Jury:

• Marion BERBINEAU, Directeur de Recherche, IFSTTAR (Directeur de thèse)
• Iyad DAYOUB, Professeur, UPHF (CoDirecteur de thèse)
• Kosai RAOOF, Professeur, Université du Mans (Examinateur)
• Loic BRUNEL, Directeur de Recherche, Mitsubishi Electric R&D Centre Europe (Examinateur)
• Karine AMIS, Professeur, IMT Atlantique (Rapporteur)
• Michel TERRE, Professeur des Universités, CNAM (Rapporteur)

Résumé :

Avec l’automatisation croissante des fonctions de contrôle commande dans le domaine ferroviaire, on assiste aujourd’hui à une augmentation drastique des échanges d’information. Ces échanges sont cruciaux pour le déploiement du train autonome, la réduction des coûts d’exploitation et de maintenance, l’amélioration de la sécurité. En même temps, de nombreux nouveaux services d’information et de divertissement s’appuyant sur des systèmes de communication sont proposés aux passagers. Pourtant, il n’y a pas aujourd’hui de technologie unique qui puisse satisfaire tous les besoins exigeants en termes de performances. En conséquence, différents projets de recherche industrielle et académique sont en cours aux niveaux européen et international pour développer le système de communication mobile ferroviaire de demain (ou Future Railway Mobile Communication Système – FRMCS). Ce système s’appuiera sur la technologie IP et sera adaptatif, agnostique à la technologie radio et résilient aux évolutions technologiques. En outre, il devra offrir des débits de données élevés, une faible latence, une large bande passante et une utilisation efficace du spectre.

Le FRMCS devra être en mesure de choisir en temps réel entre différentes technologies d’accès radio disponibles en fonction des besoins des applications et de l’environnement ferroviaire. Parmi les technologies d’accès disponible, on peut citer le Wi-Fi, le LTE, les satellites et le standard 5G NR en cours de développement. Ainsi, les contributions de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre du développement d’un système de communication adaptable (ACS- Adaptable Communication System) pour le ferroviaire en considérant des technologies de pointe du futur standard 5G NR et au-delà.

Différentes technologies clef ont récemment été proposées dans le cadre du standard 5G NR et au-delà. Parmi celles-ci, les techniques d’accès radio jouent un rôle majeur sur les métriques clés, telles que l’utilisation efficace du spectre disponible, les débits de données élevés et la complexité du système émetteur-récepteur. Une des évolutions technologiques majeure dans ce domaine consiste en l’introduction de différentes techniques de modulation multi-porteuses (MCM- Multi-Carrier Modulation) et des techniques d’accès multiple non orthogonales (NOMA- Non-Orthogonal Multiple Access).

Dans ce mémoire de thèse de doctorat, nous commençons par étudier la technologie MCM dans le contexte des défis posés par la grande vitesse ferroviaire. Une évaluation des performances est réalisée en considérant différents systèmes multi porteuses dans différents scénarios. La forme d’ondes FBMC (Filtered Bank Multi-Carrier) offre une grande robustesse dans des scénarios de forte mobilité tout en exploitant efficacement le spectre disponible. Cependant, les avantages de la modulation FBMC s’accompagnent d’interférences intrinsèques supplémentaires qui remettent en question les techniques de conception des émetteur-récepteur traditionnels. Ainsi, nous proposons différentes contributions qui concernent les techniques d’estimation et d’égalisation du canal pour la forme d’onde FBMC. Les contributions visent à augmenter les performances finales au prix d’une complexité supplémentaire négligeable si on compare à la littérature existante.

Enfin, pour exploiter les gains de débit associés à la technique d’accès multiple émergente, NOMA, nous avons considéré un système NOMA global associé aux techniques multi porteuses Nous mettons d’abord en évidence les avantages des différents systèmes NOMA associés aux techniques multi porteuses par rapport au système d’accès multiple orthogonal traditionnel associé aux techniques multi porteuses. Cependant, les systèmes d’accès multiple non orthogonal associés aux techniques multi porteuses (NOMA-MCM) souffrent de deux types d’interférences intrinsèques qui proviennent respectivement de la techniques NOMA et de la techniques MCM. Partant de ce constat, nous avons proposé un schéma d’annulation d’interférence itératif commun. Ce schéma est évalué dans différents scénarios de canaux de propagation ferroviaires et nous présentons les améliorations de performances obtenues.

Abstract:

Nowadays, a huge amount of data exchanges is needed in the railway system. This is particularly to support autonomous train, reduce operation and maintenance costs, increase safety and security. In the same time, many new services are offered to passengers. There is no unique technology that can satisfy all these needs. Consequently, different industrial and academical research projects are on-going at European and International levels to develop the Future Railway Mobile Communications System (FRMCS). FRMCS will be IP-based, adaptable, agnostic to radio technology and resilient to technological evolutions. In addition, it should support high data rate, low latency, large bandwidth, and efficient spectrum utilization.

The FRMCS is expected to be able to choose in real time between different available radio access technologies in function of applications needs and the surrounding railway environment. Among these technologies, we can mention the Wi-Fi, LTE, satellites and the 5G NR standard in development. Thus, the contributions of this PhD thesis are part of the development of an Adaptable Communication System (ACS) for the railway by considering cutting-edge technologies of the future 5G NR system and beyond.

Different key enabling technologies have been proposed recently under the umbrella of 5G and Beyond communication systems. Among which, radio access techniques play major role over key metrics, such as the efficient utilization of the available spectrum, the high data rates, and the computational complexity of the transceiver system. One of the major technological evolution in that domain concerns the introduction of different Multi-Carrier Modulation (MCM) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) techniques.

In this Ph.D thesis, we start by considering the MCM technology in the context of high speed railway. A performance evaluation study is conducted where different MCM schemes are highlighted in different scenarios. The Filtered Bank Multi-Carrier (FBMC) waveform presents high robustness to high mobility scenarios while exploiting the available spectrum efficiently. However, FBMC advantages come with additional built-in interference that challenges traditional transceiver design techniques. Thereby, we propose different contributions that handle the channel estimation and equalization aspects of the FBMC waveform. The contributions aims to assure better performance at the cost of negligible additional complexity compared with the literature.

Finally, to exploit the data rate gains accompanied with the emerging NOMA technology, we consider the overall MCM based NOMA system. We start by emphasizing the accompanied gains of the different MCM based NOMA schemes compared with the traditional orthogonal multiple access schemes. Thereafter, and to handle the MCM and NOMA induced interference in MCM based NOMA systems, we propose a joint iterative interference cancellation scheme that deals with both interference components. We evaluate this study in different channel scenarios and present accompanied improvements.