L’objectif principal de cette thèse est l’analyse des performances des réseaux LTE-A (Long Term Evolution- Advanced) au travers de la géométrie stochastique. L’analyse mathématique des réseaux cellulaires est un problème difficile, pour lesquels ils existent déjà un certain nombre de résultats mais qui demande encore des efforts et des contributions sur le long terme. L’utilisation de la géométrie aléatoire et des processus ponctuels de Poisson (PPP) s’est avérée être une approche permettant une modélisation pertinente des réseaux cellulaires et d’une complexité faible (tractable). Dans cette thèse, nous nous intéressons tout particulièrement à des modèles s’appuyant sur ces processus de Poisson : PPP-based abstraction. Nous développons un cadre mathématique qui permet le calcul de quantités reflétant les performances des réseaux LTE-A, tels que la probabilité d’erreur, la probabilité et le taux de couverture, pour plusieurs scénarios couvrant entre autres le sens montant et descendant. Nous considérons également des transmissions multi-antennes, des déploiements hétérogènes, et des systèmes de commande de puissance de la liaison montante. L’ensemble de ces propositions a été validé par un grand nombre de simulations. Le cadre mathématique développé dans cette thèse se veut général, et doit pouvoir s’appliquer à un nombre d’autres scénarios importants. L’intérêt de l’approche proposée est de permettre une évaluation des performances au travers de l’évaluation des formules, et permettent en conséquences d’éviter des simulations qui peuvent prendre énormément de temps en terme de développement ou d’exécution. / The main focus of this thesis is on performance analysis and system optimization of Long Term Evolution - Advanced (LTE-A) cellular networks by using stochastic geometry. Mathematical analysis of cellular networks is a long-lasting difficult problem. Modeling the network elements as points in a Poisson Point Process (PPP) has been proven to be a tractable yet accurate approach to the performance analysis in cellular networks, by leveraging the powerful mathematical tools such as stochastic geometry. In particular, relying on the PPP-based abstraction model, this thesis develops the mathematical frameworks to the computations of important performance measures such as error probability, coverage probability and average rate in several application scenarios in both uplink and downlink of LTE-A cellular networks, for example, multi-antenna transmissions, heterogeneous deployments, uplink power control schemes, etc. The mathematical frameworks developed in this thesis are general enough and the accuracy has been validated against extensive Monte Carlo simulations. Insights on performance trends and system optimization can be done by directly evaluating the formulas to avoid the time-consuming numerical simulations.

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt den Vergleich von QoS- und Mobilitätsmechanismen in der LTE/SAE-Architektur. Nach der Einführung in die LTE/SAE-Architektur wird dargestellt, wie die QoS und die Mobilität im Standard des 3GPP gewährleitet wird. Danach erfolgt eine Untersuchung der Technologien PMIP, Ethernet und MPLS, ob sie sich als Alternativen für die standardisierten Mechanismen eignen. In einem weiteren Kapitel wird ein eigenes Konzept zur QoS- und Mobilitätsverwaltung vorgestellt, und es erfolgen erste Betrachtungen. Abschließend wird ein Ausblick gegeben, wie das vorgestellte eigene Konzept weiter ausgebaut werden könnte.

Long-Term Evolution (LTE) is the latest development in wide area cellular mobile network technology. In contrast with the earlier generations of circuit-switched mobile networks, LTE is all-IP packet-switched network. Both voice and data are sent inside IP packets. Voice over IP (VoIP) is used to provide voice service to LTE users. The speech frames are encapsulated into real-time protocol (RTP) packets and sent over the network. The underlying UDP and IP layers prepend their headers to this small RTP packet resulting in a relatively high overhead. The small size of the RTP packets containing voice/audio leads to an overhead problem as the protocol overhead is in addition to the large LTE frame overhead, thus wasting network resources. This master’s thesis project proposes to multiplex RTP and data packets at the user’s device as a solution to reduce the overhead. Moreover, the capability of modern user devices to switch between several interfaces (such as LTE and WLAN), is taken into account and the multiplexing of multiple traffic flows or a single traffic flow are studied in the case of a vertical handover. Performance and cost metrics are used to evaluate different potential demultiplexing points, and then the best possible demultiplexing point is identified. The results of this evaluation show that several demultiplexing points can be used based on the operator’s needs. The increased packet payload size increases the energy efficiency of LTE and may avoid the need of the UE to switch to WLAN to save power. In addition, to ensure high quality of service for VoIP traffic, the simultaneous use of multiple interfaces is efficient if the multiplexer is enabled. The multiplexing solution proposed by this thesis is also fully compatible with any virtual private network encapsulation protocol. / Long-Term Evolution (LTE) är den senaste tekniken inom mobil långdistanskommunikation. Jämfört med tidigare generationer av kretskopplade mobila nätverk, är LTE IP paketförmedlande nätverk. Både röstsamtal och datapaket skickas enkapsulerade i IP paket. Voice over IP (VoIP) används för att transportera röstsamtal över IP nätverket. Röstsekvenser enkapsuleras i Real Time Protocol (RTP) paket och skickas över nätverket. De underliggande lagerna som UDP och IP infogar sin huvudinformation i de små RTP paketen vilket gör att kommunikationen blir ooptimerad. De små RTP paketen som innehåller ljudinformation leder till att det blir ooptimerat tillsammans med LTE i och med att man lägger på huvudinformation för varje lager. I det här examensarbetet förslår vi att multiplexa RTP och datapaket tillsammans direkt i användarens enhet för att minska huvudinformationen. Dessutom diskuterar vi möjligheten att byta mellan olika kopplingar (som LTE och WLAN) samt att multiplexa flerfaldig eller singel trafik under en vertikal överlämning. Prestanda och kostnadsmätningar används för att evaluera olika potentiella sammankopplingspunkter, för att kunna ta reda på den bästa sammankopplingspunkten.  Resultatet av detta examensarbete visar på att flera sammankopplingspunkter kan användas beroende på operatörens behov. Den ökade storleken på nyttolasten ökar effektiviteten av LTE nätverken och minskar risken för att behöva byta UE:n till WLAN för att spara energi.  Utöver det ovannämnda kan simultan användning av olika kopplingar användas för att öka kvaliteten på VoIP trafik. Multplexlösningen som föreslås i det här examensarbete är dessutom fullt kompatibel med virtuella privata nätverksenkapsulerande protokoll.

Världsmarknaden för bussar växer ständigt och under 2012 har fler än 500 000 bussar producerats globalt. Utöver den växande bussmarknaden så drivs efterfrågan av internet ombord, fleetmanegment tjänster, TV, GPS, olika typer av radio och behovet av robusta tillförlitliga antenner för trådlös dataöverföring till och från bussar. Tillverkarna av bussar vill kunna erbjuda sina kunder dessa funktioner och bussoperatörerna satsar mer och mer på att kunna erbjuda trådlösa tjänster till sina kunder. Antennföretaget Smarteq Wireless ser en stor potential i denna marknad eftersom det idag inte finns något företag som uttalat satsar på antenner specifikt framtagen för bussar som kan möta kundernas krav på funktionalitet och robusthet. Utöver den potentiella marknaden så existerar också en eftermarknad som består av bussar som ständigt behöver uppdatera deras antenner. Smarteq ser här en möjlighet att utveckla en unik antennplattform anpassad till bussindustrin. Syftet med examensarbetet är att förse Smarteq med ett underlag som kan användas inför utvecklingen av den nya antennplattformen. Underlaget består av en omfattande marknadsundersökning, kravspecifikationer och en konkurrentanalys. Undersökningen syftar till att besvara vilka tekniska funktionaliteter en antennplattform för bussar bör innehålla för att attrahera tillverkare och operatörer på bussmarknaden. Arbetet har visat att det finns goda möjligheter på bussmarknaden för en ny antennplattform. Antennplattormen bör ha stöd för 4G, WiFi och GPS eftersom det har visat sig att dessa funktioner är mest efterfrågade. Den mest uppenbara delen av marknaden att fokusera på utifrån undersökningen är telematikleverantörerna. Detta eftersom de har en stark koppling till bussmarknaden där de flesta av deras system säljs dit. Att sälja en antenn tillsammans som del av ett system är enklare än att sälja antennenseparat. / The global market for buses is constantly growing and in 2012, more than 500,000 buses were produced globally. In addition to the growing bus market, the demand is driven by the Internet on board, fleetmanegment services, TV, GPS, various types of radio and the need for robust reliable antennas for wireless data transfer to and from buses. Bus manufacturers want to provide their customers with these functions and bus operators are investing more and more in order to offer wireless services to their customers. The antenna company Smarteq Wireless sees a great potential in this market because there are currently no other companies that produces antennas specifically designed for buses that can meet customer requirements for functionality and robustness. In addition to the potential market there is also an existing aftermarket consisting of buses that constantly need to update their antennas. Smarteq sees an opportunity to develop a unique antenna platform adapted to the bus industry. The aim of the project is to provide Smarteq with a theoretical basis that can be used for the development of the new antenna platform. The theoretical basis consists of an extensive market research, antenna specifications and competitor analysis. The study aims to answer which technical functionalities an antenna platform for buses should contain in order to attract manufacturers and operators in the bus market. The work has shown that there is great potential in the bus market with a new antenna platform. The antenna platform should have support for 4G, WiFi and GPS because it has been shown that these functionalities are the most requested ones. The most obvious part of the market to focus on, based on the survey is via suppliers of telematics. This is because they have a strong connection to the bus market, where most of their systems are sold. To sell an antenna together as part of a system is easier than selling an antenna individually.

Today mobile network operators utilize IP Packet exchange (IPX) carriers to interconnect their networks with other operators. Mobile network operators are free to choose one IPX carrier for their data traffic and another for their control traffic. This thesis examines the case of control traffic, specifically Stream Control Transmission Protocol (SCTP) carrying Diameter protocol traffic arising from users roaming from their home Long Term Evolution (LTE) network to another operator’s LTE network. The thesis project aims to identify a set of SCTP parameter configurations that can provide improved application/service level availability between two Diameter nodes in different network connectivity environments, specifically for IPX carriers who are Diameter service providers. These service providers provide Diameter connectivity for their customers who are mobile network operators. These mobile network operators in turn provide LTE roaming services to their customers. Unfortunately, applying the ‘One size fits all’ configuration recommendations given in the SCTP documentation is unsuitable for different network environments. In addition, the amount of Diameter signaling traffic is growing at a very rapid rate. Therefore, it is valuable to identify suitable parameter selection criteria for Diameter service providers to ensure 100% Diameter connectivity reliability for their customers. In this thesis project, author investigated how tuning SCTP parameter values affect Diameter message transmission in terms of Round Trip Delay and identified its determining parameters for packet loss recovery performance. Both IPX carriers and mobile network operators may use these values as reference when attempting to ensure high availability of Diameter transmissions under reliable, semi reliable, and unreliable network transport conditions. / Mobilnätsoperatörer använder sig av IP Packet exchange (IPX) tjänstetillhandahållare för att koppla ihop sina nät med andra operatörers nät. Mobilnätsoperatörer kan fritt välja en IPX tjänstetillhandahållare för sin datatrafik och en annan för sin kontrolltrafik. Denna uppsats undersöker fallet för kontrolltrafik, specifikt Stream Control Transmission Protocol (SCTP) kommunikationsprotokoll för Diameter protocol-trafik vid användares roaming från sitt Long Term Evolution (LTE)-hemmanät till en annan operatörs LTE-nät. Examensarbetet avser etablera en uppsättning av SCTP-parameterkonfigurationer som ger förbättrad applikations-/tjänstetillgänglighetsnivå mellan två Diameter-noder i olika nätmiljöer, särskilt för IPX tjänstetillhandahållare som är Diameter tjänstetillhandahållare.  Dessa tjänstetillhandahållare erbjuder Diameter-konnektivitet till sina kunder, som är mobilnätsoperatörer. Dessa mobilnätsoperatörer tillhandahåller i sin tur LTE-roamingtjänster till sina kunder. Tyvärr är det olämpligt att tillämpa de enhetliga konfigurationsrekommendationer, som ges i SCTP- och Diameter-protokollens dokumentation, i olika nätmiljöer. Samtidigt ökar Diameter-signaleringstrafiken mycket snabbt. Därför är det värdefullt att identifiera lämpliga parameterkriterier för Diameter-tjänstetillhandahållare att säkerställa 100% tillförlitlig Diameter-tillgänglighet för sina kunder. I detta examensarbete har författaren undersökt hur trimning av SCTP-parametervärden påverkar Diameter-meddelandeöverföring vad avser överföringstiden tur- och retur, och identifierat de avgörande parametrarna för återställande av paketförluster. Både IPX tjänstetillhandahållare och mobilnätsoperatörer kan använda dessa värden som referens för att åstadkomma hög tillgänglighet för Diameter-överföring vid tillförlitliga, halvtillförlitliga och otillförlitliga nättransportförutsättningar.

Cet exposé analyse les perspectives large bande des réseaux PMR, à travers l'évaluation du candidat LTE, et la proposition d'une possible évolution du codage canal, la solution brevetée des codes turbo à protection non uniforme. Une première étude dans le chapitre 2 se concentre sur l'analyse multi-couche et l'identification des problèmes clé des communications de voix et de vidéo sur un réseau LTE professionnel. Les capacités voix et vidéo sont estimées pour les liens montant et descendant de la transmission LTE, et l'efficacité spectrale de la voix en lien descendant est comparée à celle de PMR et GSM. Ce chapitre souligne certains points clé de l'évolution de LTE. S'ils étaient pas résolus par la suite, LTE se verrait perdre de sa crédibilité en tant que candidat à l'évolution de la PMR. Une telle caractéristique clé des réseaux PMR est le codage canal à protection non uniforme, qui pourrait être adapté au système LTE pour une évolution aux contraintes de la sécurité publique. Le chapitre 3 introduit cette proposition d'évolution, qui a été brevetée: les turbo codes à protection non uniforme intégrée. Nous proposons une nouvelle approche pour le codage canal à protection non uniforme à travers les codes turbo progressives hiérarchiques. Les configurations parallèles et séries sont analysées. Les mécanismes de protection non uniformes sont intégrés dans la structure de l'encodeur même à travers l'insertion progressif et hiérarchique de nouvelles données de l'utilisateur. Le turbo décodage est modifié pour exploiter de façon optimale l'insertion progressive de données dans le processus d'encodage et estimer hiérarchiquement ces données. Les propriétés des structures parallèles et séries sont analysées à l'aide d'une analogie aux codes pilotes, ainsi qu'en regardant de plus près leurs caractéristiques de poids de codage. Le taux de transmission virtuel et les représentations des graphs factor fournissent une meilleure compréhension de ces propriétés. Les gains de codage sont évalués à l'aide de simulations numériques, en supposant des canaux de transmission radio statiques et dynamiques, et en utilisant des codes de référence. Enfin, dans le chapitre 4, l'idée breveté du code turbo parallal progressif et hiérarchique (PPHTC) est évaluée sur la plateforme LTE. Une description détaillée de l'architecture des bearers de LTE est donnée, et ses conséquences sont discutées. Le nouveau codage canal est inséré et évalué sur cette plateforme, et ses performances sont comparées avec des schémas de transmission typique à LTE. L'analyse de la qualité de la voix aide à conclure sur l'efficacité de la solution proposée dans un système de transmission réel. Pourtant, même si cette dernière donne les meilleurs résultats, d'avantage d'optimisations devraient être envisagées pour obtenir des gains améliorés et mieux exploiter le potentiel du codage proposé. L'exposé se conclut dans le chapitre 5 et une courte discussion présente les futures perspectives de recherche / This dissertation analyzes the PMR broadband perspectives, through the evaluation of the preferred candidate, LTE, and the proposal of a possible channel coding evolution, the patented solution of unequal error protection embedded turbo codes. A first study in chapter 2 focuses on the multi-layer analysis and the identification of key issues for professional-like LTE for voice and video communications. The voice and video capacities are estimated for both downlink and uplink LTE transmissions, and the downlink LTE voice system efficiency is compared with that of the PMR and Global System for Mobile Communications (GSM). This chapter helps highlighting some of the key points. If not resolved, the latter could lead to the LTE downfall as a candidate for the PMR evolution. One such key characteristic of PMR systems is the unequal error protection channel coding technique, which might be adapted to the LTE technology for its evolution to public safety requirements. Chapter 3 further introduces the proposed evolution patented ideas: the unequal error protection embedded turbo codes. We propose a new approach for the unequal error protection channel coding through the progressive hierarchical turbo codes. Both parallel and serial turbo configurations are closely studied. The unequal error protection mechanisms are embedded in the encoder’s structure itself through the progressive and hierarchical insertion of new data. The turbo decoding is modified as to optimally exploit the progressive insertion of information in the encoding process and hierarchically estimate the corresponding data. Both parallel and serial configurations’ properties are analyzed using an analogy with a pilot code behavior, as well as a zoom on the weight error functions coefficients. The virtual code rate and factor graph interpretations also provide a better insight on the code properties. The code possible gains are highlighted through computer simulations in both static and dynamic transmission environments, by using carefully chosen benchmarks. Finally, in chapter 4, the patented idea of parallel progressive hierarchical turbo codes (PPHTC) is evaluated over the LTE platform. A detailed description is given of the voice transmission bearer architecture over LTE, and its consequences are discussed. The new channel code is inserted and evaluated over this platform and its performances compared with the existent LTE transmission schemes. The voice quality results help concluding on the efficiency of the proposed solution in a real transmission scenario. However, even though the newly presented solution gives the best results, further system optimizations should be envisaged for obtaining better gains and exploit the parallel progressive hierarchical turbo codes potential. The dissertation concludes in chapter 5 and a short discussion is given on future research perspectives

Le réseau de radio communications mobiles professionnelles (PMR), qui est utilisé pour le fonctionnement de la sécurité publique, doit évoluer pour les solutions à large bande pour satisfaire les demandes des utilisateurs à l’avenir. Dans les technologies à large bande actuels, Long Term Evolution (LTE), développé par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project), est considéré comme l’un des candidats potentiels pour la prochaine génération de PMR. Malgré le fait que la technologie LTE en charge la transmission de données à haute vitesse et prend en charge différentes tailles de paquets en utilisant la modulation et le codage adaptatifs (AMC), le LTE n’est pas encore optimisée pour la communication vocale à bas débit, en particulier en cas d’utilisation LTE pour la radio communications mobiles professionnelles (PMR ) contexte. Par conséquent, dans cette thèse, nous présentons des solutions pour renforcer la capacité de la voix de la technologie LTE dans le cadre PMR à la fois la liaison montante et la transmission de liaison descendante. Les nouvelles propositions, basées sur la technologie de norme LTE existant avec des adaptations, permettent la réduction de les frais généraux de données et les frais généraux de contrôle sur LTE (VoLTE) dans le contexte PMR / The Professional Mobile Radio (PMR) network, which is used for public safety operation, has to evolve to the broadband solutions to satisfy the user demands in the future. In the current broadband technologies, Long Term Evolution (LTE) standard, developed by the 3GPP (3rd Generation Partnership Project), is considered one of the potential candidates for the next generation of PMR. Despite the fact that LTE supports high-speed data transmission and supports different packet sizes by using Adaptive Modulation and Coding (AMC), LTE is not yet optimized for low bit rate voice communication, especially in case of using LTE in Professional Mobile Radio (PMR) context. Therefore, in this dissertation, we present several new solutions for enhancing the voice capacity of LTE in the PMR context for both uplink and downlink transmission. The new propositions, based on existent LTE standard technology with adaptations, allow reducing both control and data overhead issues of Voice over LTE (VoLTE) in PMR context

LTE (Long Term Evolution) a été développé et normalisé par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project). C’est un réseau à commutation de paquets. Cela signifie que la voix sur LTE (VoLTE) est un service de VoIP avec les exigences de qualité de service garantis au lieu de transmettre dans un réseau à commutation de circuits tels que les systèmes existants (2G/3G). VoLTE est déployé dans un réseau entièrement IP combinée avec IMS (IP Sous-système Multimédia). De ce fait, le déploiement de VoLTE est assez complexe et comment assurer la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE est un très grand défi. Ainsi, il faut plusieurs solutions différentes pour renforcer et améliorer la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE. Dans cette thèse, nous présentons des solutions en vue d’améliorer la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE pour les services audio à bandes étroites et larges. Pour cela, il nous faudra différents facteurs complets en solutions. L’un d’eux est QoE (Qualité de l’Expérience) qui est une nouvelle tendance. Et afin de déterminer la perception des utilisateurs pour le service en temps réel tel que VoLTE, nous utilisons le E-model étendu et le WB (large bande) E-model pour des services audio à bandes étroites et larges respectivement. Les solutions proposées ici portent principalement sur des éléments clés dans les réseaux LTE, tels que le codage par chaine, MAC (Contrôle d’Accès Moyen) des systèmes de planification et la qualité de voix du moniteur décrits comme suit. Tout d’abord, des algorithmes améliorés pour renforcer le codec de la chaine LTE (codeur et décodeur) ont été proposés. Pour améliorer le codeur de chaine LTE, un algorithme d’adaptation conjointe a été déployé. Le but de cet algorithme est de minimiser la redondance générée par codage en chaine avec une légère réduction de la perception de l’utilisateur. Ensuite, afin d’améliorer le décodeur par chaine LTE, un algorithme amélioré Log-MAP a été présenté. Cet algorithme vise à obtenir la performance BER (Bit Error Rate) qui est le plus proche du Log-MAP avec une complexité de calcul réduite par rapport à l’état de l’art. Deuxièmement, la chaine et les systèmes QoS de planification améliorés de la perception de l’utilisateur et du mode de priorité VoIP ont été proposés. Ces planificateurs sont déployés à la fois pour les utilisateurs d’audio à larges et à étroites bandes. Les résultats numériques montrent qu’ils surpassent plusieurs planificateurs en vedette tels que FLS, M-LWDF et EXP/PF en termes de retard, de taux de perte de paquets, de débit cellulaire, d’indice et de l’équité et d’efficacité spectrale dans presque tous les cas. Enfin, pour assurer la qualité vocale de transmission sur le réseau LTE, la prédiction de la satisfaction des utilisateurs est essentielle. Pour cette raison, nous présentons deux modèles non intrusifs pour mesurer la qualité de la voix sur les réseaux LTE. Ces modèles sont utilisés pour les utilisateurs d’audio à bandes étroites et larges bandes. Les modèles proposés ne se réfèrent pas au signal original. Par conséquent, ils sont très appropriés pour prédire la qualité de l’appel vocal sur les réseaux LTE / LTE (Long Term Evolution) has been developed and standardized by 3GPP (3rd Generation Partnership Project). It is a packet-switched network. This means voice over LTE (VoLTE) is a VoIP service with the guaranteed QoS requirements instead of transmitted in a circuit-switched network such as the legacy system (2G/3G). Since VoLTE is deployed in an All-IP network combined with IMS (IP Multimedia Subsytem), thus, the VoLTE deployment is quite complex and how to ensure voice transmission quality over LTE networks is a very big challenge. Therefore, there needs to be many different solutions to enhance and improve voice transmission quality over LTE networks. In this dissertation, we present solutions to enhance and improve voice transmission quality over LTE networks for both narrowband and wideband audio services. In order to do that, there needs to be many different factors complemented in solutions. One of them is QoE (Quality of Experience) which is a new trend. And in order to determine user perception for real-time service such as VoLTE, we use extended E-model and WB (Wideband) E-model for narrowband and wideband audio services, respectively. The proposed solutions in this thesis mainly focus on key elements in LTE networks such as channel coding, MAC (Medium Access Control) scheduling schemes and monitor voice quality described as follows. First, enhanced/improved algorithms for enhancing LTE channel codec (coder and decoder) have been proposed. In order to enhance LTE channel coder, a joint source-channel code rate adaption algorithm has been deployed. The goal of this algorithm is to minimize redundancy generated by channel coding with a slight reduction of user perception. Next, in order to enhance LTE channel decoder, an improved Log-MAP algorithm has been presented. This algorithm aims at obtaining BER performance that is closest to the LOP-MAP with the computational complexity reduced in comparison with state-of-the-art. Second, channel- and QoS-Aware scheduling schemes with the enhancement of user perception and VoIP priority mode have been proposed. These schedulers are deployed for both narrowband and wideband audio users. The numerical results show that they outperform several featured schedulers such as FLS, M-LWDF, and EXP/PF in terms of delay, packet loss rate, cell throughput, fairness index, and spectral efficiency in almost cases. Last, in order to ensure voice transmission quality over LTE network, prediction of user satisfaction is essential. For this reason, we present two object non-intrusive models for measuring voice quality in LTE networks. These models are used for narrowband and wideband audio users. The proposed models do not refer to the original signal, thus, they are very suitable for predicting voice call quality in LTE networks

Afin de garantir un MANET totalement connecté, nous proposons un outil analytique permettant d´estimer les rayons de couverture requis. Ensuite, nous étudions les communications multi-sauts et nous proposons plusieurs protocoles de routage pour améliorer les délais de communications. Puis, nous nous focalisons sur la contribution du réseau satellite en menant une étude comparative qualifiant les besoins en stations hybrides "HS" ainsi qu’une stratégie d´accès à ces passerelles satellite. Dans un deuxième temps, nous traitons l’ occurrence du dépassement des ressources radio et le dimensionnement de ces dernières de façon à optimiser la bande passante allouée au réseau. Nous dérivons un modèle analytique en utilisant des résultats issus de la géométrie aléatoire, permettant de prévoir la quantité de ressources radio requises par les noeuds actifs sous une certaine qualité de service "QoS" et plusieurs configurations d´antennes MIMO. Nous considérons tout d´abord un système d´accès centralisé où toutes les communications sont effectuées par l’ intermédiaire des noeuds chargés de la gestion des ressources radio. Ensuite, nous traitons le cas d´un système d´accès distribué sous le protocole d´accès Aloha où les nœuds sont autorisés à accéder à la bande passante partagée aléatoirement et uniformément. Les simulations et les résultats numériques permettent d´évaluer les performances en termes de bande passante requise, de capacité globale et de rayons de couverture. / In the first part of this thesis, we tackle the initialization of the network in this hierarchical context. We propose a statistical model enabling a network designer to perceive the requirements in terms of equipments, channel bandwidth, antenna configurations, antenna radiation pattern, achievable data rates for instance. In order to guarantee fully connected MANET, we introduce an analytical tool to estimate the required inter-staff-ships and inter-shipmasters coverage radii. Then we study the multi-hop end-to-end communications and we propose several routing protocols to enhance the delays. Afterwards, we focus on the contribution of the satellite backhaul with a comparative study qualifying the needs in Hybrid Stations “HSs” and a strategy to access to these gateways. In a second part, we emphasis on the radio resource outage occurrence and the dimensioning matter to optimize the allocated bandwidth to the network. We investigate stochastic geometry tools to provide an analytical model enabling to foresee the amount of required radio resources by the active nodes with a certain Quality of Service “QoS” and several Multiple Inputs Multiple Outputs “MIMO” antenna configurations in the maritime context. We consider first the centralized access scheme where all communications are performed via the shipmasters that are in charge of the radio resource management. Then we focus on the distributed access scheme with Aloha Medium Access Control “MAC” protocol where nodes are authorized to access to the shared bandwidth arbitrarily and unilaterally. Simulation and numerical results are provided to evaluate the performances in terms of required bandwidth, aggregate capacity.

Security protocols are ubiquitously used in various applications with the intention to ensure secure and private communication. To achieve this goal, a mechanism offering reliable and systematic protocol verification is needed. Accordingly, a major interest in academic research on formal methods for protocol analysis has been apparent for the last two decades. Such methods formalize the operational semantics of a protocol, laying the base for protocol verification with automatic model checking tools. So far, little work in this field has focused on protocol standardization. Within this thesis a security analysis of a novel Authenticated Key-Exchange (AKE) protocol for secure association handover between two Long-Term Evolution (LTE) base stations (which support dual-connectivity) is carried out by applying two state-of-the-art tools for automated model checking (Scyther and Tamarin Prover). In the course of this a formal protocol model and tool input models are developed. Finally, the suitability of the used tools for LTE protocol analysis is evaluated. The major outcome is that none of the two applied tools is capable to accurately model and verify the dual-connectivity protocol in such detail that it would make them particularly useful in the considered setting. The reason for this are restrictions in the syntax of Scyther and a degraded performance of Tamarin when using complex protocol input models. However, the use of formal methods in protocol standardization can be highly beneficial, since it implies a careful consideration of a protocol’s fundamentals. Hence, formal methods are helpful to improve and structure a protocol’s design process when applied in conjunction to current practices. / Säkerhetsprotokoll används i många typer av applikationer för att säkerställa säkerhet och integritet för kommunikation. För att uppnå detta mål behövs en behövs mekanismer som tillhandahåller pålitlig och systematisk verifiering av protokollen. Därför har det visats stort akademiskt intresse för forskning inom formell verifiering av säkerhetsprotokoll de senaste två decennierna. Sådana metoder formaliserar protokollsemantiken, vilket lägger grunden till automatiserad verifiering med modellverifieringsverktyg. Än så la¨nge har det inte varit stort focus på praktiska tilla¨mpningar, som t.ex. hur väl metoderna fungerar för de problem som dyker upp under en standardiseringsprocess. I detta examensarbete konstrueras en formell modell för ett säkerhetsprotokoll som etablerar en säkerhetsassociation mellan en terminal och två Long-Term Evolution (LTE) basstationer i ett delsystem kallat Dual Connectivity. Detta delsystem standardiseras för närvarande i 3GPP. Den formella modellen verifieras sedan med bästa tillgängliga verktyg för automatiserad modellverifiering (Scyther och Tamarin Prover). För att åstadkomma detta har den formella modellen implementerats i inmatningsspråken för de två verktygen.  Slutligen ha de två verktygen evaluerats. Huvudslutsatsen är att inget av de två verktygen tillräckligt väl kan modellera de koncept där maskinstödd verifiering som mest behövs. Skälen till detta är Scythers begränsade syntax, och Tamarins begränsade prestanda och möjlighet att terminera för komplexa protokollmodeller. Trots detta är formella metoder andvändbara i standardiseringsprocessen eftersom de tvingar fram väldigt noggrann granskning av protokollens fundamentala delar. Därför kan formella metoder bidra till att förbättra strukturen på protokollkonstruktionsprocessen om det kombineras med nuvarande metoder.