L'augmentation des besoins en termes de dimensionnement et de localisation des habitats, des services économiques et sociaux, des infrastructures et services pour les transports, des infrastructures et services de télécommunications ... rendent nécessaire d'avoir de plus en plus de précision et de mises a jour des informations sur la localisation et le déplacement des personnes. Jusqu'à présent, les études de planification se sont basées sur des données statiques telles que des informations géographiques, la répartition de la population (nombre de personnes par bâtiment et identité sociale de ces personnes) et des informations économiques (localisation des commerces, industries, écoles, administration ...). D'autres sources d'information utiles pour localiser des individus et identifier les flux de mobilité au fil du temps sont les données de réseau de téléphonie mobile : appels entrants et sortants pour chaque cellule, et handover entrant et sortant pour chaque cellule, etc. Le travail présenté dans cette thèse est dans un contexte environnemental et économique majeur qui est l'aménagement du territoire pour les besoins des personnes et le déplacement des marchandises. La thèse est divisée en trois grandes parties. Premièrement, une étude de caractérisation du terrain faite par analyse statistique des données recueillies du réseau de bus (type d'abonnement, arrêt de bus, temps de voyage ...), et du réseau mobile (appels entrants et sortants, handover entrants et sortant ...). Les résultats de cette étude donnent tous les éléments nécessaires pour construire un environnement de simulation. Deuxièmement un modèle de mobilité et un modèle d'écoulement de flux sont développés dans ce travail, visant à la fois la simulation du déplacement des personnes et des flux de populations sur une carte sur une période de temps prédéfinie. Ces modèles sont validés par des tests, dans la troisième partie qui porte sur les applications (simulation du déplacement des individus dans une étude de contrôle de puissance dans les réseaux UMTS) et les comparaisons (comparaison entre le modèle de mobilité avec d'autres modèles de mobilité de la littérature).

Les simulations du lien radio des systèmes à étalement de spectre de troisième génération sont très lentes à exécuter à cause de la complexité des traitements réalisés. Cette complexité provient principalement de la simulation de la corrélation temporelle du canal multi-trajets et du récepteur en râteau qui fonctionne avec plusieurs échantillons par chip. Dans ce travail de thèse nous proposons principalement trois approches pour accélérer le temps de simulations: - La première consiste à exploiter la propriété de bande limitée du spectre Doppler du canal et à générer le canal par une chaîne de Markov de premier ordre suivie d'une interpolation. - La deuxième consiste à remarquer le fait que le spectre de l'énergie utile à la sortie du récepteur en râteau est aussi à bande limitée et à générer directement la sortie du récepteur par une chaîne de Markov d'ordre variable suivie d'une interpolation. - Lorsque les retards du canal ne sont pas des multiples de la durée d'un chip, le récepteur fonctionne avec plusieurs échantillons par chip permettant ainsi d'évaluer correctement les performances du système. La troisième approche consiste à trouver un canal multi-trajets équivalent au canal réel mais ayant des retards mutuellement indépendants et multiples de la durée d'un chip. Ceci permet d'éviter la simulation des filtres d'émission et de réception. Ces approches peuvent être combinées afin d'avoir des outils rapides de simulation du lien radio. Un autre aspect traité dans cette thèse est l'étude de l'effet de l'estimation usuelle du canal à partir des symboles pilotes sur les performances du système. Cette estimation a un impact important sur la boucle de contrôle de puissance pour les canaux ayant des retards inférieurs à la durée d'un chip.

Dans cette thèse, nous étudions des réseaux sans fil dans lesquels les terminaux mobiles sont autonomes dans le choix de leurs configurations de communication. Cette autonomie de décision peut notamment concerner le choix de la technologie d'accès au réseau, le choix du point d'accès, la modulation du signal, les bandes de fréquences occupées, la puissance du signal émis, etc. Typiquement, ces choix de configuration sont réalisés dans le but de maximiser des métriques de performances propres à chaque terminal. Sous l'hypothèse que les terminaux prennent leurs décisions de manière rationnelle afin de maximiser leurs performances, la théorie des jeux s'applique naturellement pour modéliser les interactions entre les décisions des différents terminaux. Plus précisément, l'objectif principal de cette thèse est d'étudier des stratégies d'équilibre de contrôle de puissance d'émission afin de satisfaire des considérations d'efficacité énergétique. Le cadre des jeux stochastiques est particulièrement adapté à ce problème et nous permet notamment de caractériser la région de performance atteignable pour toutes les stratégies de contrôle de puissance qui mènent à un état d'équilibre. Lorsque le nombre de terminaux en jeu est grand, nous faisons appel à la théorie des jeux à champ moyen pour simplifier l'étude du système. Cette théorie nous permet d'étudier non pas les interactions individuelles entre les terminaux, mais l'interaction de chaque terminal avec un champ moyen qui représente l'état global des autres terminaux. Des stratégies de contrôle de puissance optimales du jeu à champ moyen sont étudiées. Une autre partie de la thèse a été consacrée à des problématiques d'apprentissage de points d'équilibre dans les réseaux distribués. En particulier, après avoir caractérisé les positions d'équilibre d'un jeu de positionnement de points d'accès, nous montrons comment des dynamiques de meilleures réponses et d'apprentissage permettent de converger vers un équilibre. Enfin, pour un jeu de contrôle de puissance, la convergence des dynamiques de meilleures réponses vers des points d'équilibre a été étudiée. Il est notamment proposé un algorithme d'adaptation de puissance convergeant vers un équilibre avec une faible connaissance du réseau. / In this thesis, we study wireless networks in which mobile terminals are free to choose their communication configuration. Theses configuration choices include access wireless technology, access point association, coding-modulation scheme, occupied bandwidth, power allocation, etc. Typically, these configuration choices are made to maximize some performance metrics associated to every terminals. Under the assumption that mobile terminals take their decisions in a rational manner, game theory can be applied to model the interactions between the terminals. Precisely, the main objective of this thesis is to study energy-efficient power control policies from which no terminal has an interest to deviate. The framework of stochastic games is particularly suited to this problem and allows to characterize the achievable utility region for equilibrium power control strategies. When the number of terminals in the network is large, we invoke mean field game theory to simplify the study of the system. Indeed, in a mean field game, the interactions between a player and all the other players are not considered individually. Instead, one only studies the interactions between each player and a mean field, which is the distribution of the states of all the other players. Optimal power control strategies from the mean field formulation are studied. Another part of this thesis has been focused on learning equilibria in distributed games. In particular, we show how best response dynamics and learning algorithms can converge to an equilibrium in a base station location game. For another scenario, namely a power control problem, we study the convergence of the best response dynamics. In this case, we propose a power control behavioral rule that converges to an equilibrium with very little information about the network.

Dans cette thèse, nous étudions des réseaux sans fil dans lesquels les terminaux mobiles sont autonomes dans le choix de leurs configurations de communication. Cette autonomie de décision peut notamment concerner le choix de la technologie d'accès au réseau, le choix du point d'accès, la modulation du signal, les bandes de fréquences occupées, la puissance du signal émis, etc. Typiquement, ces choix de configuration sont réalisés dans le but de maximiser des métriques de performances propres à chaque terminal. Sous l'hypothèse que les terminaux prennent leurs décisions de manière rationnelle afin de maximiser leurs performances, la théorie des jeux s'applique naturellement pour modéliser les interactions entre les décisions des différents terminaux. Plus précisément, l'objectif principal de cette thèse est d'étudier des stratégies d'équilibre de contrôle de puissance d'émission afin de satisfaire des considérations d'efficacité énergétique. Le cadre des jeux stochastiques est particulièrement adapté à ce problème et nous permet notamment de caractériser la région de performance atteignable pour toutes les stratégies de contrôle de puissance qui mènent à un état d'équilibre. Lorsque le nombre de terminaux en jeu est grand, nous faisons appel à la théorie des jeux à champ moyen pour simplifier l'étude du système. Cette théorie nous permet d'étudier non pas les interactions individuelles entre les terminaux, mais l'interaction de chaque terminal avec un champ moyen qui représente l'état global des autres terminaux. Des stratégies de contrôle de puissance optimales du jeu à champ moyen sont étudiées. Une autre partie de la thèse a été consacrée à des problématiques d'apprentissage de points d'équilibre dans les réseaux distribués. En particulier, après avoir caractérisé les positions d'équilibre d'un jeu de positionnement de points d'accès, nous montrons comment des dynamiques de meilleures réponses et d'apprentissage permettent de converger vers un équilibre. Enfin, pour un jeu de contrôle de puissance, la convergence des dynamiques de meilleures réponses vers des points d'équilibre a été étudiée. Il est notamment proposé un algorithme d'adaptation de puissance convergeant vers un équilibre avec une faible connaissance du réseau.

L'interférence est un facteur de limitation de performance individuelle et globale dans les réseaux de communication sans fil. Dans ce travail, deux techniques classiques de gestion de l'interférence sont étudiées : le contrôle de puissance d'émission et l'égalisation du canal. Trois approches sont considérées pour Le contrôle de puissance décentralisé et opportuniste. La première est basée sur la théorie des jeux non-coopératifs statiques et les théories de fonctions itératives, d'où résulte la proposition d'une classe d'algorithmes. Dans la deuxième approche, nous proposons quelques algorithmes dérivés de formulations et de solutions traditionnelles de la commande H2 et de la commande mixte H2/H-infini. Finalement, nous appliquons la théorie des jeux dynamiques sur le problème, ce qui produit deux nouveaux algorithmes de contrôle de puissance. La deuxième partie de la thèse, où le problème d'intérêt est l'égalisation du canal, est divisée en deux thèmes. Dans le premier, nous développons une analyse de "pire cas" pour le retard d'égalisation par des concepts de la théorie des jeux non-coopératifs. Dans le deuxième thème, nous présentons deux approches pour la conjugaison des caractéristiques désirables des égaliseurs H2 et H-infini : une combinaison convexe des deux filtres et un schéma d'adaptation du niveau de robustesse du filtre H-infini.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement àdeux techniques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique ou spectrale desréseaux sans fil. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons de combinerles capacités de prédictions du contexte futur de transmission au classiqueet connu tradeoff latence - efficacité énergétique, amenant à ce que l’on nommeraun réseau proactif tolérant à la latence. L’objectif dans ce genre de problèmesconsiste à définir des politiques de transmissions optimales pour un ensembled’utilisateur, qui garantissent à chacun de pouvoir accomplir une transmissionavant un certain délai, tout en minimisant la puissance totale consommée auniveau de chaque utilisateur. Nous considérons dans un premier temps le problèmemono-utilisateur, qui permet alors d’introduire les concepts de tolérance àla latence, d’optimisation et de contrôle de puissance qui sont utilisés dans lapremière partie de cette thèse. L’extension à un système multi-utilisateurs estensuite considérée. L’analyse révèle alors que l’optimisation multi-utilisateurpose problème du fait de sa complexité mathématique. Mais cette complexitépeut néanmoins être contournée grâce aux récentes avancées dans le domainede la théorie des jeux à champs moyens, théorie qui permet de transiter d’unjeu multi-utilisateur, vers un jeu à champ moyen, à plus faible complexité. Lessimulations numériques démontrent que les stratégies de puissance retournéespar l’approche jeu à champ moyen approchent notablement les stratégies optimaleslorsqu’elles peuvent être calculées, et dépassent les performances desheuristiques communes, lorsque l’optimum n’est plus calculable, comme c’est lecas lorsque le canal varie au cours du temps.Dans la seconde partie de cettethèse, nous investiguons un possible problème dual au problème précédent. Plusspécifiquement, nous considérons une approche d’optimisation d’efficacité spectrale,à configuration de puissance constante. Pour ce faire, nous proposonsalors d’étudier l’impact sur le réseau des récentes avancées en classification d’interférence.L’analyse conduite révèle que le système peut bénéficier d’uneadaptation des traitements d’interférence faits à chaque récepteur. Ces gainsobservés peuvent également être améliorés par deux altérations de la démarched’optimisation. La première propose de redéfinir les groupes d’interféreurs decellules concurrentes, supposés transmettre sur les mêmes ressources spectrales.L’objectif étant alors de former des paires d’interféreurs “amis”, capables detraiter efficacement leurs interférences réciproques. La seconde altération portele nom de “Virtual Handover” : lorsque la classification d’interférence est considérée,l’access point offrant le meilleur SNR n’est plus nécessairement le meilleuraccess point auquel assigner un utilisateur. Pour cette raison, il est donc nécessairede laisser la possibilité au système de pouvoir choisir par lui-même la façondont il procède aux assignations des utilisateurs. Le processus d’optimisationse décompose donc en trois parties : i) Définir les coalitions d’utilisateurs assignésà chaque access point ; ii) Définir les groupes d’interféreurs transmettantsur chaque ressource spectrale ; et iii) Définir les stratégies de transmissionet les traitements d’interférences optimaux. L’objectif de l’optimisationest alors de maximiser l’efficacité spectrale totale du système après traitementde l’interférence. Les différents algorithmes utilisés pour résoudre, étape parétape, l’optimisation globale du système sont détaillés. Enfin, des simulationsnumériques permettent de mettre en évidence les gains de performance potentielsofferts par notre démarche d’optimisation. / In this thesis, we investigate two techniques used for enhancing the energy orspectral efficiency of the network. In the first part of the thesis, we propose tocombine the network future context prediction capabilities with the well-knownlatency vs. energy efficiency tradeoff. In that sense, we consider a proactivedelay-tolerant scheduling problem. In this problem, the objective consists ofdefining the optimal power strategies of a set of competing users, which minimizesthe individual power consumption, while ensuring a complete requestedtransmission before a given deadline. We first investigate the single user versionof the problem, which serves as a preliminary to the concepts of delay tolerance,proactive scheduling, power control and optimization, used through the first halfof this thesis. We then investigate the extension of the problem to a multiusercontext. The conducted analysis of the multiuser optimization problem leads toa non-cooperative dynamic game, which has an inherent mathematical complexity.In order to address this complexity issue, we propose to exploit the recenttheoretical results from the Mean Field Game theory, in order to transitionto a more tractable game with lower complexity. The numerical simulationsprovided demonstrate that the power strategies returned by the Mean FieldGame closely approach the optimal power strategies when it can be computed(e.g. in constant channels scenarios), and outperform the reference heuristicsin more complex scenarios where the optimal power strategies can not be easilycomputed.In the second half of the thesis, we investigate a dual problem to the previousoptimization problem, namely, we seek to optimize the total spectral efficiencyof the system, in a constant short-term power configuration. To do so, we proposeto exploit the recent advances in interference classification. the conductedanalysis reveals that the system benefits from adapting the interference processingtechniques and spectral efficiencies used by each pair of Access Point (AP) and User Equipment (UE). The performance gains offered by interferenceclassification can also be enhanced by considering two improvements. First, wepropose to define the optimal groups of interferers: the interferers in a samegroup transmit over the same spectral resources and thus interfere, but can processinterference according to interference classification. Second, we define theconcept of ’Virtual Handover’: when interference classification is considered,the optimal Access Point for a user is not necessarily the one providing themaximal SNR. For this reason, defining the AP-UE assignments makes sensewhen interference classification is considered. The optimization process is thenthreefold: we must define the optimal i) interference processing technique andspectral efficiencies used by each AP-UE pair in the system; ii) the matching ofinterferers transmitting over the same spectral resources; and iii) define the optimalAP-UE assignments. Matching and interference classification algorithmsare extensively detailed in this thesis and numerical simulations are also provided,demonstrating the performance gain offered by the threefold optimizationprocedure compared to reference scenarios where interference is either avoidedwith orthogonalization or treated as noise exclusively.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement àdeux techniques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique ou spectrale desréseaux sans fil. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons de combinerles capacités de prédictions du contexte futur de transmission au classiqueet connu tradeoff latence - efficacité énergétique, amenant à ce que l’on nommeraun réseau proactif tolérant à la latence. L’objectif dans ce genre de problèmesconsiste à définir des politiques de transmissions optimales pour un ensembled’utilisateur, qui garantissent à chacun de pouvoir accomplir une transmissionavant un certain délai, tout en minimisant la puissance totale consommée auniveau de chaque utilisateur. Nous considérons dans un premier temps le problèmemono-utilisateur, qui permet alors d’introduire les concepts de tolérance àla latence, d’optimisation et de contrôle de puissance qui sont utilisés dans lapremière partie de cette thèse. L’extension à un système multi-utilisateurs estensuite considérée. L’analyse révèle alors que l’optimisation multi-utilisateurpose problème du fait de sa complexité mathématique. Mais cette complexitépeut néanmoins être contournée grâce aux récentes avancées dans le domainede la théorie des jeux à champs moyens, théorie qui permet de transiter d’unjeu multi-utilisateur, vers un jeu à champ moyen, à plus faible complexité. Lessimulations numériques démontrent que les stratégies de puissance retournéespar l’approche jeu à champ moyen approchent notablement les stratégies optimaleslorsqu’elles peuvent être calculées, et dépassent les performances desheuristiques communes, lorsque l’optimum n’est plus calculable, comme c’est lecas lorsque le canal varie au cours du temps.Dans la seconde partie de cettethèse, nous investiguons un possible problème dual au problème précédent. Plusspécifiquement, nous considérons une approche d’optimisation d’efficacité spectrale,à configuration de puissance constante. Pour ce faire, nous proposonsalors d’étudier l’impact sur le réseau des récentes avancées en classification d’interférence.L’analyse conduite révèle que le système peut bénéficier d’uneadaptation des traitements d’interférence faits à chaque récepteur. Ces gainsobservés peuvent également être améliorés par deux altérations de la démarched’optimisation. La première propose de redéfinir les groupes d’interféreurs decellules concurrentes, supposés transmettre sur les mêmes ressources spectrales.L’objectif étant alors de former des paires d’interféreurs “amis”, capables detraiter efficacement leurs interférences réciproques. La seconde altération portele nom de “Virtual Handover” : lorsque la classification d’interférence est considérée,l’access point offrant le meilleur SNR n’est plus nécessairement le meilleuraccess point auquel assigner un utilisateur. Pour cette raison, il est donc nécessairede laisser la possibilité au système de pouvoir choisir par lui-même la façondont il procède aux assignations des utilisateurs. Le processus d’optimisationse décompose donc en trois parties : i) Définir les coalitions d’utilisateurs assignésà chaque access point ; ii) Définir les groupes d’interféreurs transmettantsur chaque ressource spectrale ; et iii) Définir les stratégies de transmissionet les traitements d’interférences optimaux. L’objectif de l’optimisationest alors de maximiser l’efficacité spectrale totale du système après traitementde l’interférence. Les différents algorithmes utilisés pour résoudre, étape parétape, l’optimisation globale du système sont détaillés. Enfin, des simulationsnumériques permettent de mettre en évidence les gains de performance potentielsofferts par notre démarche d’optimisation. / In this thesis, we investigate two techniques used for enhancing the energy orspectral efficiency of the network. In the first part of the thesis, we propose tocombine the network future context prediction capabilities with the well-knownlatency vs. energy efficiency tradeoff. In that sense, we consider a proactivedelay-tolerant scheduling problem. In this problem, the objective consists ofdefining the optimal power strategies of a set of competing users, which minimizesthe individual power consumption, while ensuring a complete requestedtransmission before a given deadline. We first investigate the single user versionof the problem, which serves as a preliminary to the concepts of delay tolerance,proactive scheduling, power control and optimization, used through the first halfof this thesis. We then investigate the extension of the problem to a multiusercontext. The conducted analysis of the multiuser optimization problem leads toa non-cooperative dynamic game, which has an inherent mathematical complexity.In order to address this complexity issue, we propose to exploit the recenttheoretical results from the Mean Field Game theory, in order to transitionto a more tractable game with lower complexity. The numerical simulationsprovided demonstrate that the power strategies returned by the Mean FieldGame closely approach the optimal power strategies when it can be computed(e.g. in constant channels scenarios), and outperform the reference heuristicsin more complex scenarios where the optimal power strategies can not be easilycomputed.In the second half of the thesis, we investigate a dual problem to the previousoptimization problem, namely, we seek to optimize the total spectral efficiencyof the system, in a constant short-term power configuration. To do so, we proposeto exploit the recent advances in interference classification. the conductedanalysis reveals that the system benefits from adapting the interference processingtechniques and spectral efficiencies used by each pair of Access Point (AP) and User Equipment (UE). The performance gains offered by interferenceclassification can also be enhanced by considering two improvements. First, wepropose to define the optimal groups of interferers: the interferers in a samegroup transmit over the same spectral resources and thus interfere, but can processinterference according to interference classification. Second, we define theconcept of ’Virtual Handover’: when interference classification is considered,the optimal Access Point for a user is not necessarily the one providing themaximal SNR. For this reason, defining the AP-UE assignments makes sensewhen interference classification is considered. The optimization process is thenthreefold: we must define the optimal i) interference processing technique andspectral efficiencies used by each AP-UE pair in the system; ii) the matching ofinterferers transmitting over the same spectral resources; and iii) define the optimalAP-UE assignments. Matching and interference classification algorithmsare extensively detailed in this thesis and numerical simulations are also provided,demonstrating the performance gain offered by the threefold optimizationprocedure compared to reference scenarios where interference is either avoidedwith orthogonalization or treated as noise exclusively.

Cette thèse est consacrée à l'étude des interactions entre la théorie des jeux et la théorie de l'information, ainsi qu'à leurs applications aux réseaux de communication décentralisés. D'une part, la théorie des jeux apporte des réponses aux problèmes d'optimisation dans lesquels des agents interagissent. Dans un jeu, les joueurs choisissent des actions et obtiennent des gains appelés utilités. Les hypothèses sur l'information que possèdent les joueurs avant de jouer sont fondamentales pour déterminer l'issue d'un jeu, aussi appelée équilibre. Lorsque le même jeu est répété d'étape en étape et que les joueurs n'observent pas les actions passées parfaitement,alors les utilités d'équilibre ne sont pas connues. D'autre part, la théorie de l'information étudie les performances d'un système communicant. De nos jours, les réseaux de communication sont tellement denses qu'ils ne peuvent plus s'organiser autour d'un unique opérateur central. La théorie des jeux est appropriée pour étudier de nouvelles organisations du traitement de l'information dans lesquelles les décisions sont prises localement. Dans un premier temps, au chapitre3, nous étudions le jeu du contrôle de puissance efficace du point de vue énergétique, grâce aux résultats existants pour les jeux répétés. Les émetteurs sont considérés comme des joueurs et choisissent la puissance d'émission du signal, considérée comme leur action. L'objectif d'un joueur est de choisir une puissance optimale pour la qualité de sa propre communication. Même si les joueurs n'observent pas les actions passées de manière parfaite, nous montrons que l'observation du "ratio signal sur interférence plus bruit" est suffisante pour garantir des résultats d'équilibre optimaux pour le réseau de communication. Dans un second temps, nous utilisons les outils de la théorie de l'information pour approfondir l'étude de la circulation de l'information parmi les joueurs. Dans le chapitre 4, un encodeur envoie un signal supplémentaire aux joueurs afin qu'ils observent parfaitement les actions jouées à l'étape précédente. L'observation des joueurs devient suffisamment précise pour nous permettre de retrouver l'ensemble des utilités d'équilibre du jeu répété. Ces résultats sont à leur tour exploités afin de modéliser des réseaux de communication plus réalistes et d'y apporter des solutions nouvelles. Dans le chapitre5, nous approfondissons l'étude des utilités d'équilibre lorsque les joueurs observent les actions passées à travers un canal d'observation arbitraire. Nous démontrons un résultat d'atteignabilité pour un canal multi-utilisateurs avec états qui comporte un encodeur, deux récepteurs légitimes et un espion. Ce résultat nous permet d'étudier les corrélations entre les suites d'actions qu'un groupe de joueurs peut mettre en oeuvre à l'insu d'un joueur opposant. L'étude des canaux multiutilisateurs est un pas en avant vers la caractérisation des utilités d'équilibre dans un jeu répété avec observation imparfaite.

La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) est l’une des techniques de base qui offre une diversité spatiale. Elle associe plusieurs antennes à l’émission et à la réception. En plus de la diversité spatiale, le système MIMO permet d’augmenter le gain de multiplexage sans avoir besoin de plus de bande passante ou de puissance d’émission. Cependant, la technique MIMO a des limites liées au coût d’installation de plusieurs antennes sur un terminal, et a l’écart minimal exigé entre les antennes. La communication coopérative a été proposée comme une technologie alternative, dans laquelle la diversité spatiale peut être réalisée en coordonnant plusieurs nœuds qui sont proches géographiquement pour former des réseaux d’antennes virtuelles. La coopération permet de lutter contre l’instabilité du canal radio et de faire face aux phénomènes qui le perturbent comme les évanouissements, les bruits, ou les interférences. Elle permet aussi d’améliorer les performances du système en termes de débit global, d’énergie consommée et d’interférences, etc. Dans le cadre des communications coopératives, nous avons proposé deux protocoles MAC coopératifs dans le contexte des réseaux ad hoc. La première proposition est le protocole RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine la coopération avec un mécanisme d’adaptation de débit. Lorsqu’un lien entre une source et une destination subit de mauvaises conditions de canal, une station relais est sélectionnée dans le voisinage des deux nœuds de sorte que la liaison directe à faible débit de transmission soit remplacée par un lien à deux sauts avec un débit de données plus élevé. La sélection du meilleur relais est fondée sur un processus de contention distribué. La procédure ne nécessite aucune connaissance de la topologie et aucune communication entre les relais potentiels. Lorsque la qualité de la liaison directe est bonne et que la transmission coopérative n’est pas nécessaire, le protocole fonctionne comme un mécanisme d’adaptation de débit. L’adaptation de débit de données est également réalisée sans aucune signalisation supplémentaire. La sélection du meilleur relais et l’adaptation de débit sont fondés sur des mesures instantanées du canal pour s’adapter aux conditions dynamiques du canal radio. Dans le but d’améliorer davantage les performances du système, nous avons proposé notre deuxième protocole MAC coopératif PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine un mécanisme d’adaptation de puissance et de débit (TPRC : Transmit Power and Rate Control) avec un mécanisme de coopération. C’est en cela que cette contribution se distingue des solutions proposées dans la littérature. Notre objectif avec cette contribution est d’atteindre une efficacité d’énergie pour la transmission des données tout en augmentant le débit global du réseau. PRACT propose d’ajuster dynamiquement la puissance et le débit de transmission en s’adaptant aux variations de la qualité du canal radio. Cela permet de gagner davantage dans l’énergie économisée. En outre, le contrôle de puissance, réduit les interférences et augmente la réutilisation spatiale entre cellules ad hoc adjacentes en utilisant la même fréquence de transmission. L’idée de base du protocole est de permettre à chaque nœud dans le réseau ad hoc de créer une table avec les combinaisons puissance-débit optimales, en se fondant seulement sur les spécifications de la carte réseau, à savoir, les débits de transmission possible et la consommation en énergie de la carte. Avec la connaissance des qualités des liens obtenue grâce à l’échange des trames de contrôle et en recherchant dans la table puissance-débit, les nœuds choisissent la stratégie de transmission la plus adaptée pour chaque transmission de trames de données, ainsi que le mode de transmission (direct ou coopératif). / MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) technology is one of the basic techniques that offer a spatial diversity. It combines multiple antennas for transmission and reception. In addition to spatial diversity, MIMO can increase the multiplexing gain without requiring more bandwidth or transmit power. However, the MIMO technology has limitations related to the cost of installing multiple antennas on a terminal, and to the minimum distance required between antennas. The cooperative communication has been proposed as an alternative technology, in which the spatial diversity can be achieved by coordinating multiple nodes that are geographically close to form virtual antenna arrays. Cooperation helps to fight against the instability of the radio channel and deal with phenomena that disturb this channel like fading, noise or interference. It also improves system performance in terms of overall throughput, energy consumption and interference, etc. In the context of cooperative communications, we proposed two MAC protocols in the context of cooperative ad-hoc networks. The first proposal is the RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission) protocol. This protocol combines cooperation with a rate adaptation mechanism. When a link between a source and a destination suffers from poor channel conditions, a relay station is selected in the neighborhood of the two nodes so that the direct low data-rate link is replaced by a two-hop link with a higher data-rate. Selecting the best relay is based on a distributed contention process. The procedure requires no knowledge of the topology and no communication between the potential relay. When the quality of the direct link is good enough and the cooperative transmission is not necessary, the protocol operates as a rate adaptation mechanism. The data rate adaptation is also performed without any additional signaling. Both the best relay selection and the rate adaptation is based only on the instantaneous channel measurements to adapt to the dynamic conditions of the radio channel. In order to further improve the system performance, we proposed our second cooperative MAC protocol PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). This protocol combines a power and rate control mechanism (TPRC: Transmit Power and Rate Control) with a mechanism for cooperation, this feature distinguishes this contribution from the solutions proposed in the literature. Our objective with this contribution is to achieve energy efficiency for data transmission while increasing the overall throughput of the network. PRACT proposes to dynamically adjust dynamically the power and the transmission rate to adapt to the radio channel quality variations. This way more energy can be saved. In addition, the power control reduces interference and increases the spatial reuse between adjacent ad-hoc cells using the same channel transmission frequency. The basic idea of the protocol is to allow each node in the network to create a table with the best power-rate combinations, based only on the specifications of the network card, namely the possible transmission rates, transmit power levels and the power consumption of the card. With the knowledge of the qualities of links obtained through the exchange of the control frames and looking up in the power-rate table, the nodes choose the most suitable transmission strategy, for each data frame transmission, and the transmission mode (direct or cooperative).

Le travail de recherche présenté dans cette thèse est basé sur l’étude du protocole de communication par satellite appelé « Enhanced Spread Spectrum Aloha » (E-SSA) et créé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 2009. Il s’agit d’une technique qui permet à un terminal d’envoyer des messages courts par satellite de manière totalement asynchrone. L’intérêt est de maximiser l’efficacité spectrale tout en gardant une complexité minimale du terminal grâce aux techniques d’étalement de spectre et d’annulation d’interférences (SIC). Alors qu’au départ le protocole E-SSA avait pour but d’apporter un support physique pour des applications destinées à des terminaux mobiles en bande S, les développements se sont récemment étendus à une gamme de terminaux fixes dans des bandes de fréquence différentes (C, Ku ou Ka). À partir de ces deux modèles d’utilisation de l’E-SSA, ce travail de recherche se concentre sur la mise en place de solutions techniques permettant d’augmenter significativement la capacité globale du système. Cela est possible à travers une optimisation des différents paramètres du protocole et la conception d’algorithmes de gestion des puissances des terminaux. / The work presented in this thesis focuses on the satellite communication protocol named “Enhanced Spread Spectrum Aloha” (E-SSA) and developed in 2009 by the European Space Agency (ESA). The E-SSA structure, based on fully asynchronous random access, perfectly copes with low-duty cycle bursty transmissions adapted to satellite messaging. High performance in terms of spectral efficiency is possible by exploiting iterative successive interference cancellation (SIC) while keeping minimal complexity at the terminal side. If the first exploitation of the protocol concerned mobile applications in S-band, it has been extended to fleets of fixed terminals in other frequency bandwidths (C, Ku or Ka). Starting from these two scenarios, this thesis proposes different innovations to further boost the E-SSA global system capacity. These technical solutions particularly include a fine optimization of protocol parameters and new power control algorithms.