Avec l’évolution rapide des technologies réseaux et télécoms radios mobiles, les chercheurs sont actuellement en train de préparer l’arrivée d’une nouvelle génération baptisée 4G. Le réseau de 4ème génération qui est encore l’objet de travaux de recherche vise à améliorer l’efficacité spectrale et à augmenter la capacité de gestion du nombre des mobiles dans une même cellule. Il tend à offrir des débits élevés en situation de mobilité à grande ou faible vitesse. Il vise aussi à permettre et à faciliter l’interconnexion et l’interopérabilité entre différentes technologies existantes en rendant transparent à l’utilisateur le passage entre les réseaux. Enfin, il vise à éviter l’interruption des services durant le transfert intercellulaire, et à basculer l’utilisation vers le tout IP. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés en premier lieu aux problématiques de la QoS en situation de mobilité au sein d’une technologie candidate à la 4G (WiMAX mobile) pour du trafic temps-réel. Pour cela, nous avons comparé la performance de plusieurs protocoles de mobilité dans le contexte du Handover de niveau 2 et de niveau 3 et plus. Nous avons pour cela fait varier les modèles de mobilité, les configurations et les scénarios. Enfin, nous avons modélisé un algorithme décisionnel qui gère le Handover dans le WiMAX mobile en fonction de plusieurs paramètres d’entrées. Au travers de ces études, nous avons dégagé des protocoles de mobilité qui offrent un niveau de QoS acceptable pour un trafic temps-réel dans le cadre des scénarios envisagés. En deuxième lieu, nous nous sommes concentrés sur les problèmes d’interconnexion et d’interopérabilité entre les réseaux en tenant compte de la mobilité et du Handover vertical entre deux technologies. Pour cela, nous avons proposé de comparer des protocoles de mobilité puis de les combiner afin de diminuer les délais des trafics temps-réel au cours du Handover. Au niveau de l’interconnexion, nous avons proposé des modèles entre WiMAX mobile et de nombreux autres standards (802.11e, UMTS, DVB-S/RCS, LTE). Outre les solutions d’interconnexion, nous avons également mis en évidence la ou les combinaisons de protocoles de gestion de la mobilité qui permettent de garantir de la QoS. / With the rapid evolution of mobile radio telecommunications and networks technologies, researchers are currently preparing the arrival of a new generation called 4G. The 4th generation network aims to improve spectral efficiency and increase capacity to manage a large number of mobiles in a cell. It tries to provide high flow rates under high or low mobility. It also aims to enable and facilitate the interconnection and the interoperability between different technologies allowing transparent transition between networks. Finally, it aims to avoid interruption of services during the handover, and to switch an all-IP system. In this context, we are concerned first with QoS and mobility issues in Mobile WiMAX for the real-time traffic. We compared the performance of several mobility protocols in the context of the level 2 and level 3+ handovers. Several mobility models, configurations and scenarios were considered. Finally, we modeled a decision algorithm that manages the handover in mobile WiMAX based on several input parameters.Through these studies, we have identified mobility protocols that provide an acceptable QoS level for real-time traffic under the proposed scenarios. Secondly, we focused on the problems of interconnection and interoperability between networks, taking into account the mobility and vertical handovers between two technologies. For this, we proposed to compare mobility protocols or combine them to reduce delays for real-time traffic during the handover. We also proposed interconnection models between mobile WiMAX and many other standards (802.11e, UMTS, DVB-S/RCS, LTE). Besides interconnection solutions, we also highlighted the combination or combinations of management mobility protocols that can guarantee QoS.

La norme 3G/UMTS a permis de développer les premières applications multimédia pour téléphones et tablettes mobiles. Le nouveau standard 4G/LTE (Long Term Evolution) a pour objectif le très haut débit mobile. Dans ce standard, beaucoup d’efforts ont portés sur la reconfiguration automatique des réseaux en fonction de la demande des clients dans un processus appelé Self-Organizing Network (SON). Le travail de cette thèse s’inscrit dans cette direction. La reconfiguration de réseaux est comprise principalement dans le sens des modèles, des méthodes et des outils pour analyser les indicateurs remontés du réseau et configurer automatiquement les paramètres. Nous avons essentiellement travaillé sur les paramètres des aériens, l’allocation des fréquences, des puissances d’émission et des inclinaisons verticales.Dans cette optique, étant donné la forte variabilité des données d’entrée de l’optimisation issues des remontées de réseau, cette thèse porte sur les modèles et algorithmes d’optimisation robuste dans le contexte de l’optimisation sous contraintes. L’optimisation robuste fait référence à un ensemble de procédés pour proposer des solutions à des problèmes combinatoires dans un contexte de données incertaines et de scénarios variables dans le temps. Une première partie est dédiée à l’état de l’art et présente les principes des Self-Organizing Network (SON). La deuxième partie est consacrée à l’état de l’art des méthodes en optimisation robuste. En troisième partie nous présentons la modélisation mathématique du problème d’optimisation pour lequel les données de trafic (répartitions des clients sur la zone de service et leurs demandes respectives) prennent des valeurs variables dans le temps. Une phase de diagnostic sur le fonctionnement du réseau à partir des données, et une étude de sensibilité des solutions vis-à-vis des variations dans la réalisation des données ont été faites en quatrième partie avec des algorithmes de recherche locale. La cinquième partie présente le travail de conception, développement et test sur scénarios, d’une Recherche Tabou ainsi qu’une analyse approfondie sur les méthodes de pilotage envisagées pour les SON en 4G. / The standard 3G/UMTS has launched the first multimedia applications for mobile phones and tablets. The new standard 4G/LTE (Long Term Evolution) has mobile broadband objective. In this standard a huge effort has been done on automatic network reconfiguration based on customer demand variation in a process called Self-Organizing Network (SON). The work of this thesis lies in this direction. Reconfiguration of networks lies mainly in the direction of models, methods and tools to analyze network Key Performance Indicators and automatically configure its settings. We mainly worked on the air interface parameters such that frequency assignment, emitted power and pattern vertical inclination.In this context, given the high variability of optimization input data issued from the network, this thesis focuses on robust optimization under constraints. The robust optimization refers to a set of processes to provide solutions to combinatorial problems with uncertain and variable scenarios of data over time. The first Section presents the principles of Self-Organizing Network (SON). The second Section concerns the state of the art on robust optimization. The third Section defines the mathematical model to optimize for which traffic data (distribution of customers and throughput requirements on the service area) take variable values over time. A data diagnostic phase on the network operation and a sensitivity analysis of the solutions were made in the fourth Section with several local search algorithms. The fifth Section presents the work of design, development and test of a Tabu Search method and a thorough analysis of SON control methodology proposed for 4G.

LTE- Long Term Evolution, marketed as 4G LTE, is a new generation of mobile-phone network which enable the mobile operator to provide significantly faster mobile broadband data rates. With the new redesign and simplification of the network architecture, 4G LTE can provide five time faster data rates than the current 3G networks. It will help the mobile operators to cope with ever growing mobile data traffic demands in a cost-effective manner. In Taiwan, the licenses for 4G LTE will be issued by the end of 2013, opening another business opportunities for the mobile industry. It’s expected that all the big mobile operators will acquire for the licenses. Telecom equipment vendor such as Nokia Siemens Networks and Ericsson are preparing for 4G LTE network trial and deployment as well. In light of the upcoming 4G LTE deployment in Taiwan, this thesis project was conduct to gain a better understanding of the current mobile users in Taiwan. The goal is to identify and understand customers’ attitudes, preferences, and satisfactions towards the current mobile carriers as well as customers’ expectations of the next generation carrier – 4G LTE. The data input of this thesis are survey data collected by on-line questionnaire from the students at National ChengChi University, and people living in Taiwan. The sample size was 872. The collected data was analyzed by SPSS, a computerized statistical program. The analysis report includes description of the sample, customers’ attitudes, and preferences of the current mobile carriers in general, satisfactions towards their current using carriers, expectations of 4G LTE carriers as well as their preferable carriers. The report also discusses the carrier switching pattern, and the factors influencing the switching behavior. After analyzing the findings of the study, the thesis report proposes that the mobile operators should deploy 4G LTE network coverage as soon as possible, concentrate on increasing mobile data service speed, maintain voice call service quality, offer a wide variety of handsets at some attractive prices and setting tariff rate competitively.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε το μελλοντικό δίκυο 4G UMTS με ΙΡ διασύνδεση στο δίκτυο πυρήνα. Επίσης μελετώ τα νέα πρωτόκολλα για mobile internet IPV4, IPV6 καθώς επίσης και την πολυμεσική δομή ΙΜS. / In this Maste thesis, study the 4G UMTS network with IP conection in the core network. So i analyze the new protocolls for mobile internet IPV4, IPV6 and the multimedia structure IMS

Les travaux de thèse s'intéressent à la problématique de contrôle et de communication dans le domaine de la conception des systèmes numériques embarqués pour les applications de télécommunication de quatrième génération. La complexité des applications couplée aux besoins de productivité croissants impose de repenser les méthodologies de conception et les architectures sous jacentes. Afin de lever ces verrous, nous proposons plusieurs contributions originales. En effet, une méthodologie d'exploration d'un espace de conception ainsi qu'une architecture basée sur des noeuds de traitements homogènes et flexibles interconnectés à travers un réseau sur silicium sont proposées. Chaque noeud de traitement possède plusieurs blocs visant à exécuter efficacement et dynamiquement les applications de télécommunication. Pour répondre aux contraintes de faible consommation, nous proposons plusieurs solutions innovantes afin de minimiser cette métrique notamment au travers de techniques de migration de tâches. / This PhD research aims to solve challenges about control and communication in the design of digital embedded systems for 4G telecom applications. The application complexity added to the increasing productivity gap force to think about new design methodologies and the underlying architectures. Several new research directions is proposed in this work. A methodology for design space exploration and a digital architecture based on homogeneous and flexible processing units interconnected by a Network-on-Chip is proposed. A processing unit is a cluster of DSPs controled by a MIPS processor to compute telecom applications. To meet low power constraints, we propose optimization techniques based on resource management including task migration.

Avec l'introduction des standards de communication de quatrième génération (4G) dans la téléphonie mobile, les bandes de fréquence dans lesquelles un téléphone mobile générique doit fonctionner ont naturellement augmenté. Ces évolutions ont induit de nouveaux challenges techniques notamment en ce qui concerne la conception des modules d'émission-réception, du frontal RF mais surtout des antennes. Les bandes de fréquences nouvellement ajoutées, en particulier les bandes LTE 12/13/17 qui descendent jusqu’à 700 MHz, constituent le défi antennaire majeur: couvrir la bande basse des 700-960MHz (30%) notamment en incluant la bande GSM850/900 compte tenu de la rétrocompatibilité avec les standards 3G. Étant donné que l'espace réservé pour l'antenne dans un terminal portatif est électriquement petit (dans cette gamme de fréquences basses), des techniques de conception spécifiques doivent être mises en œuvre pour pouvoir couvrir toute la bande de fréquence basse. Dans la phase de conception, il doit également être pris en compte le fait que l'antenne ou les antennes puissent incorporer des techniques d'amélioration de débit de données telles que le MIMO (Multiple Input Multiple Output) et l’agrégation de porteuse (Carrier Aggregation) pour le LTE-Advanced. De plus, si l’on considère des cas d'utilisation réalistes, les effets de l'utilisateur (main, tête) sur les performances globales du terminal doivent aussi être examinés. Dans cette thèse, plusieurs concepts d'antennes 4G pour les futurs terminaux mobiles sont proposés. Différentes topologies antennaires sont évaluées notamment des antennes reconfigurables / passives ainsi que des structures à alimentation simples/multiples / With the introduction of the fourth generation (4G) of cellular mobile communications, there has been an increase in the frequency bands that a generic mobile phone should be able to operate. This requirement poses some challenges in the design of the transceiver modules of the device as well as the RF front-end and the antenna. From the antenna design point of view, the newly added frequency bands especially LTE bands 12-13-17 which goes down to 700MHz creates the main design challenge: covering 700-960MHz (30% bandwidth) in the low-band, considering also backward compatibility with the former technologies like GSM850/900. Since the space reserved for the antenna is electrically small in this frequency range, special design techniques are necessary to obtain the required bandwidth for a generic mobile terminal antenna. It should also be taken into account in the design phase, that the antenna needs to be appropriate for operation in the data-rate enhancement techniques like MIMO (multiple input multiple output) and carrier aggregation in LTE-Advanced. Furthermore, considering the real use cases of the mobile terminal, the effect of the user (hand, head and both) on the antenna performance should also be investigated. In this thesis, several antenna designs for 4G coverage in mobile terminals are proposed. Different antenna topologies are evaluated consisting of tunable/passive antennas as well as single/multi-feed structures.

Cette thèse étudie les technologies porteuses de la 5ème génération de communication mobile telle que le MIMO et Massive MIMO ainsi que les divers challenges amenés par l’apparition de ces nouvelles technologies. Dans ce but un banc de mesure spécifique pour la caractérisation des performances des antennes MIMO en WLAN et LTE a été mis en œuvre. Dans un premier temps le banc de mesure a été réalisé à partir d’instruments de mesures Rhodes & Schwarz ; L’opportunité de travailler avec EURECOM nous a amenés à développer un second banc de test en utilisant l’OpenAirInterface, une plateforme open-source exploitant des systèmes de radio par logiciel. Nous avons conçu et réalisé une série de prototypes de routeur Wifi constitués de huit antennes. Chaque prototype est réalisé à partir d’antennes différentes (imprimées, 3D…). Nous avons également réalisé une seconde série prototype de routeur Wifi constitué de huit antennes imprimées sur plastique grâce à la technologie LDS. Une campagne de mesure a été réalisée avec ces prototypes sur le banc de test évoqué ci-dessus pour extraire des critères de performance antennaire utiles pour les applications MIMO. Ces études ont pour objectif d’apporter des éléments d’optimisation sur les techniques MIMO d’un point de vue antennaire. Une seconde partie de cette thèse est dédiée aux fréquences millimétriques qui sont au cœur de la 5G. Nous avons conçu un prototype de téléphone constitué de quatre antennes millimétriques. Une mesure permettant de prendre en compte les interférences avec le corps humain a été mise en place pour étudier les contraintes liées à l’implantation d’antennes millimétriques dans les futurs terminaux mobiles. / This PhD thesis studies the technologies of the 5th generation of mobile communication such as MIMO and Massive MIMO as well as the various challenges brought by the appearance of these new technologies. For this purpose, a specific test bench for characterizing the performance of MIMO antennas in WLAN and LTE has been implemented. The first the setup was made from Rhodes & Schwarz measuring instruments. The opportunity to work with EURECOM led us to develop a second test bench using the OpenAirInterface, an open-source platform exploiting software-based radio systems. We designed and built a series of Wi-Fi router prototypes consisting of eight antennas. Each prototype is made from different antennas (printed, 3D ...). We also produced a second series of Wi-Fi router prototypes consisting of eight antennas printed on plastic using LDS technology. A measurement campaign was carried out with these prototypes on the test bench mentioned above to extract useful antenna performance criteria for MIMO applications. These studies aim to provide optimization elements on MIMO techniques from an antenna point of view. A second part of this thesis is dedicated to the millimeter frequencies that are at the heart of 5G. We designed a mobile phone prototype consisting of four millimeter antennas. A measure to take into account the interference with the human body has been put in place to study the constraints related to the implementation of millimeter antennas in future mobile terminals.

Today a growing number of people need to work on laptops with wireless Internet connection. There are two common wireless Internet access solutions: wireless local area network (WLAN) via hotspot, and high speed wide area cellular network via mobile broadband device such as 3G/4G Universal Serial Bus (USB) dongle. USB dongle was the pioneer product in 3G/4G market, and it is still a popular device in many countries. Mobile broadband can offer both high speed access and mobility. Technically mobile broadband allows Internet connection as long as your mobile transceiver can access your cellular network operator’s network. However, in practice the data rates experienced by a user via mobile broadband are not comparable to the data rates that are available via WLAN. Moreover, mobile broadband has been implemented according to multiple different standards. Hence, in order to provide a user with locally optimal service requires that user must make use of heterogeneous networks. Furthermore, the variety of networks gets increasing due to the emergence of various 4G networks. The aim of this thesis is to explore how heterogeneous networks could be exploited to provide a user of a laptop computer with locally optimal service, while hiding the complexity of this heterogeneous service. The research focuses on the implications of integrating multiple network interfaces into a single USB dongle. Our research shows that multi-mode USB dongle is still needed in market, though there are competitions from smartphones and mobile WiFi devices. We point out that the PPP (Point to Point Protocol) based USB dongle should update to Ethernet USB protocols such as RNDIS (Remote Network Driver Interface Specification) or USB CDC (Communications Device Class) protocols. Furthermore, we suggest a USB dongle should be able to work as a WLAN access point to share Internet with other mobile devices, and it should also work as a WLAN client which can join other hotspots. If hotspot operators can authenticate USB dongles by SIM cards, then users can easily access a great number of hotspots belong to these operators. / Mer än någonsin behöver människan arbeta med bärbara datorer med anslutning till trådlöst Internet. Det finns två vanliga trådlösa Internet-anslutningar: trådlöst lokalt nätverk (WLAN på engelska) via en hotspot, eller höghastighets mobilnät via mobilt bredband som 3G/4G Universal Serial Bus (USB) dongel. USB dongeln var pionjär produkten inom 3G/4G marknaden, och den är fortfarande en populär enhet i många länder. Mobilt bredband kan erbjuda både tillgång till höga hastighet och bra mobilitet. Mobilt bredband tillåter, rent tekniskt, användaren hålla en Internet-anslutning så länge mobilen har tillgång till mobilnätets operatörsnät. Men i praktiken är datahastigheterna, som användaren upplever ha via det mobila bredbandet, inte jämförbar med de datahastigheter som är tillgängliga via WLAN. Dessutom har mobilt bredband implementerats enligt flera olika standarder. Således, för att förutse en användare med en optimal lokal tjänst, krävs det att användaren måste använda heterogena nätverk. Dessutom blir olika nätverk allt större på grund av uppkomsten av olika 4G-nät. Syftet med denna avhandling är att undersöka hur heterogena nätverk skulle kunna utnyttjas för att förutse en laptop användare med optimal lokal nätverksservice, samtidigt dölja komplexiteten för användaren om den heterogena tjänsten. Forskningen fokuserar på konsekvenserna av att integrera flera nätverksgränssnitt till en enda USB-dongel. Vår forskning visar att det fortfarande behövs en multi-mode USB dongel på marknaden, dock existerar det konkurrens från smartphones och mobila WiFi-enheter. Vi påpekar även i avhandlingen att PPP (Point-to-Point Protocol) baserade USB dongeln bör uppdateras till Ethernet USB-protokoll, såsom RNDIS (Remote Network Driver Interface Specification) eller USB CDC (Communications Device Class) protokoll. Vidare föreslår vi att en USB-dongel bör kunna fungera som en kopplingspunkt för att dela Internet med andra mobila enheter, och att den också bör fungera som en WLAN-klient som kan ansluta sig till andra hotspots. Om hotspot operatörer kan autentisera USB-donglar genom SIM-kort, så kan användarna enkelt få tillgång till ett stort antal hotspots som tillhör dessa operatörer.

Esta tesis es importante desde el punto de vista de la ingeniería, ya que muestra muchos detalles de la planificación, operación y optimización de una red de cuarta generación (4G) no implementada aun en nuestro país. Igualmente se tocarán muchos tópicos de la Ingeniería Electrónica vista en la universidad, para de esta manera afianzar los conocimientos de estos, así como nuevos conceptos que ayudarán al desarrollo de futuros ingenieros.

4G LTE is a new cellular phone network standard to provide both the capacity and Quality of Service (QoS) needed to support multimedia applications. Recent research in LTE has explored modifications to the current QoS setup, creating MAC layer schedulers and modifying the current QoS architecture. However, what has not been fully explored are the effects of LTE retransmission choices and capabilities on QoS. This thesis examines the impact of using acknowledgments to recover lost data over the wireless interface on VoIP, FTP and MPEG video applications. Issues explored include interaction between application performance, network transport protocols, LTE acknowledgment mode, and wireless conditions. Simulations show that LTE retransmissions improve FTP throughput by 0.1 to 0.8 Mb/s. With delay sensitive applications, like VoIP and video, the benefits of retransmissions are dependent on the loss rate. When the wireless loss rate is less than 20%, VoIP has similar performance with and without LTE retransmissions. At higher loss rates the use of LTE retransmissions adds degrading the VoIP quality by 71%. With UDP video, the choice of retransmissions or not makes little change when the wireless loss rates are less than 10%. With higher wireless loss rates, the frame arrival delay increases by up to 539% with LTE retransmissions, but the frame rate of the video decreases by up to 34% without those retransmissions. LTE providers should configure their networks to use retransmission policies appro- priate for the type of application traffic. This thesis shows that VoIP, FTP and video require different configurations in the LTE network layers.