L'hétérogénéité et l’irrégularité croissante des déploiements des réseaux sans fil de nouvelles générations soulèvent des défis importants dans l’évaluation de performances de ces réseaux. Les modèles classiques s’appuyant sur des modèles hexagonaux pour décrire les emplacements géographiques des nœuds de transmission sont difficilement adaptables à ces réseaux. Dans ce contexte, il a été proposé un nouveau paradigme de modélisation des réseaux sans fil qui s’appuie sur les processus ponctuels de Poisson (PPP), et de manière générale sur la géométrie stochastique. L'analyse, au travers de ces outils mathématiques, présente une complexité indépendante de la taille du réseau, et permet d’estimer avec précision des quantités pratiques liées aux performances des réseaux cellulaires. Cette thèse a porté sur la faisabilité mathématique de l'approche fondée sur les PPP en proposant de nouvelles méthodes mathématiques d’approximations justes incorporant des modèles de propagation du canal radio. Dans un premier temps, un nouveau cadre mathématique, considéré comme une approche Equivalent-in-Distribution (EiD), a été proposée pour le calcul exact de la probabilité d'erreur dans les réseaux cellulaires. L'approche proposée, s’appuyant donc sur la géométrie aléatoire et des modèles spatiaux, montre une complexité faible en terme d’évaluation numérique et est applicable à un grand nombre de configurations MIMO pour lesquelles nous considérons différentes techniques de modulation et techniques de récupération du signal. Dans un deuxième temps, nous étudions les performances des réseaux cellulaires en présence de relais, où trois processus ponctuels de Poisson modélisent respectivement les nœuds relais, les stations de base, et les terminaux mobiles. Pour ce modèle, nous avons considéré des critères souples d'association. Le cadre mathématique proposé et les résultats associés ont montré que les performances dépendent fortement des exposants des fonctions d’atténuation sur les deux premiers sauts sans fil. Nous montrons aussi qu’une mauvaise configuration du réseau peut amener à des gains négligeables de l’utilisation de cette technique. Enfin, nous considérons la modélisation des réseaux cellulaires au travers d’un PPP et d’un modèle unifié d'atténuation de signal généralisée qui prend en compte deux types de liaisons physiques : line-of-sight (LOS) et non-line-of-sight (NLOS). Un modèle de complexité réduite décrivant les propriétés de la liaison radio a aussi été proposée et permet de prendre en compte dans nos calculs un grand nombre de modèle radio proposés dans la littérature. Les résultats montrent, entre autres, qu’une densité optimale pour le déploiement des BS existe lorsque les liens LOS/NLOS sont classés en fonction de leur charge. Nous comparons nos résultats, s’appuyant donc sur un PPP pour modéliser la position des stations de bases et notre modèle de canal radio, avec des simulations de Monte Carlo décrivant des déploiements réels de stations de bases et un modèle de type blocages de construction empiriques. Une bonne correspondance est observée. / The increasing heterogeneity and irregular deployment of the emerging wireless networks give enormous challenges to the conventional hexagonal model for abstracting the geographical locations of wireless transmission nodes. Against this backdrop, a new network paradigm by modeling the wireless nodes as a Poisson Point Process (PPP), leveraging on the mathematical tools of stochastic geometry for tractable mathematical analysis, has been proposed with the capability of fairly accurately estimating the performance of practical cellular networks. This dissertation investigated the mathematical tractability of the PPP-based approach by proposing new mathematical methodologies, fair approximations incorporating practical channel propagation models. First, a new mathematical framework, which is referred to as an Equivalent-in-Distribution (EiD)-based approach, has been proposed for computing exact error probability of cellular networks based on random spatial networks. The proposed approach is easy to compute and is shown to be applicable to a bunch of MIMO setups where the modulation techniques and signal recovery techniques are explicitly considered. Second, the performance of relay-aided cooperative cellular networks, where the relay nodes, the base stations, and the mobile terminals are modeled according to three independent PPPs, has been analyzed by assuming flexible cell association criteria. It is shown from the mathematical framework that the performance highly depends on the path-loss exponents of one-hop and two-hop links, and the relays provide negligible gains on the performance if the system is not adequately designed. Third, the PPP modeling of cellular networks with unified signal attenuation model is generalized by taking into account the effect of line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) channel propagation. A tractable yet accurate link state model has been proposed to estimate other models available in the literature. It is shown that an optimal density for the BSs deployment exists when the LOS/NLOS links are classified in saturate load cellular networks. In addition, the Monte Carlo simulation results of the real BSs deployments with empirical building blockages are compared with those with PPP distributed BSs with the proposed link state approximation at the end of this dissertation as supplementary material. In general, a good matching is observed.

La radiothérapie par modulation d’intensité est une technique avancée de traitement du cancer qui utilise de nombreux faisceaux de photons dont les intensités sont modulées. Avec cette méthode, des compromis entre la couverture de la zone à traiter et la sauvegarde des organes à risque sont nécessaires et dépendent du planificateur. Pour accélérer, uniformiser et accroître la qualité des planifications futures, le présent mémoire propose des métriques basées sur la géométrie spécifique des patients. Pour ce faire, une étude rétrospective a été conduite. Certains indices dosimétriques d’intérêt ont été mis en relation avec des paramètres géométriques simples. Un modèle de frontières stochastiques a été adapté pour déterminer les frontières inférieures des distributions par une méthode de maximisation de la vraisemblance. La validité de la méthode a été testée. L’impact de l’implantation en clinique d’une métrique simple en ORL a finalement été évalué.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La géométrie stochastique est un outil puissant pour modéliser des grands réseaux sans fil avec une grande variation de la position des nœuds. Dans ce cadre, une hypothèse courante est que l'emplacement des nœuds forme une réalisation d'un processus ponctuel de Poisson (PPP). En utilisant les résultats disponibles concernant la transformée de Laplace du processus bruit de grenaille associé à des PPPs, on peut obtenir des solutions de forme fermée des métriques de performance de réseau telles que la probabilité d'accès au médium (MAP), la probabilité de couverture (COP) et de la densité spatiale de débit (SDT). Cependant, dans de nombreux déploiements de réseaux sans fil, il y a un mécanisme de détection des porteuses(CS) pour empêcher nœuds qui sont trop proches les uns des autres de transmettre en même temps. Dans ces réseaux, le processus des nœuds qui transmettent simultanément à tout moment ne forme plus une réalisation d'un PPP, ce qui rend l'analyse des performances des réseaux dans ces cas, un problème difficile. L'objectif de cette thèse est d'étudier ce problème dans deux directions. Dans la première direction, nous proposons un cadre complet de la géométrie stochastique qui utilise des processus ponctuels avec exclusion pour modéliser des transmetteurs dans différents types de réseaux sans fil avec un mécanisme de CS. Les réseaux considérés sont les réseaux à accès multiple en cherchant à détecter une porteuse (Carrier Sensing Multiple Access-CSMA) avec un mécanisme de détection (CS) parfait, les réseaux de radio-communications cognitifs où les utilisateurs secondaires utilisent la détection de porteuse pour détecter les utilisateurs principaux et les réeseaux CSMA avec un CS imparfait. Pour les deux premiers cas, nous dérivons des approximations des métriques de performances principales de réseau, c'est-à-dire la MAP, la COP et la SDT. Pour le dernier cas, nous donnons des bornes sur la densité spatiale critique des nœuds où CSMA commence à se comporter comme ALOHA (c'est-à-dire le processus de des nœuds qui transmettent simultanément dans le réseau forme une réalisation d'un PPP). Bien que ce phénomène ait été étudié auparavant par simulations, aucun résultat d'analyse n'a été connu à de notre connaissance. Dans la seconde direction, nous étudions la distribution processus ponctuel s' associés avec les classique Matérn modèles de type II et type III [Matérn 68]. Ce sont les deux modèles utilisés pour modéliser les réseaux CSMA avec un CS parfait. Bien que ces modèles aient été introduits il y a longtemps et qu'ils aient de nombreuses applications dans de nombreuses disciplines, la distribution de leurs processus ponctuels associés et la transformation de Laplace des processus bruit de grenaille correspondant est encore un problème ouvert. Nous montrons ici que la fonctionnelle génératrice des probabilités de ces processus ponctuels, lorsqu'elle est correctement paramétrée, est la solution unique de certain système d'équations différentielles. Grace à l'utilisation de ce système d'équations, on peut obtenir une borne inférieure et une borne supérieure de ces fonctionnelle. Ce résultat peut ensuite être appliqué au cadre de la géométrie stochastique mentionnée ci-dessus pour mieux connecter les cadres d'analyse mathématiques et les déploiements de réseaux pratiques.

La tâche de répondre à une demande croissante pour une meilleure qualité de l'expérience utilisateur dans les communications sans fil, est contestée par la quantité d'énergie consommée par les technologies concernées et les méthodes employées. Sans surprise, le problème de la réduction de la consommation d'énergie doit être abordé à diverses couches de l'architecture de réseau et de diverses directions. Cette thèse traite de certains aspects cruciaux de la couche physique de l'architecture de réseau sans fil afin de trouver des solutions efficaces d'énergie. Dans la première partie de cette thèse, nous explorons l'idée de l'efficacité énergétique à un niveau fondamental. A commencer par répondre aux questions telles que: - Qu'est-ce que la forme physique d'information ?, nous construisons un dispositif de communication simple afin d'isoler certaines étapes clés dans le processus physique de la communication et nous dire comment elles affectent l'efficacité énergétique d'une communication système. Dans la deuxième partie, nous utilisons des outils de la géométrie stochastique pour modéliser théoriquement réseaux cellulaires afin d'analyser l'efficacité énergétique du système. L'exploitation de la traçabilité d'une telle modélisation mathématique, nous explorons les conditions dans lesquelles la consommation d'énergie peut être réduite. En outre, dans cette partie, nous introduisons le concept de la mise en cache des données des utilisateurs à la périphérie du réseau (à savoir le final ac BS qui est en contact avec l'utilisateur) et de montrer quantitativement comment la mise en cache peut aider à améliorer l'efficacité énergétique d'un cellulaire réseau. Nous tenons également à ce traitement à un ac Hetnet scénario (à savoir quand il y a plus d'un type de glspl déployé BS) et étudions divers indicateurs de performance clés. Nous explorons également les conditions où l'efficacité énergétique d'un tel système peut être améliorée. Les résultats de thèse fournissent quelques idées clés pour améliorer l'efficacité énergétique dans un réseau cellulaire sans fil contribuant ainsi à l'avancement vers la prochaine génération (5 G) des réseaux cellulaires. / The task of meeting an ever growing demand for better quality of user experience in wireless communications, is challenged by the amount of energy consumed by the technologies involved and the methods employed. Not surprisingly, the problem of reducing energy consumption needs to be addressed at various layers of the network architecture and from various directions. This thesis addresses some crucial aspects of the physical layer of wireless network architecture in order to find energy efficient solutions.In the first part of this thesis, we explore the idea of energy efficiency at a fundamental level. Starting with answering questions such as - emph{What is the physical form of `information'?}, we build a simple communication device in order to isolate certain key steps in the physical process of communication and we comment on how these affect the energy efficiency of a communication system.In the second part, we use tools from stochastic geometry to theoretically model cellular networks so as to analyze the energy efficiency of the system. Exploiting the tractability of such a mathematical modeling, we explore the conditions under which the consumption of energy can be reduced. Further in this part, we introduce the concept of caching users' data at the edge of the network (namely the final ac{BS} that is contact with the user) and show quantitatively how caching can help improve the energy efficiency of a cellular network. We also extend this treatment to a ac{HetNet} scenario (namely when there are more than one type of glspl{BS} deployed) and study various key performance metrics. We also explore the conditions where energy efficiency of such a system can be improved.The results in thesis provide some key ideas to improve energy efficiency in a wireless cellular network thereby contributing to the advancement towards the next generation (5G) cellular networks.

Une mosaïque aléatoire est une partition aléatoire de l'espace euclidien en des polytopes appelés cellules. Ce type de structure apparaît dans divers domaines tels que la biologie cellulaire, les télécommunications et la segmentation d'images. Beaucoup de travail a déjà été effectué sur la cellule typique c'est-à-dire sur une cellule "choisie uniformément". Cependant, ces travaux ne tiennent pas compte de l'irrégularité de la mosaïque et d'éventuelles cellules pathologiques (par exemple, celles qui sont anormalement allongées ou anormalement grandes). Dans cette thèse, on étudie les mosaïques aléatoires par une approche inédite: celle des valeurs extrêmes. En pratique, on observe la mosaïque aléatoire dans une fenêtre et on considère une certaine caractéristique géométrique (comme le volume, le nombre de sommets ou le diamètre des cellules). Le problème de base est d'étudier le comportement du maximum et du minimum, voire des statistiques d'ordre, de cette caractéristique pour toutes les cellules de la fenêtre lorsque la taille de celle-ci tend vers l'infini. Une telle approche permet non seulement de mieux comprendre la régularité de la mosaïque mais aussi d'étudier la qualité d'une approximation discrète d'un ensemble par des cellules d'une mosaïque aléatoire. Cette approche pourrait également fournir une piste inédite pour discriminer les processus ponctuels. Les résultats de cette thèse portent principalement sur des théorèmes limites des extrêmes et des statistiques d'ordre pour diverses caractéristiques géométriques et diverses mosaïques aléatoires. En particulier, on obtient des vitesses de convergence en établissant de fines estimations géométriques. On déduit de l'étude du maximum des diamètres une majoration de la distance de Hausdorff entre un ensemble et son approximation dite de Poisson-Voronoï. On traite, notamment, de plusieurs aspects géométriques comme les problèmes de bord et la forme des cellules optimisantes. Enfin, dans le but de savoir comment se répartissent les cellules excédentes (celles dont la caractéristique est grande), on s'intéresse à la convergence de processus ponctuels associés et à la taille moyenne d'un cluster d'excédents. Les outils utilisés sont issus à la fois de la géométrie aléatoire (mesure de Palm, probabilités de recouvrement, formule de Slivnyak) et de la théorie des valeurs extrêmes (graphes de dépendance, méthode de Chen-Stein, indice extrême).

Dans cette thèse, nous analysons les performances des réseaux de communication à l'aide d’approches issues de la théorie des jeux. Cette thèse se présente en deux parties. La première partie étudie la performance des réseaux ad-hoc, cellulaires et de transport en tenant compte d’effets spatiaux. La deuxième partie adresse des problématiques économiques dans les réseaux de communications, liées à la réglementation de la «neutralité du réseau». Ici, nous étudions la concurrence des prix ainsi que des mécanismes de partage des revenus entre fournisseurs de services réseau.Dans la première partie, nous utilisons des modèles de jeu d’accès canal (MAC) et jeu de brouillage pour étudier les performances d'un réseau mobile ad hoc (MANET), et de jeux de routage afin d'étudier les performances d'un réseau de transport. Dans les réseaux cellulaires, nous étudions l'effet de la réduction de la densité spatiale des stations de base sur la quantité de rayonnement au corps humain (réseau vert).Les considérations géométriques jouent un rôle important dans les performances des réseaux sans fils. Par exemple, la position des nœuds affecte le niveau des interférences. Dans les MANETS, la mobilité des nœuds conduit à une observation différente du niveau d’interférences provenant de leurs voisins, et aussi due à la nature décentralisée du réseau, les utilisateurs peuvent adopter un comportement égoïste dans le partage des ressources. Afin de modéliser les propriétés géométriques du réseau ainsi que le comportement égoïste des utilisateurs, nous utilisons la géométrie stochastique et la théorie des jeux. Notre travail a développé un mécanisme de tarification et a montré qu’en définissant un prix approprié, tous les utilisateurs pouvaient être amenés à recevoir une part équitable des ressources conduisant à un optimal global des performances du réseau. Nous considérons aussi une configuration antagoniste où certain nœuds tendent à dégrader les performances du réseau en brouillant les communications des autres nœuds du réseau. Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions des aspects économiques dans les réseaux communication. Les représentants de plusieurs fournisseurs d'accès Internet (ISP) ont exprimé leur souhait de voir un changement important dans les politiques de tarification de l'Internet. En particulier, ils aimeraient voir les fournisseurs de contenu (CP) payer pour l'utilisation du réseau, compte tenu de la grande quantité de ressources qu'ils utilisent. Ce qui serait une violation flagrante du «principe de neutralité des réseaux» qui a caractérisé le développement de l'Internet filaire. La thèse a étudiée la possibilité de l’introduction d’un régulateur facilitant les interactions monétaires entre les ISP et les CP dans un régime non neutre. En utilisant des outils issus de la théorie des jeux et de la conception de mécanismes, nous avons développé deux mécanismes de négociation décidant des paiements entre les ISPs et CPs. Nous montrons que si les joueurs négocient avant de fixer les prix d’accès des utilisateurs finaux, ceci conduit à un équilibre favorable où tous les joueurs ressortent gagnant. Nous considérons également le cas où certains CPs établissent des contrats d’exclusivités avec les ISP afin d’obtenir des traitements préférentiels et en étudions l’impact sur les fournisseurs d’accès et les utilisateurs finaux. Avec la croissance du commerce de l’internet, la régulation des interactions monétaires entre différents fournisseurs de services est inévitable. Notre travail fournit des lignes directrices importantes sur la façon dont l'Internet doit être réglementé de telle sorte que les intérêts des utilisateurs finaux sont protégés / In this thesis we analyze the performance of communication networks using game theoretic approaches. The thesis is in two parts. The first part studies the performance of Ad hoc, cellular and transportation networks taking into consideration spatial effects. The second part studies economic issues in the communication networks related to the `net neutrality' regulations. Here we study price competition and revenue sharing mechanisms between the network service providers.In the first part, we use Medium Access Control (MAC) game and Jamming game models to study the performance of a Mobile Ad hoc NETwork (MANET), and routing games to study the performance of a transportation network. In the cellular networks, we study the effect of reducing the spatial density of base stations on the amount of radiation to human body (green networking). Geometric aspects play an important role in the performance of wireless networks. For example, node locations affect the amount of interference. In MANETs, the mobility results in users experiencing different amount of interference from their neighbors, and also due to decentralized nature of the network the users can be selfish in sharing the resources. To model the geometrical properties of the network and selfish behavior of the users we used stochastic geometry and game theory. Our work developed a pricing mechanism and showed that with an `appropriate' price all the users can be made to get a fair share of the resources resulting in global optimal network performance. We also considered an adversarial setting where some of the nodes aim to degrade the performance of the network by jamming other nodes’ transmissions.In the second part of the thesis, we study economics aspects in communication networks. Representatives of several Internet access providers (ISPs) have expressed their wish to see a substantial change in the Internet pricing policies. In particular, they would like to see content providers (CPs) pay for use of the network, given the large amount of resources they use. This would be in clear violation of the ``net neutrality'' principle that had characterized the development of the wireline Internet. The thesis explored possibility of a regulator facilitating monetary interactions between the ISPs and CPs in a nonneutral regime. Using tools from game theory and mechanism design we developed two bargaining mechanisms to decide payments between the ISPs and CPs. We showed that if the players bargain before they set the access prices for end users, it results in a favorable equilibrium where every player benefits. We also considered the case where some of CPs make exclusive contracts with the ISPs to get preferential treatment and studied its impact on both the service providers and the end users.As the Internet commerce grows, regulation of the monetary interaction between various service providers is unavoidable. Our work provides important policy guidelines on how the Internet should be regulated such that the end users' interests are protected

Les futures applications sans fil anticipent une explosion de la pléthore de cas d'utilisation et de services, qui ne peut être soutenue par des améliorations incrémentielles des schémas de communication existants. Pour cela, deux axes de recherche sont particulièrement intéressants: la densification du réseau à l'aide de petites cellules et la communication par ondes millimétriques (ondes millimétriques). Dans cette thèse, nous modélisons et évaluons des réseaux cellulaires constitués de petites cellules à ondes millimétriques utilisant la technique d'accès multi-radio (RAT) déployées au-dessus de la macro-architecture existante. Premièrement, nous modélisons mathématiquement un déploiement homogène de petites cellules multi-RAT et caractérisons les performances de l'utilisateur et du réseau en termes de probabilité de couverture signal sur brouillage plus rapport de bruit (SINR), de débit descendant et de probabilité de surcharge de cellule. Ensuite, nous étudions l'association des utilisateurs à différents niveaux et la sélection optimale de différents RAT, de manière à optimiser ces mesures de performance. En règle générale, les modèles de réseau cellulaire qui supposent des déploiements homogènes de petites cellules ne tiennent pas compte des nuances des caractéristiques de blocage urbain. Pour résoudre ce problème, nous modélisons les emplacements de petites cellules le long des routes d'une ville, puis nous prenons en compte les blocages de signaux dus à la construction d'immeubles ou au déplacement de véhicules sur les routes. Sur ce réseau, nous supposons que l’opérateur prend en charge trois types de services v.i.z., les communications ultra-fiables à faible temps de latence (URLLC), les communications massives de type machine (mMTC) et le haut débit mobile amélioré (eMBB) avec des besoins différents. En conséquence, nous étudions la sélection optimale de RAT pour ces services avec divers blocages de véhicules. Enfin, sur la base du modèle de déploiement sur route de petites cellules à ondes millimétriques, nous étudions un réseau conçu pour prendre en charge simultanément des services de positionnement et de données. Nous caractérisons la précision du positionnement en fonction des limites de la localisation, puis étudions des stratégies optimales de partitionnement des ressources et de sélection de la largeur de faisceau afin de répondre à diverses exigences de positionnement et de débit de données. / Future wireless applications anticipate an explosion in the plethora of use-cases and services, which cannot be sustained by incremental improvements on the existing communication schemes. For this, two research directions are particularly attractive: network densification using small cells and millimeter wave (mm-wave) wave communications. In this thesis, we model and evaluate cellular networks consisting of multi-radio access technique (RAT) mm-wave small cells deployed on top of the legacy macro-architecture. First, we mathematically model a homogeneous deployment of multi-RAT small cells and characterize the user and network performance in terms of signal to interference plus noise ratio (SINR) coverage probability, downlink throughput, and the cell overloading probability. Then, we study users association to different tiers and optimal selection of different RATs, so as to optimize these performance metrics. Generally, cellular network models that assume homogeneous deployments of small cells fail to take into account the nuances of urban blockage characteristics. To address this, we model the small cell locations along the roads of a city, and subsequently, we take into consideration the signal blockages due to buildings or moving vehicles on the roads. In this network, we assume that the operator supports three types of services v.i.z., ultra-reliable low-latency communications (URLLC), massive machine-type communications (mMTC), and enhanced mobile broadband (eMBB) with different requirements. Consequently, we study the optimal RAT selection for these services with varying vehicular blockages. Finally, based on the on-road deployment model of mm-wave small cells, we study a network designed to support positioning and data services simultaneously. We characterize the positioning accuracy based on the localization bounds and then study optimal resource partitioning and beamwidth selection strategies to address varied positioning and data-rate requirements.

Cette thèse explore le caching proactif, l'un des principaux paradigmes des réseaux cellulaires 5G utilisé en particulier le déploiement des réseaux à petites cellules (RPCs). Doté de capacités de prévisions en combinaison avec les récents développements dans le stockage, la sensibilité au contexte et les réseaux sociaux, le caching distribué permet de réduire considérablement les pics de trafic dans la demande des utilisateurs en servant de manière proactive ces derniers en fonction de leurs demandes potentielles, et en stockant les contenus à la fois dans les stations de base et dans les terminaux des utilisateurs. Pour montrer la faisabilité des techniques de caching proactif, nous abordons le problème sous deux angles différents, à savoir théorique et pratique.Dans la première partie de cette thèse, nous utiliserons des outils de géométrie stochastique pour modéliser et analyser les gains théoriques résultant du stockage dans les stations de base. Nous nous focalisons en particulier sur 1-) les réseaux ``niveau-simple" dans lesquels de petites stations de base ayant une capacité de stockage limitée, 2-) Réseaux ``niveau-multiples" avec un backbone à capacité limitée et 3-) Les réseaux ``niveau-multiples groupés" à deux topologies différentes: déploiements en fonction de la couverture et en fonction de la capacité. Nous y caractérisons les gains de stockage en termes de débit moyen fourni et de délai moyen, puis nous montrons différents compromis en fonction du nombre de stations de base, de la taille de stockage, du facteur de popularité des contenus et du débit des contenus ciblés. Dans la seconde partie de la thèse, nous nous focalisons à une approche pratique du caching proactif et nous focalisons sur l'estimation du facteur de popularité des contenus et les aspects algorithmiques. En particulier, 1-) nous établissons dans un premier lieu les gains du caching proactif à la fois au niveau des stations de base qu'au niveau des terminaux utilisateurs, en utilisant des outils récents d'apprentissage automatique exploitant le transfert des communications appareil-à-appareil (AàA); 2-) nous proposons une approche d'apprentissage sur la base de la richesse des informations transmises entre terminaux (que nous désignons par domaine source) dans le but d'avoir une meilleure estimation de la popularité des différents contenus et des contenus à stocker de manière stratégique dans les stations de base (que nous désignons par domaine cible); 3-) Enfin, pour l'estimation de la popularité des contenus en pratique, nous collectons des données de trafic d'usagers mobiles d'un opérateur de télécommunications sur plusieurs de ses stations de base pendant un certain nombre d'observations. Cette grande quantité de données entre dans le cadre du traitement ``Big Data" et nécessite l'utilisation de nouveaux mécanismes d'apprentissage automatique adaptés à ces grandes masses de données. A ce titre, nous proposons une architecture parallélisée dans laquelle l'estimation de la popularité des contenus et celle du stockage stratégique au niveau des stations de base sont faites simultanément. Nos résultats et analyses fournissent des visions clés pour le déploiement du stockage de contenus dans les petites stations de base, l'une des solutions les plus prometteuses des réseaux cellulaires mobiles hétérogènes 5G. / This thesis explores one of the key enablers of 5G wireless networks leveraging small cell network deployments, namely proactive caching. Endowed with predictive capabilities and harnessing recent developments in storage, context-awareness and social networks, peak traffic demands can be substantially reduced by proactively serving predictable user demands, via caching at base stations and users' devices. In order to show the effectiveness of proactive caching techniques, we tackle the problem from two different perspectives, namely theoretical and practical ones.In the first part of this thesis, we use tools from stochastic geometry to model and analyse the theoretical gains of caching at base stations. In particular, we focus on 1) single-tier networks where small base stations with limited storage are deployed, 2) multi-tier networks with limited backhaul, and) multi-tier clustered networks with two different topologies, namely coverage-aided and capacity-aided deployments. Therein, we characterize the gains of caching in terms of average delivery rate and mean delay, and show several trade-offs as a function of the number of base stations, storage size, content popularity behaviour and target content bitrate. In the second part of the thesis, we take a more practical approach of proactive caching and focus on content popularity estimation and algorithmic aspects. In particular: 1) We first investigate the gains of proactive caching both at base stations and user terminals, by exploiting recent tools from machine learning and enabling social-network aware device-to-device (D2D) communications; 2) we propose a transfer learning approach by exploiting the rich contextual information extracted from D2D interactions (referred to as source domain) in order to better estimate the content popularity and cache strategic contents at the base stations (referred to as target domain); 3) finally, to estimate the content popularity in practice, we collect users' real mobile traffic data from a telecom operator from several base stations in hours of time interval. This amount of large data falls into the framework of big data and requires novel machine learning mechanisms to handle. Therein, we propose a parallelized architecture in which content popularity estimation from this data and caching at the base stations are done simultaneously.Our results and analysis provide key insights into the deployment of cache-enabled small base stations, which are seen as a promising solution for 5G heterogeneous cellular networks.

L'objectif de cette thèse est d'étudier certains aspects des réseaux coopératifs sans fils à l'aide de la géométrie stochastique. Ça permets de considérer la distribution spatiale aléatoire des utilisateurs et les effets adverses de leur interaction, comme l’interférence.Nous étudions la performance, évaluée par la probabilité d'outage, atteignable dans un canal de relai full-duplex quand les nœuds opèrent dans un grand réseau sans fils où les émetteurs interférants sont modelés avec un processus ponctuel de Poisson homogène. Nous trouvons la probabilité d'outage des protocoles décodez-et-renvoyez (decode-and-forward, DF), et comprimez-et-renvoyez (compress-and-forward) et nous faisons une comparaison avec une transmission point à point et un protocole DF half-duplex. Ensuite, nous étudions une situation plus générale dans laquelle les émetteurs qui causent l'interférence peuvent aussi utiliser un relai ou faire des transmissions point à point. Nous étudions la relation entre les avantages de la cooperation et l'interférence qu'elle même génère.Dans la deuxième partie nous étudions la performance des stratégies de partage de vidéos par communications entre dispositifs mobiles (device-to-device, D2D) hors de la bande des communications cellulaires. Nous étudions la fraction des demandes de vidéos qui peuvent être satisfaites par D2D, c’est-à-dire, par le biais des émissions locales, plutôt que par la station de base. Pour étudier ce problème, nous introduisons un modèle de processus ponctuel, qui considère la stratégie de stockage dans les utilisateurs, le problème de comment lier les utilisateurs et les problèmes de la transmission et coordination entre les utilisateurs. / The main goal of this work is to study cooperative aspects of large wireless networks from the perspective of stochastic geometry. This allows the consideration of important effects such as the random spatial distribution of nodes, as well as the effects of interference and interference correlation at receivers, which are not possible when a single link is considered in isolation.First, some aspects of the performance of the relay channel in the context of a large wireless network are considered. Mainly, the performance, in terms of outage probability (OP), of a single full-duplex relay channel utilizing decode-and-forward (DF) or compress-and-forward, when the interference is generated by uniform spatial deployment of nodes, modeled as a Poisson point process. The OP performance of these two protocols is compared with a point-to-point transmission and with a half-duplex DF protocol. Afterwards, the case in which more than one transmitter in the network may use a relay is considered. The effects of cooperation versus interference are studied, when the users use either full-duplex DF, or point-to-point transmissions. In a second phase, this work explores the advantages that could be obtained through out-of-band device-to-device (D2D) video file exchanges in cellular networks. These advantages are measured in terms of the fraction of requests that can be served in a time-block through D2D, thus avoiding a downlink file transfer from the base station. For this, a stochastic geometry framework is introduced, in which the user file-caching policy, user pairing strategy, and link quality and scheduling issues are considered.