Abstract The aim of this thesis is to propose an array of novel cooperative content delivery (CCD) methods and related incentive mechanisms for future fifth-generation (5G) and beyond networks. CCD using multiple air interfaces is a powerful solution to mitigate the problem of congestion in wireless networks, in which the available multiple air interfaces on smart devices are utilized intelligently to distribute data content among a group of users that are in the vicinity of one another. The requirements for higher capacity, reliability, and energy efficiency in the 5G networks have warranted the development of methods focusing on CCD. Moreover, critical to the efficiency of a CCD process are incentive mechanisms to induce cooperation among the mobile users engaged in CCD. The first part of the thesis studies an ideal condition of reliable and error-free distribution of content using cellular and short-range links. The main contribution is to introduce different device selection CCD methods that take into account only the link quality of the devices’ primary (cellular) interfaces. The proposed methods provide frequency carrier savings for the operator while allowing users to enjoy higher downlink rates. The second part of the thesis studies a more realistic CCD situation where users with low data rate wireless links can be a bottleneck in terms of CCD performance. The main contribution is to propose a novel device selection CCD method that considers the link quality of both primary (cellular) and secondary (short-range) interfaces of the devices. Additionally, a carrier aggregation-based incentive mechanism for the proposed method is introduced to address the challenge of selfish deviating users. The proposed mechanism maximizes individual and network payoffs, and is an equilibrium against unilateral selfish deviations. The third part of the thesis addresses the adverse selection problem in CCD scenarios. The operator is assumed to have incomplete information about the willingness of the users to participate in CCD. The main contribution is to introduce contract-based methods through which the operator could motivate users to reveal their true willingness towards participation. The proposed methods incentivize users according to their willingness and improve system performance in terms of the utility of the operator and the users. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää menetelmiä yhteistyössä tapahtuvaan sisällön jakamiseen (cooperative content delivery, CCD) sekä siihen liittyviä kannustinmekanismeja viidennen sukupolven (5G) ja sen jälkeisille matkaviestinverkoille. CCD:n käyttö hyödyntämällä älylaitteessa olevia useita ilmarajapintoja on tehokas ratkaisu välttää langattomien verkkojen ruuhkautumista. CCD-menetelmissä laiteen ilmarajapintoja käytetään älykkäästi datan jakamiseen käyttäjäryhmälle, kun käyttäjät ovat lähellä toisiaan. 5G-verkkojen vaatimukset korkeammalle kapasiteetille, luotettavuudelle ja energiatehokkuudelle ovat motivoineet CCD-menetelmien kehitystyötä. Erityisen tärkeää CCD-menetelmien tehokkuudelle on kannustinmekanismien kehittäminen mahdollistamaan yhteistyö mobiilikäyttäjien välillä. Väitöskirjatyön ensimmäinen osuus käsittelee ideaalista tilannetta luotettavalle ja virheettömälle sisällön jakamiselle hyödyntämällä solukkoverkkoa ja lyhyen kantaman linkkejä. Tässä osuudessa päätuloksena on kehitetty käyttäjien valinnalle menetelmiä, jotka huomioivat linkin laadun solukkoverkon ilmarajapinnassa. Ehdotetut menetelmät tuovat operaattorille säästöjä taajuusresurssien käytön osalta ja käyttäjät saavuttavat korkeampia laskevan siirtotien datanopeuksia. Työn toinen osuus tutkii todenmukaisempaa CCD-tilannetta, jossa alhaisen datanopeuden linkkien käyttäjät voivat olla pullonkaula CCD:n suorituskyvylle. Päätulos tässä on uusi käyttäjien valintamenetelmä, joka ottaa huomioon linkkien laadun sekä solukkoverkossa että lyhyen kantaman linkeissä. Lisäksi esitellään eri taajuuksien yhdistämistä hyödyntävä kannustinmenetelmä, joka ottaa huomioon itsekkäiden käyttäjien aiheuttamat ongelmat. Ehdotettu mekanismi maksimoi yksittäisen käyttäjän ja verkon hyödyt ja saavuttaa tasapainotilan käyttäjien yksipuolista itsekkyyttä vastaan. Väitöskirjan kolmannessa osuudessa tutkitaan haitallisen valikoitumisen mahdollisuutta CCD:ssä. Operaattorilla oletetaan olevan epätäydellistä tietoa käyttäjien halukkuudesta osallistua yhteistyöhön CCD:ssä. Tämän osuuden päätulos on esitellä sopimuksiin perustuvia kannustinmenetelmiä, joiden avulla operaattori voi motivoida käyttäjiä paljastamaan heidän todellinen tahtotilansa osallistua yhteistyöhön. Ehdotetut menetelmä kannustavat käyttäjiä heidän todellisen tahtotilan perusteella ja parantavat järjestelmän suorituskykyä operaattorin ja käyttäjien saavuttamien hyötyjen osalta.

Le travail de thèse présenté ici vise à caractériser et simuler les forces mécaniques impliquées dans le processus de fermeture dorsale chez l’organisme Drosophila melanogaster. Ce processus participe à l’acquisition par l’embryon de sa forme finale. Ainsi, l’objectif du travail présenté ici est d’approfondir nos connaissances sur la mécanique des tissus,ainsi que sur leur rôle dans l’embryogenèse.La fermeture dorsale est un processus similaire à la cicatrisation, dans lequel la fermeture du trou dorsal est réalisée par l'amnioséreuse, qui couvre le trou dorsal, et la rangée la plus dorsale des cellules de l'épiderme: les leading edge cells.Une partie du travail présenté ici étudie aussi les mouvements des cellules du leading edge,dans le but de comprendre l’effet du câble d’actine sur la dynamique de la fermeture dorsale.Un algorithme permettant de détecter les contours des cellules, leur position ainsi que celle de leurs jonctions multiples a été développé, ainsi qu'un interface utilisateur.Différents modèles dynamiques ont ensuite été construits, prenant en compte différents comportements mécaniques, selon l’approche lagrangienne. Les systèmes d’équations ont été résolus numériquement, et leurs prédictions comparées aux données biologiques selon l’approche des moindres carrés. Les résultats ont été validés par le test de la fonction d’auto corrélation.Les résultats présentés dans cette thèse nous permettent de mieux comprendre les processus mécaniques impliqués dans les oscillations des cellules de l’amnioséreuse. Ils nous donnent aussi des indices sur leurs caractéristiques biologiques. Ils nous permettent enfin de mieux appréhender le rôle du cabled’actine dans ce processus. / The work presented here aims at characterizing and simulating the mechanical forces involved in the process of Dorsal Closure in the organism Drosophila melanogaster, an embryonic process. In particular, Dorsal Closure participates in the acquisition of the final form of the embryo. Therefore, the work presented here aims at fathoming our knowledge on tissues mechanics, as well as their role in the acquisition of shape. The tissues involved in Dorsal Closure are the epidermis and the amnioserosa. At this stage of development, the epidermis surrounds almost all the embryo. Nevertheless, the amnioserosa still covers a large area of the dorsal side called dorsal hole. Hence, Dorsal Closure aims at shutting this hole and joining the lateral sides of the epidermis, in a process similar to wound healing. In order to fuse the two sides of the epidermis on the dorsal line, the epidermis must be drawn dorsalward. This movement is driven by the amnioserosa on the one hand, and by the dorsalmost row of the epidermis (called Leading Edge cells) on the other hand. The latter first form a transcellular Actin Cable around the dorsal hole. The cable, contracting, will reduce the area of the dorsal hole, covered by the amnioserosa. Second, the Leading Edge cells emit protrusions that will attach to the opposite Leading Edge and drag it toward themselves, untill the two sides of the epidermis fuse. These protrusions have a limited range, hence the dragging and fusion only take place at the ends of the dorsal hole (called canthi), where the distance between the two Leading Edges is small enough. The Amnioserosa also drags the epidermis toward the dorsal line. Its cells produce a contractile network. Interstingly, Amnioserosa cells see the area of their top side (apical side) vary in a periodic way. Although these variations have been widely studied, their role in Dorsal Closure remains unknown. This PhD aims at improving our knowledge of the mechanical concepts involved in these oscillations, and to build a physical model representing these movements. The work presented here also studies the movements of the Leading Edge cells, in order to understand the effect of the Actin Cableon the dynamics of Dorsal Closure. In order to study the cells movements and the role of the tissues involved in Dorsal Closure, an algorithm was developped, allowing to detect the cells edges, their position, as well as those of their vertices (multiple junction between three or four cells) and to track them over time. A user interface was also developped, in order to facilitate the adjustment of the parameters allowing the detection, as well as the correction of possible errors. Various dynamical models were then built following the lagrangian approach. The systems of equations deriving from the Euler-Lagrange equations were numerically solved, and their predictions compared to the biological data extracted thanks to the algorithm presented earlier, following the least square approach. The model validation was performed thanks to the autocorrelation function test. Finally, the Leading Edge dynamics was studied characterising the cellular movements at the interface between the epidermis and the amnioserosa. Wild type embryos dynamics were compared to those of mutated embryos showing specific defects in the Actin Cable formation. The results presented in this manuscript allow a better understanding of the processes involved in in Amnioserosa cells oscicllations. They also give clues on their biological characteristics. Finally, they assess the role of the actin cable in this process similar to wound healing.

Tato práce je rozdělena do šesti kapitol. První kapitola vysvětluje rozdíly mezi fyzickou vrstvou uplinků systémů LTE a LTE Advanced, zkoumá charakteristiky kanálu komunikace D2D v rámci sítě LTE Advanced, a navrhuje mechanismy optimalizace interferencí. Rovněž je v práci prezentována struktura softwarově definované rádiové platformy, která může být využita pro vyhodnocení rádiových kanálů. Druhá kapitola hodnotí a porovnává výkony uplinkové části fyzické vrstvy systému LTE a LTE Advanced. V prostředí MATLAB je implementována struktura LTE Advanced vysílače a přijímače se všemi stupni zpracování signálu. Generované signály obou výše uvedených systémů jsou přenášeny přes různé modely kanálu ITU-R. Byly používány různé techniky odhadu kanálů a detekce signálu pro obnovení vysílaného signálu. Výsledky jsou prezentovány formou křivek BER a křivek datové prostupnosti. Třetí kapitola navrhuje způsob opakování frekvencí v celulární síti (frequency-reuse) se třemi úrovněmi výkonu, který se využívá jako typ pokročilé metody snižování interferencí. Jsou ukázány normalizované kapacitní hustoty buněk a jejich podoblastí se třemi různými případy distribuce uživatelů uvnitř buněk. Je zobrazena korelace mezi celkovou kapacitou a poloměrem každého regionu. Dosažené výsledky navrhovaného schématu jsou porovnávány s tradiční technikou opakovaného použití frekvence (Reuse-3). Čtvrtá kapitola se zabývá výzkumem alternativní metody optimalizace interferencí. Bylo provedeno ověření kooperačních metod snímání rádiového spektra ve čtyřech různých reálných prostředích: venkovní-interiérové, vnitřní-venkovní, venkovní-vnitřní a venkovní-venkovní. Navržený systém je testován pomocí zařízení Universal Software Radio Peripheral (USRP) a obsahuje dva typy detektorů; energetický detektor a statistický detektor založený na Kolmogorově-Smirnovově testu, které byly implementovány na přijímací straně. Jedním z hlavních požadavků komunikace D2D je znalost charakteristik impulzních odezev rádiového kanálu. Pátá kapitola proto představuje metodu měření kanálu pomocí Zadoff-Chu sekvencí ve frekvenční oblasti jako alternativní techniku k měření kanálu v časové nebo frekvenční doméně. Pomocí navržené metody se základní charakteristiky kanálu, jako je časové rozšíření kanálu (RMS delay spread, mean excess delay), útlum šířením a koherenční šířka pásma extrahují v (až 20x) kratším čase ve srovnání s klasickou metodou měření kanálu ve frekvenční doméně. Jsou také zkoumány charakteristiky venkovních statických rádiových kanálů na vzdálenost několika kilometrů pro pásma UHF a SHF s ko-polarizovanou horizontální a vertikální konfigurací antény. Šestá kapitola uzavírá tezi a shrnuje závěry.

La pénurie d'énergie et le manque d'infrastructures dans les régions rurales représentent une barrière pour le déploiement et l'extension des réseaux cellulaires. Les approches et techniques pour relier les stations de base (BSs) entre elles à faible coût et d'une manière fiable et efficace énergiquement sont l'une des priorités des opérateurs. Ces réseaux peu denses actuellement, peuvent évoluer rapidement et affronter une croissance exponentielle due principalement à l'utilisation des téléphones mobiles, tablettes et applications gourmandes en bande passante. La densification des réseaux est l'une des solutions efficaces pour répondre à ce besoin en débit élevé. Certes, l'introduction de petites BSs apporte de nombreux avantages tels que l'amélioration du débit et de la qualité du signal, mais entraîne des contraintes opérationnelles telles que le choix de l'emplacement des noeuds dans ces réseaux de plus en plus denses ainsi que leur alimentation. Les problèmes où la contrainte spatiale est prépondérante sont bien appropriés à la modélisation par la géométrie stochastique qui permet une modélisation réaliste de distribution des BSs. Ainsi, l'enjeu est de trouver de nouvelles approches de gestions d'interférence et de réductions de consommation énergétique dans les réseaux sans fil. Le premier axe de cette thèse s'intéresse aux méthodes de gestion d'interférence dans les réseaux cellulaires se basant sur la coordination entre les BSs, plus précisément, la technique Coordinated MultiPoint Joint Transmission (CoMP-JT). En CoMP-JT, les utilisateurs en bordure de cellules qui subissent un niveau très élevé d'interférences reçoivent plusieurs copies du signal utile de la part des BSs qui forment l'ensemble de coordination. Ainsi, nous utilisons le modèle r-l Square Point Process (PP) à fin de modéliser la distribution des BSs dans le plan. Le processus r-l Square PP est le plus adapté pour modéliser le déploiement réel des BSs d'un réseau sans fil, en assurant une distance minimale, (r - l), entre les points du processus. Nous discutons l'impact de la taille de l'ensemble de coordination sur les performances évaluées. Ce travail est étendu pour les réseaux denses WiFi IEEE 802.11, où les contraintes de portées de transmission et de détection de porteuse ont été prises en compte. Dans le deuxième axe du travail, nous nous intéressons à l'efficacité énergétique des réseaux mesh. Nous proposons l'utilisation des antennes directionnelles (DAs) pour réduire la consommation énergétique et améliorer le débit de ces réseaux mesh. Les DAs ont la capacité de focaliser la transmission dans la direction du récepteur, assurant une portée plus importante et moins d'énergie dissipée dans toutes les directions. Pour différentes topologies, nous dérivons le nombre de liens et montrons que ce nombre dépend du nombre de secteurs de l'antenne. Ainsi, en utilisant les simulations, nous montrons que le gain, en énergie et en débit, apporté par les DAs peut atteindre 70% dans certains cas. De plus, on propose un modèle d'optimisation conjointe d'énergie et du débit adapté aux réseaux WMNs équipés de DAs. La résolution numérique de ce modèle conforte les résultats de simulation obtenus dans la première partie de cette étude sur l'impact des DAs sur les performances du réseau en termes de débit et d'énergie consommée. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet collaboratif (FUI16 LCI4D), qui consiste à concevoir et à valider une architecture radio ouverte pour renforcer l'accès aux services broadband dans des lieux ne disposant que d'une couverture minimale assurée par un réseau macro-cellulaire traditionnel. / Today's networks continue to evolve and grow resulting more dense, complex and heterogeneous networks.This leads to new challenges such as finding new models to characterize the nodes distribution in the wireless network and approaches to mitigate interference. On the other hand, the energy consumption of WMNs is a challenging issue mainly in rural areas lacking of default electrical grids. Finding alternative technologies and approaches to reduce the consumed energy of these networks is a interesting task. This thesis focuses on proposing and evaluating interference management models for next generation wireless networks (5G and Very Dense High WLANs), and providing tools and technologies to reduce energy consumption of Wireless Mesh Networks (WMNs). Two different problems are thus studied; naturally the thesis is divided into two parts along the following chapters.The contribution of the first part of the thesis is threefold. Firstly, we develop our interference management coordination (CoMP-JT) model. The main idea of CoMP-JT is to turn signals generating harmful interference into useful signals. We develop a new model where BSs inside the coordinated set send a copy of data to border's users experiencing high interference. We consider the r-l Square point process to model the BSs distribution in the network. We derive network performance in terms of coverage probability and throughput. Additionally, we study the impact of the size of coordination set on the network performance. Secondly, we extend these results and provide a new model adopted for Dense Very high throughput WLANs. We take into consideration constraints of WLANs in our model such as carrier sensing range. Thirdly, we tackle resource allocation strategies to limit the interference in LTE networks. We study three cyclic allocation strategies: (i) the independent allocation, (ii) the static allocation and (iii) the load-dependent strategy. We derive tractable analytical expression of the first and second mean of interference. We validate the model using extensive simulations. Reducing the energy consumption and improving the energy efficiency of WMNs is our concern in the second part of the thesis. Indeed, we aim at studying the impact of directional antennas technology on the performance of WMNs, using both analysis and simulations. Fisrt, We derive the Number of Links (NLs) for the chain and grid topologies for different antennas beams. These results are based on the routing tables of nodes in the network. We consider different scenarios such as 1Source-NDestinations to model the downlink communications, NSources-1Destination to model the uplink communications and the 1Source-1Destination as a baseline scenario. Using ns-3 simulator, we simulate network performance in terms of Mean Loss Ratio, throughput, energy consumption and energy efficiency. Then, we study the impact of number of beams, network topology and size, the placement of the gateway on the network performance. Next, we go beyond simulations and propose an optimization framework minimizing the consumed energy while maximizing the network throughput for DAs WMNs. We consider a weighted objective function combining the energy consumption and the throughput. We use power control to adapt transmission power depending on the location of the next hop. This model is a first step to approve the obtained simulation results. We use ILOG Cplex solver to find the optimal solution. Results show that DAs improves the network throughput while reduce the energy consumption and that power control allows saving more energy. In this direction, the LCI4D Project aims at providing low cost infrastructure to connect isolated rural and sub-urban areas to the Internet. In order to reduce the installation and maintenance costs, LCI4D proposes the usage of self-configured Wireless Mesh Networks (WMNs) to connect multimode outdoor femtocells to the remote Marco cell (gateway).

L'un des challenges le plus important pour les opérateurs des réseaux mobiles est de dimensionner le réseau de la manière la plus efficace possible, c'est-à-dire, bien planifier les ressources pour fournir une bonne couverture et une meilleure capacité. Afin de mieux gérer le trafic généré dans le réseau, les opérateurs déploient des petites cellules pour aider les macro-cellules à délester les zones de la cellule où le trafic de données est significativement supérieur au trafic moyen dans la cellule. Cependant, le problème majeur de ces réseaux hétérogènes consiste à bien localiser ces hotspots et puis de mettre en place la meilleure solution pour les absorber. Dans cette thèse, on traite le sujet de localisation de hotspot et on étudie l'impact de son imperfection sur les performances des déploiements des réseaux hétérogènes. Dans une première étape, on propose une nouvelle méthode de localisation de hotspot. Puis, on propose d'évaluer l'impact d'une mauvaise localisation de trafic sur le déploiement des petites cellules à travers une analyse de performances au niveau statique et dynamique. Sachant qu'une grande quantité de trafic de données dans le réseau mobile est générée par des utilisateurs qui sont en mouvement, on propose d'évaluer les performances des petites cellules mobiles. Enfin, la quatrième étape consiste à améliorer encore la solution de déploiement de petites cellules en utilisant les drones. On propose un mécanisme de décongestion du réseau et on discute les avantages et les points à explorer. Une analyse de performance est aussi réalisée pour comparer cette solution avec les solutions classiques de macro cellules et de petites cellules / The continuous increasing traffic in cellular networks has forced the mobile operators to look for efficient and viable options to manage their networks so as to ensure more efficiency over the network life cycle while also evolving with the implementation of new technologies. Traffic hotspot localization can help operators to identify the areas where deploying small cells can reduce the congestion. We firstly propose and assess a new traffic hotspot localization method based on the projection of O&M KPIs on the coverage map. Compared to probing methods, the computational costs and the equipment expenditures are reduced. Moreover, the localization accuracy is improved. Next, in order to evaluate the impact of the limited accuracy of traffic localization tools on small cell deployment, we study the performances of three different scenarios. The first one considers a network of macrocells only and represents a benchmark to decide about the usefulness of small cells. The second one is based on a network of macrocells with a perfectly deployed small cell allowing to identify the limitations of small cell deployment and the last one is with an imperfectly deployed small cell. Realizing that a significant amount of cellular demand is generated on the go and suffers deteriorating quality, we investigate the potential performance gains of using moving small cells. The major outcome is to understand if moving cells leverage the relative operators' investments. Finally, we propose a new mobile data offloading mechanism which capitalizes on drone small cells to alleviate the data traffic load. We realize a performance evaluation and comparison with classic small cell deployment

L'industrie des télécommunications sans fil fait actuellement face à une croissance considérable pour des débits toujours plus hauts, stimulée par le développement des services mobiles de données. Ce développement rend le spectre disponible de plus en plus rare et nécessite des solutions afin d'optimiser l'usage de ses ressources limitées.Le principal défi auquel les réseaux sans fils font face est de maximiser la disponibilité, la résilience et la qualité de service, tout en minimisant les coûts et en assurant entre les utilisateurs une allocation de ressources équitable. Cette thèse tente de présenter des solutions à ces problèmes et se focalise sur trois thèmes.Sur le premier thème, le but est de trouver la topologie en anneau qui optimise la disponibilité. Il est montré que les algorithmes développés dans le cadre de la théorie des graphes peuvent être utilisés de manière efficace pour définir en temps polynomial la topologie en anneau optimale si les anneaux sont petits (deux nœuds en plus du nœud d'agrégation). Pour les anneaux plus grands, le problème est NP-hard.Le deuxième thème concerne la polarisation. Nous proposons une solution innovante qui peut améliorer efficacité spectrale jusqu'à 50% par comparaison avec l'état de l'art. Le paradigme proposé introduit de nouvelles perspectives au sujet de l'optimisation de la topologie et de l'allocation de canal.Le troisième thème concerne l'allocation de ressources. Nous remettons en question l'approche présente, basée sur l'optimisation de l'efficacité du réseau. Nous montrons que cette approche est similaire au modèle d'utilité espérée de Bernoulli, qui a été réfuté par les paradoxes d'Allais. C'est pourquoi nous introduisons le concept d'aversion au manque d'équité et considérons la question d'allocation de ressources comme un compromis entre efficacité du réseau et équité. / The wireless telecommunication sector is presently facing a tremendous growth of demand for higher data rates, driven by the development of mobile data services. This development makes the available spectrum scarcer and scarcer and requires solutions in order to optimize the use of its limited resources.The main challenge wireless networks are facing is to maximize availability, resiliency and Quality of Service, while minimizing costs and ensuring fair resource allocation among users.The present thesis will try to present solutions to these issues and will focus on three topics.On the first topic, the purpose is to find the ring-based topology which optimizes availability. It will be shown that algorithms which have been developed in the field of graph theory can be used efficiently to define in polynomial time the optimal ring network topology if the rings are small (two nodes in addition to the aggregation node). For bigger rings, the problem will be NP-hard. The second topic deals with polarization. We propose an innovative solution which can improve spectral efficiency in wireless ring networks by up to 50% in comparison with the state of the art. The proposed paradigm brings new perspectives regarding topology optimization and channel allocation.The third topic deals with resource allocation. We question the present approach based on optimization of network effciency. We show that this approach is similar to Bernoulli's expected utility model, which has been disproved by Allais' paradoxes. For this reason, we introduce the concept of unfairness aversion and consider the question of resource allocation as a trade-off between network efficiency and fairness.

Due to the highly-varying wireless channels over time, frequency, and space domains, statistical QoS provisioning, instead of deterministic QoS guarantees, has become a recognized feature in the next-generation wireless networks. In this dissertation, we study the adaptive wireless resource allocation problems for statistical QoS provisioning, such as guaranteeing the specified delay-bound violation probability, upper-bounding the average loss-rate, optimizing the average goodput/throughput, etc., in several typical types of mobile wireless networks. In the first part of this dissertation, we study the statistical QoS provisioning for mobile multicast through the adaptive resource allocations, where different multicast receivers attempt to receive the common messages from a single base-station sender over broadcast fading channels. Because of the heterogeneous fading across different multicast receivers, both instantaneously and statistically, how to design the efficient adaptive rate control and resource allocation for wireless multicast is a widely cited open problem. We first study the time-sharing based goodput-optimization problem for non-realtime multicast services. Then, to more comprehensively characterize the QoS provisioning problems for mobile multicast with diverse QoS requirements, we further integrate the statistical delay-QoS control techniques — effective capacity theory, statistical loss-rate control, and information theory to propose a QoS-driven optimization framework. Applying this framework and solving for the corresponding optimization problem, we identify the optimal tradeoff among statistical delay-QoS requirements, sustainable traffic load, and the average loss rate through the adaptive resource allocations and queue management. Furthermore, we study the adaptive resource allocation problems for multi-layer video multicast to satisfy diverse statistical delay and loss QoS requirements over different video layers. In addition, we derive the efficient adaptive erasure-correction coding scheme for the packet-level multicast, where the erasure-correction code is dynamically constructed based on multicast receivers’ packet-loss statuses, to achieve high error-control efficiency in mobile multicast networks. In the second part of this dissertation, we design the adaptive resource allocation schemes for QoS provisioning in unicast based wireless networks, with emphasis on statistical delay-QoS guarantees. First, we develop the QoS-driven time-slot and power allocation schemes for multi-user downlink transmissions (with independent messages) in cellular networks to maximize the delay-QoS-constrained sum system throughput. Second, we propose the delay-QoS-aware base-station selection schemes in distributed multiple-input-multiple-output systems. Third, we study the queueaware spectrum sensing in cognitive radio networks for statistical delay-QoS provisioning. Analyses and simulations are presented to show the advantages of our proposed schemes and the impact of delay-QoS requirements on adaptive resource allocations in various environments.

We study Social Groups consisting of self-interested inter-connected nodes looking for common content. We can observe Social Groups in various socio-technological networks, such as Cellular Network assisted Device-to-Device communications, Cloud assisted Peer-to-Peer Networks, hybrid Peer-to-Peer Content Distribution Networks and Direct Connect Networks. Each node wants to acquire a universe of segments at least cost. Nodes can either access an expensive link to the content distributor for downloading data segments, or use the well-connected low cost inter-node network for exchanging segments among themselves. Activation of an inter-node link requires cooperation among the participating nodes and reduces the cost of downloading for the nodes. However, due to uploading costs, Non-Reciprocating Nodes are reluctant to upload segments, in spite of their interest in downloading segments from others. We define the Give-and-Take (GT) criterion, which prohibits non-reciprocating behaviour in Social Groups for all nodes at all instants. In the “Full Exchange” case studied, two nodes can exchange copies of their entire segment sets, if each node gains at least one new segment from the other. Incorporating the GT criterion in the Social Group, we study the problem of downloading the universe at least cost, from the perspective of a new node having no data segments. We analyze this NP-hard problem, and propose algorithms for choosing the initial segments to be downloaded from the content distributor and the sequence of nodes for exchange. We compare the performance of these algorithms with a few existing P2P downloading strategies in terms of cost and running time. In the second problem, we attempt to reduce the load on the content distributor by choosing a schedule of inter-node link activations such that the number of nodes with the universe is maximized. Link activation decisions are taken by a central entity, the facilitator, for achieving the social optimum. We present the asymptotically optimal Randomized algorithm. We also present other algorithms, such as the Greedy Links algorithm and the Polygon algorithm, which are optimal under special scenarios of interest. We compare the performances of all proposed algorithms with the optimal value of the objective. We observe that computationally intensive algorithms exhibit better performance. Further, we consider the problem of decentralized scheduling of links. The decisions of link activations are made by the participating nodes in a distributed manner. While conforming to the GT criterion for inter-node exchanges, each node's objective is to maximize its utility. Each node tries to find a pairing partner by preferentially exploring nodes for link formation. Unpaired nodes choose to download a segment using the expensive link with Segment Aggressiveness Probability (SAP). We present linear complexity decentralized algorithms for nodes to choose their best strategy. We present a decentralized randomized algorithm that works in the absence of the facilitator and performs close to optimal for large number of nodes. We define the Price of Choice to benchmark performance of Social Groups (consisting of non-aggressive nodes) with the optimal. We evaluate the performance of various algorithms and characterize the behavioural regime that will yield best results for node and Social Group as well.

Cette thèse étudie les communications directes entre les mobiles, appelées communications D2D, en tant que technique prometteuse pour améliorer les futurs réseaux cellulaires. Cette technologie permet une communication directe entre deux terminaux mobiles sans passer par la station de base. La modélisation, l'évaluation et l'optimisation des différents aspects des communications D2D constituent les objectifs fondamentaux de cette thèse et sont réalisés principalement à l'aide des outils mathématiques suivants: la théorie des files d'attente, l'optimisation de Lyapunov et les processus de décision markovien partiellement observable POMDP. Les résultats de cette étude sont présentés en trois parties. Dans la première partie, nous étudions un schéma de sélection entre mode cellulaire et mode D2D. Nous dérivons les régions de stabilité des scénarios suivants: réseaux cellulaires purs et réseaux cellulaires où les communications D2D sont activées. Une comparaison entre ces deux scénarios conduit à l'élaboration d'un algorithme de sélection entre le mode cellulaire et le mode D2D qui permet d'améliorer la capacité du réseau. Dans la deuxième partie, nous développons un algorithme d'allocation de ressources des communications D2D. Les utilisateurs D2D sont en mesure d'estimer leur propre qualité de canal, cependant la station de base a besoin de recevoir des messages de signalisation pour acquérir cette information. Sur la base de cette connaissance disponibles au niveau des utilisateurs D2D, une approche d'allocation des ressources est proposée afin d'améliorer l'efficacité énergétique des communications D2D. La version distribuée de cet algorithme s'avère plus performante que celle centralisée. Dans le schéma distribué des collisions peuvent se produire durant la transmission de l'état des canaux D2D ; ainsi un algorithme de réduction des collisions est élaboré. En outre, la mise en œuvre des algorithmes centralisé et distribué dans un réseau cellulaire, type LTE, est décrite en détails. Dans la troisième partie, nous étudions une politique de sélection des relais D2D mobiles. La mobilité des relais représente un des principaux défis que rencontre toute stratégie de sélection de relais. Le problème est modélisé par un processus contraint de décision markovien partiellement observable qui prend en compte le dynamisme des relais et vise à trouver la politique de sélection de relais qui optimise la performance du réseau cellulaire sous des contraintes de coût. / This thesis considers Device-to-Device (D2D) communications as a promising technique for enhancing future cellular networks. Modeling, evaluating and optimizing D2D features are the fundamental goals of this thesis and are mainly achieved using the following mathematical tools: queuing theory, Lyapunov optimization and Partially Observed Markov Decision Process (POMDP). The findings of this study are presented in three parts. In the first part, we investigate a D2D mode selection scheme. We derive the queuing stability regions of both scenarios: pure cellular networks and D2D-enabled cellular networks. Comparing both scenarios leads us to elaborate a D2D vs cellular mode selection design that improves the capacity of the network. In the second part, we develop a D2D resource allocation algorithm. We observe that D2D users are able to estimate their local Channel State Information (CSI), however the base station needs some signaling exchange to acquire this information. Based on the D2D users' knowledge of their local CSI, we provide an energy efficient resource allocation framework that shows how distributed scheduling outperforms centralized one. In the distributed approach, collisions may occur between the different CSI reporting; thus, we propose a collision reduction algorithm. Moreover, we give a detailed description on how both centralized and distributed algorithms can be implemented in practice. In the third part, we propose a mobile relay selection policy in a D2D relay-aided network. Relays' mobility appears as a crucial challenge for defining the strategy of selecting the optimal D2D relays. The problem is formulated as a constrained POMDP which captures the dynamism of the relays and aims to find the optimal relay selection policy that maximizes the performance of the network under cost constraints.

La quinta generación de redes móviles (5G) se encuentra a la vuelta de la esquina. Se espera provea de beneficios extraordinarios a la población y que resuelva la mayoría de los problemas de las redes 4G actuales. El éxito de 5G, cuya primera fase de estandarización ha sido completada, depende de tres pilares: comunicaciones tipo-máquina masivas, banda ancha móvil mejorada y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (mMTC, eMBB y URLLC, respectivamente). En esta tesis nos enfocamos en el primer pilar de 5G, mMTC, pero también proveemos una solución para lograr eMBB en escenarios de distribución masiva de contenidos. Específicamente, las principales contribuciones son en las áreas de: 1) soporte eficiente de mMTC en redes celulares; 2) acceso aleatorio para el reporte de eventos en redes inalámbricas de sensores (WSNs); y 3) cooperación para la distribución masiva de contenidos en redes celulares. En el apartado de mMTC en redes celulares, esta tesis provee un análisis profundo del desempeño del procedimiento de acceso aleatorio, que es la forma mediante la cual los dispositivos móviles acceden a la red. Estos análisis fueron inicialmente llevados a cabo por simulaciones y, posteriormente, por medio de un modelo analítico. Ambos modelos fueron desarrollados específicamente para este propósito e incluyen uno de los esquemas de control de acceso más prometedores: access class barring (ACB). Nuestro modelo es uno de los más precisos que se pueden encontrar en la literatura y el único que incorpora el esquema de ACB. Los resultados obtenidos por medio de este modelo y por simulación son claros: los accesos altamente sincronizados que ocurren en aplicaciones de mMTC pueden causar congestión severa en el canal de acceso. Por otro lado, también son claros en que esta congestión se puede prevenir con una adecuada configuración del ACB. Sin embargo, los parámetros de configuración del ACB deben ser continuamente adaptados a la intensidad de accesos para poder obtener un desempeño óptimo. En la tesis se propone una solución práctica a este problema en la forma de un esquema de configuración automática para el ACB; lo llamamos ACBC. Los resultados muestran que nuestro esquema puede lograr un desempeño muy cercano al óptimo sin importar la intensidad de los accesos. Asimismo, puede ser directamente implementado en redes celulares para soportar el tráfico mMTC, ya que ha sido diseñado teniendo en cuenta los estándares del 3GPP. Además de los análisis descritos anteriormente para redes celulares, se realiza un análisis general para aplicaciones de contadores inteligentes. Es decir, estudiamos un escenario de mMTC desde la perspectiva de las WSNs. Específicamente, desarrollamos un modelo híbrido para el análisis de desempeño y la optimización de protocolos de WSNs de acceso aleatorio y basados en cluster. Los resultados muestran la utilidad de escuchar el medio inalámbrico para minimizar el número de transmisiones y también de modificar las probabilidades de transmisión después de una colisión. En lo que respecta a eMBB, nos enfocamos en un escenario de distribución masiva de contenidos, en el que un mismo contenido es enviado de forma simultánea a un gran número de usuarios móviles. Este escenario es problemático, ya que las estaciones base de la red celular no cuentan con mecanismos eficientes de multicast o broadcast. Por lo tanto, la solución que se adopta comúnmente es la de replicar e contenido para cada uno de los usuarios que lo soliciten; está claro que esto es altamente ineficiente. Para resolver este problema, proponemos el uso de esquemas de network coding y de arquitecturas cooperativas llamadas nubes móviles. En concreto, desarrollamos un protocolo para la distribución masiva de contenidos, junto con un modelo analítico para su optimización. Los resultados demuestran que el modelo propuesto es simple y preciso, y que el protocolo puede reducir el con / La cinquena generació de xarxes mòbils (5G) es troba molt a la vora. S'espera que proveïsca de beneficis extraordinaris a la població i que resolga la majoria dels problemes de les xarxes 4G actuals. L'èxit de 5G, per a la qual ja ha sigut completada la primera fase del qual d'estandardització, depén de tres pilars: comunicacions tipus-màquina massives, banda ampla mòbil millorada, i comunicacions ultra fiables i de baixa latència (mMTC, eMBB i URLLC, respectivament, per les seues sigles en anglés). En aquesta tesi ens enfoquem en el primer pilar de 5G, mMTC, però també proveïm una solució per a aconseguir eMBB en escenaris de distribució massiva de continguts. Específicament, les principals contribucions són en les àrees de: 1) suport eficient de mMTC en xarxes cel·lulars; 2) accés aleatori per al report d'esdeveniments en xarxes sense fils de sensors (WSNs); i 3) cooperació per a la distribució massiva de continguts en xarxes cel·lulars. En l'apartat de mMTC en xarxes cel·lulars, aquesta tesi realitza una anàlisi profunda de l'acompliment del procediment d'accés aleatori, que és la forma mitjançant la qual els dispositius mòbils accedeixen a la xarxa. Aquestes anàlisis van ser inicialment dutes per mitjà de simulacions i, posteriorment, per mitjà d'un model analític. Els models van ser desenvolupats específicament per a aquest propòsit i inclouen un dels esquemes de control d'accés més prometedors: el access class barring (ACB). El nostre model és un dels més precisos que es poden trobar i l'únic que incorpora l'esquema d'ACB. Els resultats obtinguts per mitjà d'aquest model i per simulació són clars: els accessos altament sincronitzats que ocorren en aplicacions de mMTC poden causar congestió severa en el canal d'accés. D'altra banda, també són clars en què aquesta congestió es pot previndre amb una adequada configuració de l'ACB. No obstant això, els paràmetres de configuració de l'ACB han de ser contínuament adaptats a la intensitat d'accessos per a poder obtindre unes prestacions òptimes. En la tesi es proposa una solució pràctica a aquest problema en la forma d'un esquema de configuració automàtica per a l'ACB; l'anomenem ACBC. Els resultats mostren que el nostre esquema pot aconseguir un acompliment molt proper a l'òptim sense importar la intensitat dels accessos. Així mateix, pot ser directament implementat en xarxes cel·lulars per a suportar el trànsit mMTC, ja que ha sigut dissenyat tenint en compte els estàndards del 3GPP. A més de les anàlisis descrites anteriorment per a xarxes cel·lulars, es realitza una anàlisi general per a aplicacions de comptadors intel·ligents. És a dir, estudiem un escenari de mMTC des de la perspectiva de les WSNs. Específicament, desenvolupem un model híbrid per a l'anàlisi de prestacions i l'optimització de protocols de WSNs d'accés aleatori i basats en clúster. Els resultats mostren la utilitat d'escoltar el mitjà sense fil per a minimitzar el nombre de transmissions i també de modificar les probabilitats de transmissió després d'una col·lisió. Pel que fa a eMBB, ens enfoquem en un escenari de distribució massiva de continguts, en el qual un mateix contingut és enviat de forma simultània a un gran nombre d'usuaris mòbils. Aquest escenari és problemàtic, ja que les estacions base de la xarxa cel·lular no compten amb mecanismes eficients de multicast o broadcast. Per tant, la solució que s'adopta comunament és la de replicar el contingut per a cadascun dels usuaris que ho sol·liciten; és clar que això és altament ineficient. Per a resoldre aquest problema, proposem l'ús d'esquemes de network coding i d'arquitectures cooperatives anomenades núvols mòbils. En concret, desenvolupem un protocol per a realitzar la distribució massiva de continguts de forma eficient, juntament amb un model analític per a la seua optimització. Els resultats demostren que el model proposat és simple i precís / The 5th generation (5G) of mobile networks is just around the corner. It is expected to bring extraordinary benefits to the population and to solve the majority of the problems of current 4th generation (4G) systems. The success of 5G, whose first phase of standardization has concluded, relies in three pillars that correspond to its main use cases: massive machine-type communication (mMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), and ultra-reliable low latency communication (URLLC). This thesis mainly focuses on the first pillar of 5G: mMTC, but also provides a solution for the eMBB in massive content delivery scenarios. Specifically, its main contributions are in the areas of: 1) efficient support of mMTC in cellular networks; 2) random access (RA) event-reporting in wireless sensor networks (WSNs); and 3) cooperative massive content delivery in cellular networks. Regarding mMTC in cellular networks, this thesis provides a thorough performance analysis of the RA procedure (RAP), used by the mobile devices to switch from idle to connected mode. These analyses were first conducted by simulation and then by an analytical model; both of these were developed with this specific purpose and include one of the most promising access control schemes: the access class barring (ACB). To the best of our knowledge, this is one of the most accurate analytical models reported in the literature and the only one that incorporates the ACB scheme. Our results clearly show that the highly-synchronized accesses that occur in mMTC applications can lead to severe congestion. On the other hand, it is also clear that congestion can be prevented with an adequate configuration of the ACB scheme. However, the configuration parameters of the ACB scheme must be continuously adapted to the intensity of access attempts if an optimal performance is to be obtained. We developed a practical solution to this problem in the form of a scheme to automatically configure the ACB; we call it access class barring configuration (ACBC) scheme. The results show that our ACBC scheme leads to a near-optimal performance regardless of the intensity of access attempts. Furthermore, it can be directly implemented in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) cellular systems to efficiently handle mMTC because it has been designed to comply with the 3GPP standards. In addition to the analyses described above for cellular networks, a general analysis for smart metering applications is performed. That is, we study an mMTC scenario from the perspective of event detection and reporting WSNs. Specifically, we provide a hybrid model for the performance analysis and optimization of cluster-based RA WSN protocols. Results showcase the utility of overhearing to minimize the number of packet transmissions, but also of the adaptation of transmission parameters after a collision occurs. Building on this, we are able to provide some guidelines that can drastically increase the performance of a wide range of RA protocols and systems in event reporting applications. Regarding eMBB, we focus on a massive content delivery scenario in which the exact same content is transmitted to a large number of mobile users simultaneously. Such a scenario may arise, for example, with video streaming services that offer a particularly popular content. This is a problematic scenario because cellular base stations have no efficient multicast or broadcast mechanisms. Hence, the traditional solution is to replicate the content for each requesting user, which is highly inefficient. To solve this problem, we propose the use of network coding (NC) schemes in combination with cooperative architectures named mobile clouds (MCs). Specifically, we develop a protocol for efficient massive content delivery, along with the analytical model for its optimization. Results show the proposed model is simple and accurate, and the protocol can lead to energy savings of up to 37 percent when compared to the traditional approach. / Leyva Mayorga, I. (2018). On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484 / TESIS