L'allocation des ressources spectrales à des services de communications sans fil, sans cesse plus nombreux et plus gourmands, a récemment mené la communauté radio à vouloir remettre en question la stratégie de répartition des bandes de fréquences imposée depuis plus d'un siècle. En effet une étude rendue publique en 2002 par la commission fédérale des communications aux Etats-Unis (Federal Communications Commission - FCC) mit en évidence une pénurie des ressources spectrales dans une large bande de fréquences comprise entre quelques mégahertz à plusieurs gigahertz. Cependant, cette même étude expliqua cette pénurie par une allocation statique des ressources aux différents services demandeurs plutôt que par une saturation des bandes de fréquences. Cette explication fut par la suite corroborée par de nombreuses mesures d'occupation spectrale, réalisées dans plusieurs pays, qui montrèrent une forte sous-utilisation des bandes de fréquences en fonction du temps et de l'espace, représentant par conséquent autant d'opportunité spectrale inexploitée. Ces constations donnèrent naissance à un domaine en plein effervescence connu sous le nom d'Accès Opportuniste au Spectre (Opportunistic Spectrum Access). Nos travaux suggèrent l'étude de mécanismes d'apprentissage pour la radio intelligente (Cognitive Radio) dans le cadre de l'Accès Opportuniste au Spectre (AOS) afin de permettre à des équipements radio d'exploiter ces opportunités de manière autonome. Pour cela, nous montrons que les problématiques d'AOS peuvent être fidèlement représentées par des modèles d'apprentissage par renforcement. Ainsi, l'équipement radio est modélisé par un agent intelligent capable d'interagir avec son environnement afin d'en collecter des informations. Ces dernières servent à reconnaître, au fur et à mesure des expériences, les meilleurs choix (bandes de fréquences, configurations, etc.) qui s'offrent au système de communication. Nous nous intéressons au modèle particulier des bandits manchots (Multi-Armed Bandit appliqué à l'AOS). Nous discutons, lors d'une phase préliminaire, différentes solutions empruntées au domaine de l'apprentissage machine (Machine Learning). Ensuite, nous élargissons ces résultats à des cadres adaptés à la radio intelligente. Notamment, nous évaluons les performances de ces algorithmes dans le cas de réseaux d'équipements qui collaborent en prenant en compte, dans le modèle suggéré, les erreurs d'observations. On montre de plus que ces algorithmes n'ont pas besoin de connaître la fréquence des erreurs d'observation afin de converger. La vitesse de convergence dépend néanmoins de ces fréquences. Dans un second temps nous concevons un nouvel algorithme d'apprentissage destiné à répondre à des problèmes d'exploitation des ressources spectrales dans des conditions dites de fading. Tous ces travaux présupposent néanmoins la capacité de l'équipement intelligent à détecter efficacement l'activité d'autres utilisateurs sur la bande (utilisateurs prioritaires dits utilisateurs primaires). La principale difficulté réside dans le fait que l'équipement intelligent ne suppose aucune connaissance a priori sur son environnement (niveau du bruit notamment) ou sur les utilisateurs primaires. Afin de lever le doute sur l'efficacité de l'approche suggérée, nous analysons l'impact de ces incertitudes sur le détecteur d'énergie. Ce dernier prend donc le rôle d'observateur et envoie ses observations aux algorithmes d'apprentissage. Nous montrons ainsi qu'il est possible de quantifier les performances de ce détecteur dans des conditions d'incertitude sur le niveau du bruit ce qui le rend utilisable dans le contexte de la radio intelligente. Par conséquent, les algorithmes d'apprentissage utilisés pourront exploiter les résultats du détecteur malgré l'incertitude inhérente liée à l'environnement considéré et aux hypothèses (sévères) d'incertitude liées au problème analysé.

L’allocation des ressources spectrales à des services de communications sans fil, sans cesse plus nombreux et plus gourmands, a récemment mené la communauté radio à vouloir remettre en question la stratégie de répartition des bandes de fréquences imposée depuis plus d’un siècle. En effet une étude rendue publique en 2002 par la commission fédérale des communications aux Etats-Unis (Federal Communications Commission - FCC) mit en évidence une pénurie des ressources spectrales dans une large bande de fréquences comprise entre quelques mégahertz à plusieurs gigahertz. Cependant, cette même étude expliqua cette pénurie par une allocation statique des ressources aux différents services demandeurs plutôt que par une saturation des bandes de fréquences. Cette explication fut par la suite corroborée par de nombreuses mesures d’occupation spectrale, réalisées dans plusieurs pays, qui montrèrent une forte sous-utilisation des bandes de fréquences en fonction du temps et de l’espace, représentant par conséquent autant d’opportunité spectrale inexploitée. Ces constations donnèrent naissance à un domaine en plein effervescence connu sous le nom d’Accès Opportuniste au Spectre (Opportunistic Spectrum Access). Nos travaux suggèrent l’étude de mécanismes d’apprentissage pour la radio intelligente (Cognitive Radio) dans le cadre de l’Accès Opportuniste au Spectre (AOS) afin de permettre à des équipements radio d’exploiter ces opportunités de manière autonome. Pour cela, nous montrons que les problématiques d’AOS peuvent être fidèlement représentées par des modèles d’apprentissage par renforcement. Ainsi, l’équipement radio est modélisé par un agent intelligent capable d’interagir avec son environnement afin d’en collecter des informations. Ces dernières servent à reconnaître, au fur et à mesure des expériences, les meilleurs choix (bandes de fréquences, configurations, etc.) qui s’offrent au système de communication. Nous nous intéressons au modèle particulier des bandits manchots (Multi-Armed Bandit appliqué à l’AOS). Nous discutons, lors d’une phase préliminaire, différentes solutions empruntées au domaine de l’apprentissage machine (Machine Learning). Ensuite, nous élargissons ces résultats à des cadres adaptés à la radio intelligente. Notamment, nous évaluons les performances de ces algorithmes dans le cas de réseaux d’équipements qui collaborent en prenant en compte, dans le modèle suggéré, les erreurs d’observations. On montre de plus que ces algorithmes n’ont pas besoin de connaître la fréquence des erreurs d’observation afin de converger. La vitesse de convergence dépend néanmoins de ces fréquences. Dans un second temps nous concevons un nouvel algorithme d’apprentissage destiné à répondre à des problèmes d’exploitation des ressources spectrales dans des conditions dites de fading. Tous ces travaux présupposent néanmoins la capacité de l’équipement intelligent à détecter efficacement l’activité d’autres utilisateurs sur la bande (utilisateurs prioritaires dits utilisateurs primaires). La principale difficulté réside dans le fait que l’équipement intelligent ne suppose aucune connaissance a priori sur son environnement (niveau du bruit notamment) ou sur les utilisateurs primaires. Afin de lever le doute sur l’efficacité de l’approche suggérée, nous analysons l’impact de ces incertitudes sur le détecteur d’énergie. Ce dernier prend donc le rôle d’observateur et envoie ses observations aux algorithmes d’apprentissage. Nous montrons ainsi qu’il est possible de quantifier les performances de ce détecteur dans des conditions d’incertitude sur le niveau du bruit ce qui le rend utilisable dans le contexte de la radio intelligente. Par conséquent, les algorithmes d’apprentissage utilisés pourront exploiter les résultats du détecteur malgré l’incertitude inhérente liée à l’environnement considéré et aux hypothèses (sévères) d’incertitude liées au problème analysé. / During the last century, most of the meaningful frequency bands were licensed to emerging wireless applications. Because of the static model of frequency allocation, the growing number of spectrum demanding services led to a spectrum scarcity. However, recently, series of measurements on the spectrum utilization showed that the different frequency bands were underutilized (sometimes even unoccupied) and thus that the scarcity of the spectrum resource is virtual and only due to the static allocation of the different bands to specific wireless services. Moreover, the underutilization of the spectrum resource varies on different scales in time and space offering many opportunities to an unlicensed user or network to access the spectrum. Cognitive Radio (CR) and Opportunistic Spectrum Access (OSA) were introduced as possible solutions to alleviate the spectrum scarcity issue.In this dissertation, we aim at enabling CR equipments to exploit autonomously communication opportunities found in their vicinity. For that purpose, we suggest decision making mechanisms designed and/or adapted to answer CR related problems in general, and more specifically, OSA related scenarios. Thus, we argue that OSA scenarios can be modeled as Multi-Armed Bandit (MAB) problems. As a matter of fact, within OSA contexts, CR equipments are assumed to have no prior knowledge on their environment. Acquiring the necessary information relies on a sequential interaction between the CR equipment and its environment. Finally, the CR equipment is modeled as a cognitive agent whose purpose is to learn while providing an improving service to its user. Thus, firstly we analyze the performance of UCB1 algorithm when dealing with OSA problems with imperfect sensing. More specifically, we show that UCB1 can efficiently cope with sensing errors. We prove its convergence to the optimal channel and quantify its loss of performance compared to the case with perfect sensing. Secondly, we combine UCB1 algorithm with collaborative and coordination mechanism to model a secondary network (i.e. several SUs). We show that within this complex scenario, a coordinated learning mechanism can lead to efficient secondary networks. These scenarios assume that a SU can efficiently detect incumbent users’ activity while having no prior knowledge on their characteristics. Usually, energy detection is suggested as a possible approach to handle such task. Unfortunately, energy detection in known to perform poorly when dealing with uncertainty. Consequently, we ventured in this Ph.D. to revisit the problem of energy detection limits under uncertainty. We present new results on its performances as well as its limits when the noise level is uncertain and the uncertainty is modeled by a log-normal distribution (as suggested by Alexander Sonnenschein and Philip M. Fishman in 1992). Within OSA contexts, we address a final problem where a sensor aims at quantifying the quality of a channel in fading environments. In such contexts, UCB1 algorithms seem to fail. Consequently, we designed a new algorithm called Multiplicative UCB (UCB) and prove its convergence. Moreover, we prove that MUCB algorithms are order optimal (i.e., the order of their learning rate is optimal). This last work provides a contribution that goes beyond CR and OSA. As a matter of fact, MUCB algorithms are introduced and solved within a general MAB framework.

Cette thèse étudie les techniques de gestion intelligente du spectre et de topologie des réseaux via une approche radio intelligente dans le but d’améliorer leur capacité, leur qualité de service (QoS – Quality of Service) et leur consommation énergétique. Les techniques d’apprentissage par renforcement y sont utilisées dans le but d’améliorer les performances d’un système radio intelligent. Dans ce manuscrit, nous traitons du problème d’accès opportuniste au spectre dans le cas de réseaux intelligents sans infrastructure. Nous nous plaçons dans le cas où aucune information n’est échangée entre les utilisateurs secondaires (pour éviter les surcoûts en transmissions). Ce problème particulier est modélisé par une approche dite de bandits manchots « restless » markoviens multi-utilisateurs (multi-user restless Markov MAB -multi¬armed bandit). La contribution principale de cette thèse propose une stratégie d’apprentissage multi-joueurs qui prend en compte non seulement le critère de disponibilité des canaux (comme déjà étudié dans la littérature et une thèse précédente au laboratoire), mais aussi une métrique de qualité, comme par exemple le niveau d’interférence mesuré (sensing) dans un canal (perturbations issues des canaux adjacents ou de signaux distants). Nous prouvons que notre stratégie, RQoS-UCB distribuée (distributed restless QoS-UCB – Upper Confidence Bound), est quasi optimale car on obtient des performances au moins d’ordre logarithmique sur son regret. En outre, nous montrons par des simulations que les performances du système intelligent proposé sont améliorées significativement par l’utilisation de la solution d’apprentissage proposée permettant à l’utilisateur secondaire d’identifier plus efficacement les ressources fréquentielles les plus disponibles et de meilleure qualité. Cette thèse propose également un nouveau modèle d’apprentissage par renforcement combiné à un transfert de connaissance afin d’améliorer l’efficacité énergétique (EE) des réseaux cellulaires hétérogènes. Nous formulons et résolvons un problème de maximisation de l’EE pour le cas de stations de base (BS – Base Stations) dynamiquement éteintes et allumées (ON-OFF). Ce problème d’optimisation combinatoire peut aussi être modélisé par des bandits manchots « restless » markoviens. Par ailleurs, une gestion dynamique de la topologie des réseaux hétérogènes, utilisant l’algorithme RQoS-UCB, est proposée pour contrôler intelligemment le mode de fonctionnement ON-OFF des BS, dans un contexte de trafic et d’étude de capacité multi-cellulaires. Enfin une méthode incluant le transfert de connaissance « transfer RQoS-UCB » est proposée et validée par des simulations, pour pallier les pertes de récompense initiales et accélérer le processus d’apprentissage, grâce à la connaissance acquise à d’autres périodes temporelles correspondantes à la période courante (même heure de la journée la veille, ou même jour de la semaine par exemple). La solution proposée de gestion dynamique du mode ON-OFF des BS permet de diminuer le nombre de BS actives tout en garantissant une QoS adéquate en atténuant les fluctuations de la QoS lors des variations du trafic et en améliorant les conditions au démarrage de l’apprentissage. Ainsi, l’efficacité énergétique est grandement améliorée. Enfin des démonstrateurs en conditions radio réelles ont été développés pour valider les solutions d’apprentissage étudiées. Les algorithmes ont également été confrontés à des bases de données de mesures effectuées par un partenaire dans la gamme de fréquence HF, pour des liaisons transhorizon. Les résultats confirment la pertinence des solutions d’apprentissage proposées, aussi bien en termes d’optimisation de l’utilisation du spectre fréquentiel, qu’en termes d’efficacité énergétique. / Future cellular network technologies are targeted at delivering self-organizable and ultra-high capacity networks, while reducing their energy consumption. This thesis studies intelligent spectrum and topology management through cognitive radio techniques to improve the capacity density and Quality of Service (QoS) as well as to reduce the cooperation overhead and energy consumption. This thesis investigates how reinforcement learning can be used to improve the performance of a cognitive radio system. In this dissertation, we deal with the problem of opportunistic spectrum access in infrastructureless cognitive networks. We assume that there is no information exchange between users, and they have no knowledge of channel statistics and other user's actions. This particular problem is designed as multi-user restless Markov multi-armed bandit framework, in which multiple users collect a priori unknown reward by selecting a channel. The main contribution of the dissertation is to propose a learning policy for distributed users, that takes into account not only the availability criterion of a band but also a quality metric linked to the interference power from the neighboring cells experienced on the sensed band. We also prove that the policy, named distributed restless QoS-UCB (RQoS-UCB), achieves at most logarithmic order regret. Moreover, numerical studies show that the performance of the cognitive radio system can be significantly enhanced by utilizing proposed learning policies since the cognitive devices are able to identify the appropriate resources more efficiently. This dissertation also introduces a reinforcement learning and transfer learning frameworks to improve the energy efficiency (EE) of the heterogeneous cellular network. Specifically, we formulate and solve an energy efficiency maximization problem pertaining to dynamic base stations (BS) switching operation, which is identified as a combinatorial learning problem, with restless Markov multi-armed bandit framework. Furthermore, a dynamic topology management using the previously defined algorithm, RQoS-UCB, is introduced to intelligently control the working modes of BSs, based on traffic load and capacity in multiple cells. Moreover, to cope with initial reward loss and to speed up the learning process, a transfer RQoS-UCB policy, which benefits from the transferred knowledge observed in historical periods, is proposed and provably converges. Then, proposed dynamic BS switching operation is demonstrated to reduce the number of activated BSs while maintaining an adequate QoS. Extensive numerical simulations demonstrate that the transfer learning significantly reduces the QoS fluctuation during traffic variation, and it also contributes to a performance jump-start and presents significant EE improvement under various practical traffic load profiles. Finally, a proof-of-concept is developed to verify the performance of proposed learning policies on a real radio environment and real measurement database of HF band. Results show that proposed multi-armed bandit learning policies using dual criterion (e.g. availability and quality) optimization for opportunistic spectrum access is not only superior in terms of spectrum utilization but also energy efficient.

Cette thèse étudie les techniques de gestion intelligente du spectre et de topologie des réseaux via une approche radio intelligente dans le but d’améliorer leur capacité, leur qualité de service (QoS – Quality of Service) et leur consommation énergétique. Les techniques d’apprentissage par renforcement y sont utilisées dans le but d’améliorer les performances d’un système radio intelligent. Dans ce manuscrit, nous traitons du problème d’accès opportuniste au spectre dans le cas de réseaux intelligents sans infrastructure. Nous nous plaçons dans le cas où aucune information n’est échangée entre les utilisateurs secondaires (pour éviter les surcoûts en transmissions). Ce problème particulier est modélisé par une approche dite de bandits manchots « restless » markoviens multi-utilisateurs (multi-user restless Markov MAB -multi¬armed bandit). La contribution principale de cette thèse propose une stratégie d’apprentissage multi-joueurs qui prend en compte non seulement le critère de disponibilité des canaux (comme déjà étudié dans la littérature et une thèse précédente au laboratoire), mais aussi une métrique de qualité, comme par exemple le niveau d’interférence mesuré (sensing) dans un canal (perturbations issues des canaux adjacents ou de signaux distants). Nous prouvons que notre stratégie, RQoS-UCB distribuée (distributed restless QoS-UCB – Upper Confidence Bound), est quasi optimale car on obtient des performances au moins d’ordre logarithmique sur son regret. En outre, nous montrons par des simulations que les performances du système intelligent proposé sont améliorées significativement par l’utilisation de la solution d’apprentissage proposée permettant à l’utilisateur secondaire d’identifier plus efficacement les ressources fréquentielles les plus disponibles et de meilleure qualité. Cette thèse propose également un nouveau modèle d’apprentissage par renforcement combiné à un transfert de connaissance afin d’améliorer l’efficacité énergétique (EE) des réseaux cellulaires hétérogènes. Nous formulons et résolvons un problème de maximisation de l’EE pour le cas de stations de base (BS – Base Stations) dynamiquement éteintes et allumées (ON-OFF). Ce problème d’optimisation combinatoire peut aussi être modélisé par des bandits manchots « restless » markoviens. Par ailleurs, une gestion dynamique de la topologie des réseaux hétérogènes, utilisant l’algorithme RQoS-UCB, est proposée pour contrôler intelligemment le mode de fonctionnement ON-OFF des BS, dans un contexte de trafic et d’étude de capacité multi-cellulaires. Enfin une méthode incluant le transfert de connaissance « transfer RQoS-UCB » est proposée et validée par des simulations, pour pallier les pertes de récompense initiales et accélérer le processus d’apprentissage, grâce à la connaissance acquise à d’autres périodes temporelles correspondantes à la période courante (même heure de la journée la veille, ou même jour de la semaine par exemple). La solution proposée de gestion dynamique du mode ON-OFF des BS permet de diminuer le nombre de BS actives tout en garantissant une QoS adéquate en atténuant les fluctuations de la QoS lors des variations du trafic et en améliorant les conditions au démarrage de l’apprentissage. Ainsi, l’efficacité énergétique est grandement améliorée. Enfin des démonstrateurs en conditions radio réelles ont été développés pour valider les solutions d’apprentissage étudiées. Les algorithmes ont également été confrontés à des bases de données de mesures effectuées par un partenaire dans la gamme de fréquence HF, pour des liaisons transhorizon. Les résultats confirment la pertinence des solutions d’apprentissage proposées, aussi bien en termes d’optimisation de l’utilisation du spectre fréquentiel, qu’en termes d’efficacité énergétique. / Future cellular network technologies are targeted at delivering self-organizable and ultra-high capacity networks, while reducing their energy consumption. This thesis studies intelligent spectrum and topology management through cognitive radio techniques to improve the capacity density and Quality of Service (QoS) as well as to reduce the cooperation overhead and energy consumption. This thesis investigates how reinforcement learning can be used to improve the performance of a cognitive radio system. In this dissertation, we deal with the problem of opportunistic spectrum access in infrastructureless cognitive networks. We assume that there is no information exchange between users, and they have no knowledge of channel statistics and other user's actions. This particular problem is designed as multi-user restless Markov multi-armed bandit framework, in which multiple users collect a priori unknown reward by selecting a channel. The main contribution of the dissertation is to propose a learning policy for distributed users, that takes into account not only the availability criterion of a band but also a quality metric linked to the interference power from the neighboring cells experienced on the sensed band. We also prove that the policy, named distributed restless QoS-UCB (RQoS-UCB), achieves at most logarithmic order regret. Moreover, numerical studies show that the performance of the cognitive radio system can be significantly enhanced by utilizing proposed learning policies since the cognitive devices are able to identify the appropriate resources more efficiently. This dissertation also introduces a reinforcement learning and transfer learning frameworks to improve the energy efficiency (EE) of the heterogeneous cellular network. Specifically, we formulate and solve an energy efficiency maximization problem pertaining to dynamic base stations (BS) switching operation, which is identified as a combinatorial learning problem, with restless Markov multi-armed bandit framework. Furthermore, a dynamic topology management using the previously defined algorithm, RQoS-UCB, is introduced to intelligently control the working modes of BSs, based on traffic load and capacity in multiple cells. Moreover, to cope with initial reward loss and to speed up the learning process, a transfer RQoS-UCB policy, which benefits from the transferred knowledge observed in historical periods, is proposed and provably converges. Then, proposed dynamic BS switching operation is demonstrated to reduce the number of activated BSs while maintaining an adequate QoS. Extensive numerical simulations demonstrate that the transfer learning significantly reduces the QoS fluctuation during traffic variation, and it also contributes to a performance jump-start and presents significant EE improvement under various practical traffic load profiles. Finally, a proof-of-concept is developed to verify the performance of proposed learning policies on a real radio environment and real measurement database of HF band. Results show that proposed multi-armed bandit learning policies using dual criterion (e.g. availability and quality) optimization for opportunistic spectrum access is not only superior in terms of spectrum utilization but also energy efficient.