Avec l’avènement de l’ère intellectuelle et de l’Internet of Everything (IoE), les besoins de la communication mondiale et des applications diverses ont explosé. Cette révolution exige que les futurs réseaux de communication soient plus efficaces, intellectuels, agiles et évolutifs. De nombreuses technologies réseau sont apparues pour répondre à la tendance des réseaux de communication de nouvelle génération tels que les réseaux optiques élastiques (EONs) et la virtualisation de réseau. De nombreux défis apparaissent avec les apparences de la nouvelle architecture et de la nouvelle technologie, telles que le routage et l’allocation de ressource spectrale (RSA) dans les EONs et l’intégration de réseaux virtuels (Virtual Network Embedding ou VNE) dans la virtualisation de réseau.Cette thèse traite la conception et l’analyse d’algorithmes d’approximation dans trois problèmes d’optimation du RSA et du VNE : les impacts de la distribution du trafic et de la topologie du réseau sur le routage tout optique, de l’allocation de ressource spectrale, et du VNE dans les topologies des chemins et cycles. Pour le routage tout optique, le premier sous-problème du RSA, il y a toujours un problème en suspens concernant l’impact de la distribution du trafic et de la topologie EON. Comme le routage tout optique joue un rôle essentiel pour la performance globale de la RSA, cette thèse fournit une analyse approfondi théorique sur ces impacts. Pour le deuxième sous-problème du RSA, l’allocation de ressource spectrale, deux chemins optiques quelconques partageant des fibres optiques communes pourraient devoir être isolés dans le domaine spectral avec une bande de garde appropriée pour empêcher la diaphonie et / ou réduire les menaces de sécurité de la couche physique. Cette thèse considère le scénario dans lequel les exigences de bandes de garde réelles optiques sont différentes pour différentes paires de chemins, et étudie comment affecter les ressources spectrales efficacement dans une telle situation. L’hétérogénéité de la topologie des demandes de réseau virtuel (VNR) est un facteur important qui entrave les performances de la VNE. Cependant, dans de nombreuses applications spécialisées, les VNR ont des caractéristiques structurelles communes par exemple, des chemins et des cycles. Pour obtenir de meilleurs résultats, il est donc essentiel de concevoir des algorithmes dédiés pour ces applications en tenant compte des caractéristiques topologiques. Dans cette thèse, nous prouvons que les problèmes VNE dans les topologies de chemin et de cycle sont NP-difficiles. Afin de les résoudre, nous proposons des algorithmes efficaces également analysons leurs ratios d’approximation / With the coming of intellectual era and Internet of Everything (IoE), the needs of worldwide communication and diverse applications have been explosively growing. This information revolution requires the future communication networks to be more efficient, intellectual, agile and scalable. Many technologies have emerged to meet the requirements of next generation communication networks such as Elastic Optical Networks (EONs) and networking virtualization. However, there are many challenges coming along with them, such as Routing and Spectrum Assignment (RSA) in EONs and Virtual Network Embedding (VNE) in network virtualization. This dissertation addresses the algorithm design and analysis for these challenging problems: the impacts of traffic distribution and network topology on lightpath routing, the distance spectrum assignment and the VNE problem for paths and cycles.For lightpath routing, the first subproblem of the RSA, there is always a pending issue that how the changes of the traffic distribution and EON topology affect it. As the lightpath routing plays a critical role in the overall performance of the RSA, this dissertation provides a thoroughly theoretical analysis on the impacts of the aforementioned two key factors. To this end, we propose two theoretical chains, and derive the optimal routing scheme taking into account two key factors. We then treat the second subproblem of RSA, namely spectrum assignment. Any two lightpaths sharing common fiber links might have to be isolated in the spectrum domain with a proper guard-band to prevent crosstalk and/or reduce physical-layer security threats. We consider the scenario with diverse guard-band sizes, and investigate how to assign the spectrum resources efficiently in such a situation. We provide the upper and lower bounds for the optimal solution of the DSA, and further devise an efficient algorithm which can guarantee approximation ratios in some graph classes.The topology heterogeneity of Virtual Network Requests (VNRs) is one important factor hampering the performance of the VNE. However, in many specialized applications, the VNRs are of some common structural features e.g., paths and cycles. To achieve better outcomes, it is thus critical to design dedicated algorithms for these applications by accounting for topology characteristics. We prove the NP-Harness of path and cycle embeddings. To solve them, we propose some efficient algorithms and analyze their approximation ratios.

Les systèmes de communication modernes sont caractérisés par leur besoin croissant en mécanismes d’auto-configuration. En effet, dans de nombreux cas pratiques, la présence de dispositifs de centralisation tel qu’une station de base n’est ni réaliste ni pratique. Ceci est le cas, par exemple, des situations militaires ou aussi celles d’urgence, ou lorsque le déploiement de plus en plus dense de points d’accès rend la planification humaine irréalisable. Par conséquent, des problèmes tel que la conception de règles de comportement pour les appareils (ou groupes d’appareils) sur la fa¸ con de choisir leurs propres paramètres de transmission, se présentent naturellement. En particulier, les algorithmes d’auto-configuration doivent être en mesure de répondre à la nécessité de détecter, d’éviter ou de réduire les interférences, maintenant ainsi une qualité suffisante de communications quand une centralisation est indisponible, et ceci avec un minimum d’échange d’informations et de coopération. En outre, ces algorithmes doivent être en mesure de faire face aux variations naturelles des conditions d’émission, en raison de l’atténuation, des effets de masque, de la mobilité et de la variation des comportements des autres dispositifs qui peuvent éventuellement créer des interférences supplémentaires. L’objectif de cette thèse est d’étudier le problème conjoint de sélection de canal et de contrôle de puissance dans le contexte de réseaux ad hoc clustérisés à canaux multiples, c’est à dire, des réseaux décentralisés dans lesquels les appareils radio sont disposés en groupes appelés clusters, et de proposer un algorithme d’auto-configuration décentralisé viable pour un tel réseau.Le réseau est étudié et analysé par l’intermédiaire de la théorie des jeux, et les équilibres relatifs sont identifiés. Le premier objectif consiste à utiliser ces équilibres afin de quantifier les performances des différents algorithmes qui proviennent de la théorie de l’apprentissage dans les jeux. Un algorithme basé sur le paradigme “trial and error” est alors sélectionné en tant que solution candidat. Une fonction d’utilité particulière est conçue afin que l’équilibre puisse coïncider avec les solutions d’ un problème d’optimisation, maximisant ainsi la qualité des communications, tout en minimisant les ressources nécessaires. Ces résultats sont présentés sous la forme la plus générale et, par conséquent, ils peuvent ˆ être aussi considérés comme un cadre théorique général pour la conception des jeux, ainsi que des algorithmes d’apprentissage avec lesquels les réseaux décentralisés peuvent fonctionner à des points optimaux globaux, et ceci à l’aide uniquement de leurs connaissances locales disponibles. La pertinence de la conception du jeu ainsi que de l’algorithme d’apprentissage est mis en évidence au moyen de scénarios spécifiques dans des réseaux ad hoc clustérisés et décentralisés. Les résultats numériques confirment la pertinence de l’utilisation des fonctions utilitaires appropriées ainsi que de l’apprentissage ”trial and error” dans l’amélioration de la performance des réseaux décentralisés. / Modern communication systems are characterized by an increasing need for self-configuring networks. In fact, in many practical cases, the presence of centralizing devices such as a base station is neither realistic nor practical. This is the case, for instance, in military or emergency situation, or when the increasingly dense deployment of access points makes a man-made planning unfeasible. As a consequence, problems like designing behavioral rules for devices (or groups of devices) on how to select their own transmit parameters naturally arise. In particular, self-configuring algorithms must be able to respond to the necessity of detecting, avoiding or reducing interference, thus maintaining a sufficient quality of the communications when no centralization is available, and with minimum information exchange and cooperation. Moreover, these algorithms must be able to cope with the variations of the transmission conditions due to fading, shadowing, mobility and to the change in other devices behavioral patterns eventually creating extra interference.The goal of this thesis is to study the joint problem of channel selection and power control in the context of multiple-channel clustered ad-hoc networks, i.e., decentralized networks in which radio devices are arranged into groups known as clusters, and to propose a viable decentralized self-configuring algorithm for such a network.The network is studied and analyzed through game theory, and the relative equilibria are identified. The first purpose is to use these equilibria in order to quantify the performance of different algorithms that originate from the theory of learning in games. An algorithm based on the trial and error paradigm is then selected as a candidate solution. A particular utility function is designed in order for the equilibria to coincide with the solutions of an optimization problem, thus maximizing the quality of the communications while minimizing the resources needed. These results are presented in the most general form and therefore, they can also be seen as a framework for designing both games and learning algorithms with which decentralized networks can operate atglobal optimal points using only their available local knowledge. The pertinence of the game design and the learning algorithm are highlighted using specific scenarios in decentralized clustered ad hoc networks. Numerical results confirm the relevance of using appropriate utility functions and trial and error learning for enhancing the performance of decentralized networks.

Avec l’émergence rapide des applications Internet, il est prévu que le trafic mobile mondial augmente de huit fois entre fin 2018 et 2022. En même temps, les futurs systèmes de communication se devront aussi d’améliorer l'efficacité spectrale des transmissions, le temps de latence et l’équité entre utilisateurs. À cette fin, une technique d’accès multiple non orthogonal (NOMA) a été récemment proposée comme un candidat prometteur pour les futurs accès radio. La technique NOMA est basée sur un nouveau domaine de multiplexage, le domaine des puissances. Elle permet la cohabitation de deux ou plusieurs utilisateurs par sous-porteuse ou sous-bande de fréquence. Cette thèse aborde plusieurs problèmes liés à l’allocation de ressources basée sur NOMA afin d'améliorer les performances du réseau en termes d'efficacité spectrale, de débit et/ou d’équité entre utilisateurs. Dans ce sens, des solutions théoriques et algorithmiques sont proposées et des résultats numériques sont obtenus afin de valider les solutions et de vérifier la capacité des algorithmes proposés à atteindre des performances optimales ou sous-optimales. Après une étude bibliographique des différentes techniques d’allocation de ressources présentée dans le premier chapitre, on propose dans le deuxième chapitre plusieurs stratégies d’allocation de ressource où une réduction de la bande utilisée par les utilisateurs est ciblée. Les résultats de simulation montrent que les stratégies proposées améliorent à la fois l’efficacité spectrale et le débit total des utilisateurs par rapport aux systèmes basés uniquement sur des techniques d’accès orthogonales. Quant au troisième chapitre, il étudie la performance du Proportional Fairness (PF) Scheduler tout en considérant que la bande passante est disponible en totalité. Dans ce sens, plusieurs améliorations basées sur le PF sont proposées, qui offrent au système NOMA des avantages en termes de débit, d’équité entre utilisateurs et de qualité de service. Dans le quatrième chapitre, nous proposons plusieurs techniques d’allocation de ressources qui donnent aux utilisateurs la possibilité de favoriser le débit par rapport à l’équité entre utilisateurs et vice versa. Dans le dernier chapitre, différentes techniques permettant une transmission hybride broadcast/broadband sur la même bande de fréquence sont proposées et comparées à l’état de l’art. / With the proliferation of Internet applications, between the end of 2016 and 2022, total mobile traffic is expected to increase by 8 times. At the same time, communications networks are required to further enhance system efficiency, latency, and user fairness. To this end, non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently emerged as a promising candidate for future radio access. By exploiting an additional multiplexing domain, the power domain, NOMA allows the cohabitation of two or more users per subcarrier, based on the principle of signal superposition. This dissertation addresses several radio resource allocation problems in mobile communication systems, in order to improve network performance in terms of spectral efficiency, through put, or fairness. Theoretical analysis and algorithmic solutions are derived. Numerical results are obtained to validate our theoretical findings and demonstrate the algorithms ability of attaining optimal or sub-optimal solutions. To this direction, the second chapter of this thesis investigates several new strategies for the allocation of radio resources (bandwidth and transmission power) using NOMA principle, where the minimization of the total amount of used bandwidth is targeted. Extensive simulation results show that the proposed strategies for resource allocation can improve both the spectral efficiency and the cell-edge user throughput, especially when compared to schemes employing only orthogonal signaling. A context where the total bandwidth is available has also been studied, in the 3rd chapter where we investigate the performance of the proportional fairness (PF) scheduler, and we propose modifications to it, at the level of user scheduling and power allocation that show to improve the system capacity, user fairness and QoS. In the 4th chapter, we proposed new pairing metrics that allow to favor the fairness at the expense of the throughput and vice versa. The proposed metrics show enhancements at the level of system capacity, user fairness, and computational complexity. Different techniques that allow a hybrid broadcast/multicast transmission on the same frequency platform are proposed in the last chapter and compared to the state of the art.

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.

Durant les deux dernières décennies, l'ubiquité et la prolifération des technologies sans fil ont entrainé une forte augmentation de demande de la ressource spectrale. Face à la croissance incessante du nombre d'utilisateurs désirant accéder au réseau, il existera un risque assez élevé de congestion au niveau de l'accès au spectre radio. Pour pallier à ce problème, il devient essentiel de recourir à un partage dynamique du spectre au détriment du mode de gestion statique de la bande de fréquence. L'avènement de la radio cognitive répond pertinemment aux besoins actuels car elle permet à des utilisateurs dits secondaires d'accéder à des bandes de fréquence qui restent affectées à des utilisateurs dits primaires. Les différents algorithmes proposés ont été examinés par simulation sur des scenarios qui illustrent les résultats théoriques obtenus. Les résultats de simulations démontrent que les méthodes proposées permettaient de trouver des solutions qui sont très proches de l'optimale.Au regard de certaines caractéristiques inhérentes aux modulations à porteuses multiples, celles-ci sont très appropriées à la couche physique des réseaux de radio cognitive. Cependant, le manque de coopération active entre les utilisateurs primaires et secondaires est susceptible d'entrainer une communication désynchronisée entre les système primaires et secondaires. En conséquence, une allocation judicieuse en termes de ressource radio et de contrôle de puissance devient impérative pour combattre l'effet négatif propre aux transmissions asynchrones qui devient aussi un défi de taille pour la conception et la mise en œuvre des réseaux de radio cognitive. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude de certaines problématiques d'allocation de ressources pour un réseau désynchronisé de radio cognitive qui utilise des modulations à porteuses multiples. Dans un premier temps, nous supposons que la connaissance des informations de canal est disponible à l'émission. Nous étudions des techniques permettant d'optimiser l'allocation de ressources afin de minimiser la somme des puissances émises au niveau des utilisateurs secondaires. Nous nous intéressons aussi à la conception d'algorithmes permettant d'optimiser l'efficacité énergétique des utilisateurs secondaires. La seconde partie de la thèse concerne l'optimisation de la fonction d'utilité des utilisateurs secondaires en tenant compte des contraintes de probabilité de coupure des utilisateurs primaires et secondaires. Cette probabilité de coupure découle de l'hypothèse de la connaissance de la distribution du canal au niveau des stations de base secondaires. Les différents algorithmes proposés ont été examinés par simulation afin d'illustrer les résultats théoriques obtenus. Les résultats de simulations démontrent que les méthodes proposées permettent de trouver des solutions qui sont très proches de l'optimale. / The ubiquity and proliferation of wireless technology and services considerably lead to a sharp increase in the number of individuals requiring access to wireless networks in recent decades. The growing number of mobile subscribers results into a dramatic increasing request for more radio spectrum. Consequently, underutilized yet scarce radio spectrum becomes overwhelmingly crowded. Therefore, the advent of new radio resource management paradigm capable of switching from static licensed spectrum management to dynamic spectrum access is of great importance. Cognitive radio (CR) emerged as a promising technology capable of enhancing the radio spectrum by permitting unlicensed users known as secondary users to coexist with primary users. Meanwhile, multi-carrier modulations that can efficiently overcome the detrimental effect of multipath fading in a wireless channel are very appealing for the physical layer of cognitive radio networks. However, the lack of cooperation between primary and secondary users may lead to asynchronous transmission and consequently result into inter-carrier interferences. Judicious resource allocation frameworks need to be designed in order to maintain the coexistence between primary and secondary users. Guaranteeing secondary users' quality of service (QoS), while ensuring that interferences generated to the primary users are tolerable, poses significant challenges for the design of wireless cognitive radio networks. This dissertation focuses on resource, i.e. subcarrier and power, allocation for multi-carrier-based downlink cognitive radio networks under perfect or statistical channel state information (CSI) with secondary users interact either cooperatively or competitively. Firstly, the problem of margin adaptive and energy-efficiency optimization are investigated considering perfect CSI at the secondary users' side. Secondly, assuming statistical CSI available at the secondary users, we address the problem of utility maximization under primary and secondary outage constraints. We provide some near-optimal resource allocation schemes to tackle the aforementioned problems. The findings and proposed frameworks can eventually be used for performance assessment and design of practical cognitive radio networks.

L'objectif de cette thèse est de concevoir, implémenter et évaluer les algorithmes cross-layer pratiques. Nous nous concentrons sur la technologie LTE et les réseaux non coordonnés post-LTE où l'interférence est un enjeu majeur compte tenu des nouvelles tendances du trafic. L'objectif est d'allouer les ressources radio d'une manière efficace. Nous développons des modèles d'interférence mathématiques et informatiques qui nous permettent de comprendre le comportement de ces réseaux et nous appliquons une approche basée sur la théorie de l'information à différents scénarios d'interférence et caractéristiques du trafic. Nous avons essayé de s'approcher le plus possible de systèmes réels pour être en mesure de tester la faisabilité des techniques proposées. La thèse porte sur l'évaluation de la performance des scénarios d'interférence dans les réseaux 4G, en particulier celles qui découlent du déploiements de cellules de petite taille ("small cells"). Le travail dans cette thèse s'adresse également à l'analyse de l'allocation des ressources et la requête de répétition automatique hybride (HARQ) à redondance incrémentale pour les interférences sporadiques (de façon plus générale les canaux variables dans le temps) qui permet uniquement des informations partielles de l'état du canal à l'émetteur. Ce travail est ensuite appliquée à la conception d'ordonnanceur pour les stations de base LTE et inclut une analyse de performance pour les modems LTE réels. / The aim of this thesis is to design, implement and evaluate practical cross-layer algorithms. We focus on LTE and post-LTE uncoordinated networks where interference is a key issue given the new traffic patterns. The goal is to allocate the radio resources in an efficient way. We develop mathematical and computational interference models that allow us to understand the behavior of such networks and we apply an information-theoretic approach to different interference scenarios and traffic characteristics. We have tried to remain as close as possible to practical systems to be able to test the feasibility of the proposed techniques. The thesis deals with performance evaluation of interference scenarios in 4G networks, in particular those arising from small-cell deployments. The work in this thesis also deals with analysis of resource-allocation and incremental-redundancy based hybrid automatic repeat request (HARQ) for bursty interference (or more general time-varying channels) which allows for only partial channel state information at the transmitter. The work is then applied to practical scheduler design for LTE base stations and includes performance analysis for real LTE modems.

Ces dernières années, la technologie des courants porteurs en ligne (CPL) a fait son apparition dans les réseaux domestiques afin de répondre au besoin grandissant de bande passante. Comme pour les solutions sans-fil, cette technologie présente l’avantage de ne pas nécessiter le déploiement de nouveaux câbles à l’intérieur de la maison, en utilisant directement le réseau électrique comme milieu de transmission. Offrant une zone de couverture plus importante que les réseaux Wi-Fi, les débits offerts par les équipements actuels ne sont néanmoins pas suffisants pour supporter simultanément des applications gourmandes en bande passante. Cette thèse vise donc à explorer différentes solutions pour les futurs réseaux domestiques basés sur cette technologie. L’étude a d’abord été menée au niveau de la couche Physique des systèmes, où deux solutions de transmission ont été comparées. D’un côté, la modulation windowed OFDM, déployée dans la grande majorité des réseaux actuels, est étudiée afin de mettre en avant ses limites dans le contexte particulier des réseaux sur courant porteur. Dans cette partie, nous montrons concrètement le gain en capacité que pourrait apporter une modulation alternative, l’OFDM/OQAM, présentant des degrés de liberté supplémentaires vis-à-vis de l’OFDM classique, et dont l’exploitation s’avère particulièrement intéressante pour cette étude. Dans un second temps, la problématique de la couche MAC a été abordée dans le contexte d’une utilisation multi-usager du réseau. L’objectif de cette seconde partie a été de proposer des solutions nouvelles pour l’allocation et le partage de la ressource entre les différents utilisateurs du réseau. Premièrement, nous étudions la possibilité de définir un nouveau mode d’accès, basé sur l’OFDMA, permettant de tirer efficacement parti de la diversité entre différents canaux de transmission, afin d’augmenter significativement les débits pour les transmissions point-à- multipoint. Enfin, le dernier chapitre aborde le problème de la transmission multicast inhérent aux réseaux PLC actuels, en proposant une méthode d’agrégation des utilisateurs résultant en une augmentation significative des débits. / During the past few years, Power Line Communications (PLC) have become a popular connectivity solution to answer the growing need of home networks for bandwidth. As wireless technologies, this solution spares the user from cabling its Local Area Network (LAN), by directly using the home power grid as a transmission medium. While PLC generally offer a larger coverage than Wireless Local Area Networks (WLAN), the capacity offered by current systems is not sufficient to simultaneously support bandwidth intensive streams. In this thesis, we aim at exploring various solutions for future PLC networks. Firstly, we aim at improving the spectral efficiency of the current systems’ Physical (PHY) layer, where two modulation schemes are compared. On the one hand, we study the modulation deployed in current PLC networks, called windowed Orthogonal requency Division Multiplexing (OFDM), and we highlight the main limitation of this solution in the particular context of PLC. On the other hand, we show that and alternative solution, called OFDM/Offset Quadrature Amplitude Modulation (OQAM), offers some degrees of freedom which could highly benefit to PLC networks. Secondly, the study is oriented toward the Media Access Control (MAC) layer of PLC systems, considering a multiuser utilization of the network. In this second part, we aim at proposing allocation solutions that will allow a more efficient utilization of the limited and shared transmission resource. We firstly study the opportunity of defining an Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) transmission scheme for point-to-multipoint transmissions, in order to increase data rates by taking advantage of the diversity between users’ channels. Finally, the last Chapter is dedicated to the study of broadcast and multicast communications in PLC networks, where we show that a smart aggregation of the set of users to reach could greatly improve efficiency of multicast transmissions.

La radio cognitive (CR) est une radio entièrement reconfigurable qui permet de changer intelligemment ses paramètres de communication en réponse à l'activité des autres réseaux radios et demandes d'utilisateur. L'objectif ultime de la CR est de permettre à l'utilisateur secondaire (SU) d'utiliser la ressource de spectre disponible sans interférer sur l'utilisateur primaire (PU) en utilisant des trous de spectre. Par conséquent, la détection du PU est l'un des défis principaux dans le développement de la CR. Par rapport aux systèmes conventionnels de communication sans fil, le système CR introduit de nouveaux problèmes d'allocation de ressource (RA) en raison de l'interférence des canaux adjacents utilisés par le SU et le PU. Dans le contexte de la CR, la plupart des efforts ont été menés sur les systèmes de CR basés sur le multiplexage par division de fréquences orthogonales (OFDM). Toutefois, la technique de l'OFDM montre quelques points faibles dans l'application à cause des remontées significatives du spectre. Les modulations multiporteuses à base de bancs de filtre (FBMC) ont été récemment proposées pour des applications de CR. Dans cette thèse, trois points importants pour le développement d'un système de CR basé sur le FBMC sont discutés.Les trois points principaux peuvent être résumés ainsi: nous examinons premièrement les problèmes de détection de spectre des signaux OFDM et FBMC en employant le détecteur de signature de cyclostationnarité (CS). En outre, nous proposons une architecture de détection multi-bande basée sur le banc de filtre polyphasé (PFB), et montrons son avantage; deuxièmement, la comparaison entre l'OFDM et le FBMC du point de vue de l'efficacité spectrale est discutée; et enfin, nous proposons un algorithme stratégique d'allocation de ressource pour les systèmes cognitifs multi-cellulaires et multi-utilisateurs.Les algorithmes proposés dans cette thèse ont été testés par simulation. Les résultats numériques prouvent que le FBMC, par opposition à l'OFDM, pourrait réaliser une efficacité spectrale plus élevée et offre un avantage attrayant dans la détection de spectre. Les contributions de cette thèse ont accru l'intérêt d'appliquer FBMC dans les systèmes de CR à l'avenir.

La radio cognitive (CR) est une radio entièrement reconfigurable qui permet de changer intelligemment ses paramètres de communication en réponse à l’activité des autres réseaux radios et demandes d’utilisateur. L’objectif ultime de la CR est de permettre à l’utilisateur secondaire (SU) d’utiliser la ressource de spectre disponible sans interférer sur l’utilisateur primaire (PU) en utilisant des trous de spectre. Par conséquent, la détection du PU est l’un des défis principaux dans le développement de la CR. Par rapport aux systèmes conventionnels de communication sans fil, le système CR introduit de nouveaux problèmes d’allocation de ressource (RA) en raison de l’interférence des canaux adjacents utilisés par le SU et le PU. Dans le contexte de la CR, la plupart des efforts ont été menés sur les systèmes de CR basés sur le multiplexage par division de fréquences orthogonales (OFDM). Toutefois, la technique de l’OFDM montre quelques points faibles dans l’application à cause des remontées significatives du spectre. Les modulations multiporteuses à base de bancs de filtre (FBMC) ont été récemment proposées pour des applications de CR. Dans cette thèse, trois points importants pour le développement d’un système de CR basé sur le FBMC sont discutés.Les trois points principaux peuvent être résumés ainsi: nous examinons premièrement les problèmes de détection de spectre des signaux OFDM et FBMC en employant le détecteur de signature de cyclostationnarité (CS). En outre, nous proposons une architecture de détection multi-bande basée sur le banc de filtre polyphasé (PFB), et montrons son avantage; deuxièmement, la comparaison entre l’OFDM et le FBMC du point de vue de l’efficacité spectrale est discutée; et enfin, nous proposons un algorithme stratégique d’allocation de ressource pour les systèmes cognitifs multi-cellulaires et multi-utilisateurs.Les algorithmes proposés dans cette thèse ont été testés par simulation. Les résultats numériques prouvent que le FBMC, par opposition à l’OFDM, pourrait réaliser une efficacité spectrale plus élevée et offre un avantage attrayant dans la détection de spectre. Les contributions de cette thèse ont accru l’intérêt d’appliquer FBMC dans les systèmes de CR à l’avenir. / Cognitive Radio (CR) is a fully reconfigurable radio that can intelligently change its communicationvariables in response to network and user demands. The ultimate goal of CR is to allowthe Secondary User (SU) to utilize the available spectrum resource on a non-interfering basis to thePrimary User (PU) by sensing the existence of spectrum holes. Therefore, the detection of PU isone of the main challenges in the development of the CR technology. Moreover, compared to conventionalwireless communication systems, CR system poses new challenges to Resource Allocation(RA) problems because of the Cross-Channel Interference (CCI) from the adjacent channels used bySU to PU. In the CR context, most past efforts have been spent on Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (OFDM) based CR systems. However, OFDM technique exhibits some shortcomingsin application due to its significant spectrum leakage. Filter Bank based Multi-Carrier (FBMC), asanother promising Multi-Carrier Modulation (MCM) candidate, has been recently proposed for CRapplications. In this dissertation, three important issues in developing a FBMC based CR system arediscussed.The three prime issues can be summarized: we firstly survey the spectrum sensing problemsof OFDM and FBMC signals by using Cyclostationary Signature (CS) detector. Furthermore, wepropose a Polyphase Filter Bank (PFB) based multi-band sensing architecture, and argue for its advantage;secondly, the comparison of OFDM and FBMC from the spectral efficiency point of viewis discussed; and lastly, our emphasis is placed on the strategic resource allocation algorithms fornon-cooperative multi-cell CR systems.The overall proposed algorithms have been verified by simulation. Numerical results show thatFBMC, as opposed to OFDM, could achieve higher spectrum efficiency and attractive benefit inspectrum sensing. The contributions of this dissertation have heighten the interest in applying FBMCin the future CR systems.

Nous vivons une révolution numérique où l’Internet est devenu un élément essentiel de notre vie quotidienne. Avec plus de 750 millions de foyers connectés et plus de 6,8 milliards d'abonnés à la téléphonie mobile, les réseaux cellulaires dominent le secteur des Technologies de l'Information et de la Communication (TIC) avec plus de 75%. La tendance est à la hausse et ne semble pas avoir de signe de ralentissement dans un avenir proche en raison des nouveaux services et applications en cours. Cependant, cette augmentation radicale des appareils et services TIC a poussé la consommation d'énergie correspondante et son impact sur l'environnement à croître à un rythme effarant, consommant plus de 5% de l'énergie électrique mondiale et libérant dans l'atmosphère environ 2% des émissions de CO2. Étant donné que les stations de base, éléments essentiels de la fourniture d’accès à l’Internet, consomment la plus grande partie de l’énergie des réseaux cellulaires, il est essentiel d’étudier de nouvelles stratégies et architectures afin de prévenir cette pénurie d’énergie. Cette thèse porte sur le rôle essentiel de l'énergie dans la conception et l'exploitation de futurs réseaux cellulaires. Nous considérons des approches différentes et complémentaires, y compris des techniques d'efficacité énergétique (gestion des ressources radio et systèmes de sommeil), des sources d'énergie renouvelables, le Smart Grid et des outils d'apprentissage basés sur l’intelligence artificiel pour réduire la consommation d'énergie de ces réseaux complexes tout en garantissant une certaine qualité de service adapté aux cas d'utilisation 5G. / We live in the digital era where the Internet has become an essential part of our daily lives. With more than 750 million connected households and over 6.8 billion mobile subscribers, mobile networks are dominating the Information and Communication Technology (ICT) sector with more than 75%. The trend is of further increase and appears to have no signs of slowing down in the near future due to the ongoing new services and applications. However, this radical surge of ICT devices and services has pushed corresponding energy consumption and its footprint on the environment to grow at a staggering rate consuming more than 5% of the world’s electrical energy and releasing into the atmosphere about 2% of the global CO2 emissions. Since base stations, the core elements to provide internet access, consume most of the energy in cellular networks, it is essential to study new strategies and architectures in order to deter this energy crunch. This thesis focuses on the crucial role of energy in the design and operation of future cellular networks. We consider different and complementary approaches and parameters, including energy efficiency techniques (i.e., radio resource management and sleep schemes), renewable energy sources, Smart Grid and tools from machine learning to bring down the energy consumption of these complex networks while guaranteeing a certain quality of service adapted to 5G use cases.