Contributions on radio access techniques for future railway communications system

Contributions sur les techniques d'accès radio pour le futur système de communication ferroviaire 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 disponibles, 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 adaptatif (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 de la standardisation 5G 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 les techniques 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 émetteurs-récepteurs 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.