................................................... 100

CHAPITRE 3 AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE VIS A VIS DES SIGNAUX

MULTIPORTEUSES ........................................................................................................................ 101

3.1 Introduction ....................................................................................................................... 101

3.2 Caractéristique des signaux multi porteuses................................................................... 101

3.2.1 .............................................................. 103

3.2.2 -OQAM .................................................. 105

3.2.3 -OQAM .

..................................................................................................................................... 107

3.3 Amplificateur de puissance e-linéarité des signaux

multiporteuses ................................................................................................................................ 107

3.3.1 .............................................................. 107

3.3.2 Caractéristiques de transferts AM/AM (Amplitude/Amplitude) et AM/PM

................................................................ 108

3.3.3 Notions de rendement ................................................................................................. 109

3.3.4 - ........................... 110

3.3.5 cul de sortie ................................................................................. 112

3.3.6 ..... 114

3.3.7 -linéaire .................................... 120

3.4 Classification des techniques de réduction de la non-

puissance ........................................................................................................................................ 122

3.4.1 Position des techniques de réduction de la non-

puissance dans une chaine de transmission .............................................................................. 122

3.4.2 Classification des techniques de réduction de la non-123

v

3.5 Techniques de réduction de PAPR .................................................................................. 123

3.5.1 Techniques de réduction de PAPR pour la modulation OFDM ............................... 123

3.5.2 Techniques de réduction de PAPR pour la modulation FBMC-OQAM .................. 132

3.5.3 Critères de performance des techniques de réduction de PAPR ............................... 132

3.6 ........................................ 132

3.6.1 Feedforward ................................................................................................................ 132

3.6.2 FeedBack .................................................................................................................... 133

3.6.3 Prédistorsion ............................................................................................................... 135

3.7 Conclusion .......................................................................................................................... 147

CHAPITRE 4 MODELISATION DE LA COMBINAISON DU CODAGE LDPC AVEC LA

PREDISTORSION A BASE DE RESEAU DE NEURONES ....................................................... 148

4.1 Introduction ....................................................................................................................... 148

4.2 Distribution des signaux multiporteuses ......................................................................... 149

4.3 Distribution des signaux multiporteuses après codage canal ........................................ 150

4.4 ....................................................................... 151

4.5 ...................................................................... 158

4.6 ............................................................... 162

4.6.1

codage canal ............................................................................................................................... 162

4.6.2 ..................... 163

4.7 ..... 164

4.8 Nos contributions dans la thèse ........................................................................................ 165

4.8.1 Codage LDPC ............................................................................................................. 166

4.8.2 Prédistorsion à base de réseau de neurones ............................................................ 190

4.8.3

combinaison du codage LDPC et de la prédistorsion à base de réseau de neurones ............... 197

4.9 Apport personnel ............................................................................................................... 208

4.10 Conclusion .......................................................................................................................... 209

CHAPITRE 5 OPTIMISATION DE LA PERFORMANCE DE LA 5G MOBILE PAR LA COMBINAISON DE LA PREDISTORSION A BASE DE RESEAU DE NEURONES AVEC LE

CODAGE LDPC................................................................................................................................ 210

5.1 Introduction ....................................................................................................................... 210

5.2 Réseaux de télécommunication 5G mobile ...................................................................... 210

5.2.1 Evolutions de la téléphonie mobile ............................................................................ 210

5.2.2 Objectifs et performances du réseau 5G mobile ........................................................ 215

5.2.3 Services offerts par la 5G mobile ............................................................................... 218

5.2.4 Architecture globale de la 5G mobile ......................................................................... 219

vi

5.2.5 ...................................................................................... 220

5.2.6 -RAN) .......................................................................... 224

5.2.7 Architecture du RU ..................................................................................................... 235

5.2.8 ................................................................................................... 237

5.3 Etude des performances de la prédistorsion à base de réseau de neurones combinée au

codage LDPC appliqués au réseau de télécommunication 5G .................................................. 239

5.3.1 Précision de la fonction de prédistorsion ................................................................... 241

5.3.2 Allure du spectre du signal FBMC-OQAM après prédistorsion numérique ............ 242

5.3.3 TEB du signal FBMC-OQAM après prédistorsion numérique ................................ 243

5.3.4

................................................................................................................. 254

5.4 Avantages offerts par le réseau 5G .................................................................................. 257

5.5 Inconvénients des réseaux de télécommunication 5G...................................................... 259

5.6 Apport personnel et innovation des travaux de recherches ............................................. 260

5.7 Conclusion .......................................................................................................................... 261

CHAPITRE 6 ASPECTS TECHNIQUES DE L'IMT-2020 ou 5G MOBILE ............................ 262

6.1 Introduction ....................................................................................................................... 262

6.2 IMT 2020 ou 5G-Mobile ................................................................................................... 262

6.2.1 Définitions ................................................................................................................... 262

6.2.2 Architecture globale du 5G mobile ............................................................................ 267

6.2.3 Normalisation et services offert par la technologie 5G Mobile ................................ 269

6.2.4 Bandes de fréquences du 5G Mobile........................................................................... 270

6.2.5 Propriétés antennaire de la 5G Mobile ...................................................................... 273

6.2.6 Exigences essentielles des IMT-2020 ......................................................................... 276

6.2.7 -2020 ................................................................. 282

6.2.8 Controverse de la 5G Mobile ...................................................................................... 286

6.2.9 ........................................ 288

6.3 ...................................... 289

6.3.1 Modèle de calcul et de paiement des droits et redevances [6.05] .............................. 290

6.3.2 Méthode de calcul de la régulation ParisTech [6.06]................................................ 294

6.3.3 [6.04] ............................................................................. 296

6.3.4 Méthode de Parangonnage [6.07] .............................................................................. 297

6.3.5

Madagascar................................................................................................................................. 298

6.4 Conclusion .......................................................................................................................... 298

CONCLUSION GENERALE........................................................................................................... 300

ANNEXES .......................................................................................................................................... 302

vii

REFERENCES .................................................................................................................................. 465

FICHE DE RENSEIGNEMENT ..................................................................................................... 472

RESUME ET MOTS CLES ............................................................................................................. 473

ABSTRACT AND KEYWORDS ..................................................................................................... 473

viii

NOTATIONS

1. Minuscules latines

݀଴ Distance de référence

݂଴ Fréquence du signal porteuse

݂஽ Fréquence Doppler

݂௞ Fréquences proteuses

݂௉ைௌ் Fonction de post-distorsion ix ݄௜ Gains du canal sur le ݅௠௘ trajet

݌ knee factor

ݐ௠௔௫ Le

ݔ Signal à amplifier

x

ݔ௦௔௧ Amplitude de saturation

ݖ Signal amplifié

2. Majuscules latines

ࣛ Une famille de parties de ࣜԹ Tribu borélienne ࣜԹ೙ Tribu sur Թ௡ ࣜԺ Tribu sur Ժ ࣝ Un code jième symbole OFDM xi ࣟ Une tribu sur ܧ ࣠ Une tribu sur ܨ xii

ܬᇱ Gradient de la fonction coût ܬ

ܬᇱᇱ La matrice Hessienne de la fonction coût ܬ xiii

Թ Ensemble des nombres réels

ା Ensemble des nombres réels positives xiv

W Bande passante

3. Minuscules grecques

xv

4. Majuscules grecques

ȳ Univers ou Espace Fondamental

5. Notations spéciales

xvi

Union de ݊ évènements ܣ

Intersection de ݊ évènements ܣ

6. Abréviations

1G Première Génération de la téléphonie mobile

2G Deuxième Génération de la téléphonie mobile

3G Troisième Génération de la téléphonie mobile

3GPP 3rd Generation Partnership Project

4G Quatrième Génération de la téléphonie mobile

5G Cinquième Génération de la Téléphonie mobile

5GC 5G Core

ACPR Adjacent Channel Power Ratio

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

xvii

AF Application Function

AM/AM Amplitude/Amplitude

AMF Access and Mobility Management Function

AM/PM Amplitude/Phase

ARoF Analog Radio over Fiber

ARQ Automatic Repeat reQuest

ASK Amplitude Shift Keying

AUSF Authentication Server Function

AWGN Additive White Gaussian Noise

BBU Base Band Unit

BCI Brain-Computer Interactions

BEM Block Edge Mask

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

BSC Base Station Controller

BTS Base Transceiver Stations

CA Carrier Aggregation

CCDF Complementary Cumulative Distribution Function

CF Crest Factor

CHF Charging Function

CIRC Centre de recherche International contre le Cancer CMR Conférence Mondiale des Radiocommunications COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

CoMP Coordinated MultiPoint

xviii

CP Control Plane

CPRI Public Common Radio Interface

C-RAN Cloud-Radio Access Network

CRAS Connected Robotics and Autonomous Systems

CS Coding Scheme

CU Central Unit

DAS Débit d'Absorption Spécifique

DFT Discrete Fourier Transform

DN Data Network

DPD Digital Predistorsion

D-RAN Distributed-RAN

DRTS Digital Radio Technical Standards

DSP Digital Signal Processor

DSP Densité Spectrale de Puissance

DU Distributed Unit

DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial

eCPRI enhanced CPRI

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution

eMBB Enhanced Mobile Broadband

EIR Equipment Identity Register

EQM Erreur Quadratique Moyenne

e-UTRAN evolved-UTRAN

EVM Error Vector Measurement

FBMC Filter Bank MultiCarrier

xix

FDM Frequency-division multiplexing

FDMA Frequency Division Multiple Access

FFT Fast Fourier Transform

FLEX-RAN Flexible RAN

FPGA Field Programmable Gate Array

FSK Frequency Shift Keying

GERAN GSM Edge Radio Access Network

GF Galois Field

gNB next Generation Node Base Station

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile communications

GSMA Global Mobile Suppliers Association

HARQ Hybrid Automatic Request Quering

HCS Human-Centric services

HLSP High Level Split Point

HPA High Power Amplifier

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High-Speed Packet Access

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

i.i.d indépendantes et identiquement distribuées

IMT International Mobile Telecommunications

IoE Internet of Everything

IoNT Internet of Nano Things

IoT Internet Of Things

xx

IP Internet Protocole

IBO Input Back Off

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IOTA Isotropic Orthogonal Transform Algorithm

KPI Key performance Indicators

LDPC Low Density Parity Check

LLSP Low Level Split Point

LNA Low Noise Amplifier

LTE Long Term Evolution

LTE-A LTE Advanced

LUT Look-up table

MAC Medium Access Control

MAQ Modulation d'amplitude de deux porteuses en quadrature

MATLAB Matrix Laboratory

MBRLLC Mobile Broadband Reliable Low Latency Communication

MCS Modulation and Coding Scheme

MDA Modulation par Déplacement d'Amplitude

MDF Modulation par Déplacement de Fréquence

MDP Modulation par Déplacement de Phase

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobility Management Entity

mMTC Massive Machine Type Communications xxi mURLLC Massive uRLLC

M2M Machine to Machine

NEF Network Exposure Function

NFV Network Function Virtualization

NG-RAN Next Generation Radio Access Network

NRF Network Repository Function

NSA Non-standalone

NSSF Network Slice Selection Function

OBO Output Back Off

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

OMS Organisation Mondiale de la Santé

OQAM Offset Quadrature Amplitude Modulation

PA Power Amplifier

PAE Power Added Efficiency

PAPR Peak to Average Power Ratio

PCF Policy Control Function

PCRF Policy and Charging Rules Function

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PGW Packet Data Network Gateway

PHYDYAS Physical layer for dynamic spectrum access and cognitive Radio

PS Point de Déparation

PSK Phase Shift Keying

PSNR Peak Signal to Noise Ratio

xxii

QAM Quadrature Amplitude modulation

QPSK Quadrature Phase shift Keying

RF Radio Fréquence

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RRH Remote Radio Head

RU Remote Unit

SA Standalone

SC-FDMA Single Carrier FDMA

SDAP Service Data Application Protocol

SDN Software Defined Networking

SGW Serving Gateway

SI Side Information

SLM Selective Mapping

SMF Session Management Function

SMS Short Message Service

SMSF Short Message Service Function

SNR Signal-to-Noise Ratio

SOCP Second Order Cone Programming

SRB Signaling Radio Bearers

SSIM Structural SIMilarity

SSPA Solid State Power Amplifier

TDMA Time Division Multiple Access

TEB Binaire

xxiii

TIA Telecommunications Industry Association

TIC

TOP Tubes à Ondes Progressives

TR Tone Reservation

TWTA Travelling Wave Tube Amplifier

UDM Unified Data Management

UDR Unified Data Repository

UE User Equipment

UIT Union Internationale des Télécommunications

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UP User Plane

UPF User Plane Function

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