Cette thèse traite le problème de l’allocation des ressources physiques dans les réseaux ad hoc mobiles en contexte multi-utilisateurs. Nous considérons qu’un noeud du réseau, appelé gestionnaire des ressources (GR) a pour tâche d’effectuer cette allocation de ressources, et que pour ce faire, les autres noeuds lui communiquent des informations relatives aux canaux de propagations de leurs liens de communications. Ce modèle de réseaux induit un délai entre le moment où les noeuds envoient leurs informations au GR et le moment où le GR leur envoie leur allocation de ressource, ce qui rend impossible l’utilisation d’informations de canal instantanées pour effectuer l’allocation. Ainsi, nous considérons que le GR ne dispose que d’informations statistiques relatives aux canaux des différents liens de communications. De plus, nous supposons que chaque lien utilise le mécanisme de l’ARQ Hybride (HARQ). Dans ce contexte, la thèse comporte deux objectifs principaux: i) Proposer des procédures d’estimation de la statistique du canal de propagation, et plus particulièrement du facteur K du canal de Rice avec et sans effet de masquage. ii) Proposer et étudier des algorithmes d’allocation de ressources basés sur les statistiques du canal et prenant en compte l’utilisation de l’HARQ ainsi que de schéma de modulation et de codage pratique. En particulier, on cherche à maximiser des grandeurs relatives à l’efficacité énergétique du système. Les ressources à allouer à chaque lien sont une énergie de transmission et une proportion de la bande de fréquence. / This thesis addresses the Resource Allocation (RA) problem in multiuser mobile ad hoc networks. We assume that there is a node in the network, called the resource manager (RM), whose task is to allocate the resource and thus the other nodes send him there channel state information (CSI). This network model induces a delay between the time the nodes send the RM their CSI and the time the RM sends them their RA, which renders impossible the use of instantaneous CSI. Thus, we assume that only statistical CSI is available to perform the RA. Moreover, we assume that an Hybrid ARQ (HARQ) mechanism is used on all the links. In this context, the objective of the thesis is twofold: i) Propose procedures to estimate the statistical CSI, and more precisely to estimate the Rician K factor with and without shadowing. ii) Propose and analyse new RA algorithms using statistical CSI and taking into account the use of HARQ and practical modulation and coding schemes. We aim to maximize energy efficiency related metrics. The resource to allocate are per-link transmit energy and bandwidth proportion.

Les demandes de haut débit, faible latence et grande fiabilité augmentent dans les nouvelles générations de systèmes de radiocommunications. Par conséquent, on propose de combiner la transmission non orthogonale avec les retransmissions HARQ afin de combattre les fluctuations de canal de transmission à haut débit. Dans la première partie de la thèse, on propose des protocoles de retransmissions HARQ avec l'aide d'un relai afin d'améliorer le débit et la fiabilité du système. Une version renforcée du protocole HARQ qui prend en compte le délai de retour est proposée dans la seconde partie de la thèse. / HARQ has become an important research field in the wireless digital communications area during the last years. In this thesis, we improve the HARQ mechanisms in terms of throughput and/or latency which are the bottleneck of next generation wireless communication systems. More precisely, we improve the time-slotted HARQ systems by mimicking NOMA, which means using superposed packets in a single-user context. In the first part of the thesis, we propose HARQ protocols using the help of a relay to improve the transmission rate and reliability. An enhanced HARQ protocol adapted to delayed feedback is proposed in the second part. In this new multi-layer HARQ protocol, additional redundant packets are sent preemptively before receiving the acknowledgement, and in superposition to other HARQ processes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Poussé par la demande croissante de services à haut débit sans fil, Long Term Evolution (LTE) a émergé comme une solution prometteuse pour les communications mobiles. Dans plusieurs pays à travers le monde, la mise en oeuvre de LTE est en train de se développer. LTE offre une architecture tout-IP qui fournit des débits élevés et permet une prise en charge efficace des applications de type multimédia. LTE est spécifié par le 3GPP ; cette technologie fournit une architecture capable de mettre en place des mécanismes pour traiter des classes de trafic hétérogènes comme la voix, la vidéo, les transferts de fichier, les courriers électroniques, etc. Ces classes de flux hétérogènes peuvent être gérées en fonction de la qualité de service requise mais aussi de la qualité des canaux et des conditions environnementales qui peuvent varier considérablement sur une courte échelle de temps. Les standards du 3GPP ne spécifient pas l’algorithmique de l’allocation des ressources du réseau d’accès, dont l’importance est grande pour garantir performance et qualité de service (QoS). Dans cette thèse, nous nous focalisons plus spécifiquement sur la QoS de LTE sur la voie descendante. Nous nous concentrons alors sur la gestion des ressources et l’ordonnancement sur l’interface radio des réseaux d’accès. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à des contextes de macro-cellules. Le premier mécanisme proposé pour l’allocation des ressources combine une méthode de jetons virtuels et des ordonnanceurs opportunistes. Les performances obtenues sont très bonnes mais n’assurent pas une très bonne équité. Notre seconde proposition repose sur la théorie des jeux, et plus spécifiquement sur la valeur de Shapley, pour atteindre un haut niveau d’équité entre les différentes classes de services au détriment de la qualité de service. Cela nous a poussé, dans un troisième mécanisme, à combiner les deux schémas. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux femto-cellules (ou femtocells) qui offrent des compléments de couverture appréciables. La difficulté consiste alors à étudier et à minimiser les interférences. Notre premier mécanisme d’atténuation des interférences est fondé sur le contrôle de la puissance de transmission. Il fonctionne en utilisant la théorie des jeux non coopératifs. On effectue une négociation constante entre le débit et les interférences pour trouver un niveau optimal de puissance d’émission. Le second mécanisme est centralisé et utilise une approche de division de la bande passante afin d’obliger les femtocells à ne pas utiliser les mêmes sous-bandes évitant ainsi les interférences. Le partage de bande passante et l’allocation sont effectués en utilisant sur la théorie des jeux (valeur de Shapley) et en tenant compte du type d’application. Ce schéma réduit les interférences considérablement. Tous les mécanismes proposés ont été testés et évalués dans un environnement de simulation en utilisant l’outil LTE-Sim au développement duquel nous avons contribué. / Driven by the growing demand for high-speed broadband wireless services, Long term Evolution (LTE) technology has emerged as a competitive alternative to mobile communications solution. In several countries around the world, the implementation of LTE has started. LTE offers an IP-based framework that provides high data rates for multimedia applications. Moreover, based on the 3GPP specifications, the technology provides a set of built in mechanisms to support heterogeneous classes of traffic including data, voice and video, etc. Supporting heterogeneous classes of services means that the traffic is highly diverse and has distinct QoS parameters, channel and environmental conditions may vary dramatically on a short time scale. The 3GPP specifications leave unstandardized the resource management and scheduling mechanisms which are crucial components to guarantee the QoS performance for the services. In this thesis, we evaluate the performance and QoS in LTE technology. Moreover, our research addresses the resource management and scheduling issues on the wireless interface. In fact, after surveying, classifying and comparing different scheduling mechanisms, we propose three QoS mechanisms for resource allocation in macrocell scenarios focused on real time services and two mechanisms for interference mitigation in femtocell scenarios taking into account the QoS of real time services. Our first proposed mechanism for resource allocation in macrocell scenarios combines the well known virtual token (or token buckets) method with opportunistic schedulers, our second scheme utilizes game theory, specifically the Shapley value in order to achieve a higher fairness level among classes of services and our third mechanism combines the first and the second proposed schemes. Our first mechanism for interference mitigation in femtocell scenarios is power control based and works by using non cooperative games. It performs a constant bargain between throughput and SINR to find out the optimal transmit power level. The second mechanism is centralised, it uses a bandwidth division approach in order to not use the same subbands to avoid interference. The bandwidth division and assignation is performed based on game theory (Shapley value) taking into account the application bitrate . This scheme reduces interference considerably and shows an improvement compared to other bandwidth division schemes. All proposed mechanism are performed in a LTE simulation environment. several constraints such as throughput, Packet Loss Ratio, delay, fairness index, SINR are used to evaluate the efficiency of our schemes

Bien qu'Internet soit considéré comme le grand succès de ces dernières années, il est devenu une infrastructure critique à cause de l'absence de changements dans le réseau cœur et de la rigidité des équipements déployés. La mise en place et le déploiement des nouveaux services réseau sont devenus difficiles et coûteux. La virtualisation des réseaux a été présentée comme un nouveau paradigme pour palier aux problèmes de l’architecture actuelle de l'Internet. Dans ce travail de thèse, nous présentons la virtualisation des réseaux et les réseaux définis par logiciels (SDN) comme solution avec laquelle les fournisseurs de services peuvent offrir, au travers des réseaux virtuels (VN), des nouveaux services aux utilisateurs avec une meilleure qualité de service, tout en optimisant l'utilisation des ressources réseaux physiques. La première contribution consiste à démontrer le potentiel de SDN dans la gestion de la QoS dans le contexte d’un réseau domestique virtualisé. Nous proposons et implémentons le mécanisme ''FlowQoS'' qui peut être déployé par un fournisseur d’accès Internet au niveau de la boucle locale ou bien dans la passerelle domestique. Les mesures des performances montrent que cette solution permet de partager la bande passante entre plusieurs applications selon la configuration définie par l’utilisateur pour garantir la QoS pour chaque trafic actif. La seconde contribution est une modélisation, par la théorie des jeux, de l’interaction entre les fournisseurs de services et les fournisseurs de l’infrastructure pour le partage dynamique de l’infrastructure physique entre plusieurs VN avec différents besoins en QoS. Il s'agit d'un ensemble de jeux non-coopératifs pour modéliser la phase de négociation et celle de l’allocation dynamique des nœuds et des liens physiques pour chaque VN déployé. La troisième contribution porte sur une approche prédictive qui permet d’offrir un contrôle adaptatif de l’allocation de bande passante dans le but de réduire les délais des paquets d'un VN sur chaque lien physique. Ces deux dernières contributions offrent des modèles de partage dynamique des ressources d’une infrastructure physique tout en garantissant la QoS pour chaque VN / Internet has been successful in the recent years. The critical infrastructure of the internet has become stagnant due to the absence of changes in the core networks and stiffness of deployed equipment. It has become difficult and expensive to deploy new network services. Network virtualization is a new paradigm to overcome this problem. In this thesis, we present network virtualization and Software Defined Networking (SDN) as a solution that can be used by service providers. It enables them to provide new services to users through virtual networks (VNs) with better quality of service while optimizing the use of physical network resources. Firstly, we demonstrate the potential of SDN in the QoS management ofa virtualized home network (VN). We propose and implement ''FlowQoS'', a mechanism that can be deployed by an Internet Service Provider in the last-mile hop or in the home gateway. Performance measurements show that this solution can share bandwidth between applications according to user-defined configuration to guarantee QoS for each active traffic. The second contribution is modeling the interaction between service providers and infrastructure providers using game theoretic framework to offer dynamic sharing of physical infrastructure across multiple VN with different QoS requirements. We present a set of non-cooperative games to model the negotiation phase and the dynamic allocation of nodes and physical links for each deployed VN. Finally we focus on a predictive approach that allows an adaptive control of bandwidth allocation in order to reduce the packet delays for a given VN on each physical link. The last two contributions offer dynamic sharing models of physical infrastructure resources while guaranteeing the QoS for each VN

Avec la croissance exponentielle des demandes de service, les opérateurs ont déployé de nombreux équipements, et par conséquent, la gestion du réseau est devenue de plus en plus difficile et coûteuse. La virtualisation des fonctions réseau (NFV) a été proposée comme un nouveau paradigme pour réduire les coûts liés à l’acquisition et à la maintenance pour les réseaux de télécommunications. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons aux problèmes du chaînage des fonctions virtuelles (VNFs) qui combinent des décisions de localisation des VNFs et de routage des demandes. D'un point de vue d'optimisation, ce problème est une combinaison des problèmes de localisation (pour la partie d'installation des VNFs) et de conception de réseaux (pour la partie de routage). Ces deux problèmes ont été largement étudié dans la littérature. Cependant, leur combinaison représente des divers challenges en termes de modélisation et de résolution. Dans la première partie de cette thèse, nous considérons une version réaliste du problème du chaînage des VNFs (VNF-PR) afin de comprendre l'impact des différents aspects sur les coûts et les performances de gestion du réseau. Dans ce but, nous étendons le travail dans~\cite{Addis2015} en considérant des caractéristiques et des contraintes plus réalistes des infrastructures NFV et nous proposons un modèle de programmation linéaire et une heuristique mathématique pour le résoudre. Dans le but de mieux comprendre la structure du problème et ses propriétés, la deuxième partie de la thèse est orientée vers l'étude théorique du problème, où nous avons étudié une version compacte du problème du chaînage des VNFs. Nous fournissons des résultats sur la complexité de calcul sous divers cas de topologie et de capacité. Ensuite, nous proposons deux modèles et nous les testons sur un testbed avec plus de 100 instances différentes avec différents cas de capacité. Au final, nous abordons la scalabilité du problème en proposant des méthodes constructives et des méthodes heuristiques basées sur la programmation linéaire entière pour traiter efficacement des instances de taille grande (jusqu'à 60 nœuds et 1800 demandes). Nous montrons que les heuristiques proposées sont capables de résoudre efficacement des instances de taille moyenne (avec jusqu'à 30 nœuds et 1 000 demandes) de cas de capacité difficiles et de trouver de bonnes solutions pour les instances dures, où le modèle ne peut fournir aucune solution avec un temps de calcul limité. / Due to the exponential growth of service demands, telecommunication networks are populated with a large and increasing variety of proprietary hardware appliances, and this leads to an increase in the cost and the complexity of the network management. To overcome this issue, the NFV paradigm is proposed, which allows dynamically allocating the Virtual Network Functions (VNFs) and therefore obtaining flexible network services provision, thus reducing the capital and operating costs. In this thesis, we focus on the VNF Placement and Routing (VNF-PR) problem, which aims to find the location of the VNFs to allocate optimally resources to serve the demands. From an optimization point of view, the problem can be modeled as the combination of a facility location problem (for the VNF location and server dimensioning) and a network design problem (for the demands routing). Both problems are widely studied in the literature, but their combination represents, to the best of our knowledge, a new challenge. We start working on a realistic VNF-PR problem to understand the impact of different policies on the overall network management cost and performance. To this end, we extend the work in [1] by considering more realistic features and constraints of NFV infrastructures and we propose a linear programming model and a math-heuristic to solve it. In order to better understand the problem structure and its properties, in the second part of our work, we focus on the theoretical study of the problem by extracting a simplified, yet significant variant. We provide results on the computational complexity under different graph topology and capacity cases. Then, we propose two mathematical programming formulations and we test them on a common testbed with more than 100 different test instances under different capacity settings. Finally, we address the scalability issue by proposing ILP-based constructive methods and heuristics to efficiently deal with large size instances (with up to 60 nodes and 1800 demands). We show that our proposed heuristics can efficiently solve medium size instances (with up to 30 nodes and 1000 demands) of challenging capacity cases and provide feasible solutions for large size instances of the most difficult capacity cases, for which the models cannot find any solution even with a significant computational time.

Les réseaux sans fil sont confrontés à une augmentation croissante en demande de données, qui devrait continuer à croitre dans les années à venir. La raison principale de cette croissance est liée à la demande en services vidéo et données. Les plus importantes approches proposées pour faire face à ce problème, notamment l'utilisation des antennes multiples, le codage OFDMA (qui font déjà partie des standards 3GPP et LTE), et le déploiement de réseaux à petites cellules, ont été examinées plutôt d’un point de vue couche physique, en se concentrant sur des mesures de performance tel que le débit total du système. Cependant, les caractéristiques du trafic vidéo et des données ainsi que les demandes individuelles des utilisateurs doivent être prises en compte pour la conception des algorithmes d'allocation de ressources radio. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des algorithmes d'allocation de ressources radio (contrôle de puissance, pré-codage, ordonnancement) ainsi que les informations concernant l’état du canal sur le comportement des files d'attente des utilisateurs. Nous étudions, en particulier, le problème de pré-codage et de contrôle de puissance dans le canal d'interférence, dans le but de réguler le comportement des files d'attente des utilisateurs et conjointement la rétroaction/estimation de canal et la sélection et ordonnancement des utilisateurs. Ceci afin d’assurer la stabilité des files d’attentes pour une grande partie des demandes de trafic dans les systèmes de diffusion MISO-OFDMA. Pour assurer cela, nous utilisons des outils mathématiques de la théorie des modèles asymptotiques "heavy traffic" et de la théorie de la stabilité stochastique. / Wireless systems are facing an increase in the data demands, and this trend is expected to continue in the future. This increase is mostly due to demand of video and data services. The most prominent approaches proposed to deal with this problem, namely the use of multiple antennas and OFDMA modulations (already part of the 3GPP LTE standards) and Small Cell Networks have mostly been analyzed from a pure physical layer perspective, focusing on metrics like total system throughput. However, the traffic pattern of video and data requests as well as the individual requests of the users have to be also taken into account when designing resource allocation algorithms. The objective of this thesis is, therefore, to study the impact of physical layer resource algorithms (power control, precoding, scheduling) and CSI feedback on the behaviour of the queues of the users. In particular, we study the problems of precoding and power control to regulate the behaviour of the users' queues in the interference channel, as well as joint feedback/training and user selection and scheduling in order to stabilize the queues for a large area of traffic demands in the MISO and OFDMA broadcast channels. To this end, we use tools from heavy traffic asymptotic modelling of communication networks and stochastic stability theory.

Avec le développement rapide de l'Internet des objets et de l'économie mondiale basée sur Internet, les relations entre les différents concepteurs du monde entier sont de plus en plus importantes et sont façonnées par de nombreux nouveaux défis, telles que la multiplication des données et des informations, la personnalisation de masse, la collaboration mondiale, la pénurie de ressources, une technologie dynamique, etc. La réussite du processus de conception dépend de l'efficacité de la communication entre les acteurs du processus de conception. Cela conduit à une allocation de plus en plus complexe des ressources humaines et à une gestion des risques de plus en plus difficile dans les projets de conception. De nombreuses entreprises et instituts ont mis au point leur propre méthode d’allocation des ressources humaines et de gestion des risques pour le processus de conception. Cependant, ces méthodologies prennent en compte les compétences et l'expertise du concepteur, mais ne pensent que rarement à l'interaction de groupe, à l'expérience de collaboration et à l'analyse de la personnalité du concepteur. Par conséquent, dans ce travail, nous proposons une allocation de ressources humaines prenant en compte les idées ci-dessus pour gérer efficacement le processus de conception. / With the rapid development of internet of things and the internet driven global economy, the relationship among various designers from all over the world are getting closer, and the relationships among them in the project are shaped by many new challenges such as multiplication of data and information, mass customization, global collaboration, scarcity of resources, dynamic technology, etc. The engineering design depends on the efficiency of communication between actors in the design process. This leads to an increasingly complex of the human resource allocation and a more and more difficult risk management in design project. Many companies and institutes have developed their own human resource allocation and risk management method to the design process. However, these methodologies consider about the skills and expertise of the designer, but rarely think about the group interaction, experience working together ability and the personality analysis of the designer. Therefore, in this work, we propose human resource allocation which consider about the ideas above to effectively managing the design process.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour but l'étude et l'optimisation d'un système de communications à haut-débit sur lignes électriques, mettant en œuvre les techniques combinant l'OFDM et le CDMA. Cette étude s'inscrit dans un contexte d'exploitation de la boucle locale électrique pour l'accès à l'Internet domestique.<br /><br />La première partie du document est consacrée à l'étude des spécifications du système de communications. Un état de l'art sur les communications par courant porteur est tout d'abord proposé, accompagné d'une synthèse sur la structure du réseau des lignes électriques et les caractéristiques du canal de propagation. Les différents choix concernant le système à développer sont ensuite envisagés pour l'obtention de communications multiutilisateurs en liaison point-à-multipoint dans un environnement multicellulaire. La combinaison entre l'OFDM et le CDMA, appelée SS-MC-MA, est retenue et une structure de trame est proposée.<br /><br />La deuxième partie du document est dédiée à l'étude des procédés de synchronisation et d'estimation de canal. Les effets des erreurs de synchronisation sont en premier lieu identifiés et la tolérance du système aux défauts de rythme est spécifiée. La procédure de synchronisation du système est ensuite décrite et des algorithmes conjoints et innovants de synchronisation temporelle fine et d'estimation de canal sont proposés. Deux approches reposant sur une mise en œuvre de ces algorithmes dans le domaine fréquentiel et temporel sont alors comparées. <br /><br />La dernière partie traite, dans le cas de signaux SS-MC-MA, de l'allocation globale des différentes ressources du système, dans les cas mono- et multi-utilisateur avec une connaissance parfaite du canal à l'émission. Le principe des modulations adaptatives appliqué à la DMT est tout d'abord abordé et adapté au contexte de l'étude. En considérant une limitation de la densité spectrale de puissance d'émission, de nouveaux algorithmes d'allocation sont ensuite développés en mode SS-MC-MA. Il est alors démontré que la composante étalement permet une meilleure exploitation des énergies disponibles sur chaque sous-porteuse, et de transmettre alors un débit plus élevé que la DMT ou de rendre la communication plus robuste. Les nombreux résultats obtenus dans diverses configurations montrent que le système SS-MC-MA adaptatif proposé est plus performant que la DMT pour les réseaux CPL.

L'émergence des grilles de calcul permet à la communauté scientifique d'envisager l'accès à une puissance de calcul jusqu'à présent inégalée. Toutefois, les caractéristiques d'une grille telles que la grande échelle, la volatilité des nœuds qui la composent ou encore leur hétérogénéité rendent son utilisation complexe. Cette thèse étudie la conception de services de niveau système pour l'exécution d'applications distribuées dans des grilles de très grande taille. Grâce à une approche complètement distribuée et générique, notre système peut fédérer les ressources de n'importe quel type de grille, même ceux composés de ressources volatiles et hétérogènes. Afin de simplifier l'utilisation d'une grille, nous proposons d'offrir aux utilisateurs une vue de type système à image unique qui permet d'occulter la distribution des ressources. Nous proposons également des services permettant d'exécuter une large gamme d'applications distribuées de façon efficace et fiable.