Les communications de type machine-à-machine M2M sont considérées comme des formes de communication de données qui ne requièrent pas nécessairement d'interaction humaine. Cependant, ce type de communication n'est pas efficace dans les réseaux cellulaires, en raison de leurs caractéristiques spécifiques, telles que. L'objectif de cette thèse est de proposer des mécanismes et d'optimiser les techniques de la couche d'accès radio LTE pour les communications M2M. Pour l'accès au canal de liaison montante, nous proposons deux méthodes afin d'améliorer la performance d'accès aléatoire en terme de latence et de consommation énergétique: une méthode d'agrégation de paquets et une autre de transmission multiple pendant l'intervalle de temps de transmission. Afin de réduire encore plus le temps de latence de liaison montante et permettre une connexion d'un grand nombre de machines au réseau, nous proposons une nouvelle méthode d'accès basée sur la contention CBA pour éviter d'une part la signalisation redondante pour accéder au canal et d'autre part la latence de l'ordonnanceur. Pour la réception de liaison descendante, nous proposons deux méthodes pour analyser les performances du mécanisme de réception discontinu DRX pour les applications M2M: la première se base sur une distribution de Poisson, la suivante sur une distribution Pareto pour le trafic sporadique. Avec les modèles proposés, le facteur d'économie d’énergie et la latence pour transiter du mode sommeil au mode actif peuvent être estimés avec précision pour un choix donné de paramètres DRX, permettant ainsi de sélectionner ceux permettant d'atteindre le compromis optimal. / Machine type communications is seen as a form of data communication, among devices and/or from devices to a set of servers, that do not necessarily require human interaction. However, it is challenging to accommodate MTC in LTE as a result of its specific characteristics and requirements. The aim of this thesis is to propose mechanisms and optimize the access layer techniques for MTC in LTE. For uplink access, we propose two methods to improve the performance of random access in terms of latency: a packet aggregation method and a Transmission Time Interval bundling scheme. To further reduce the uplink latency and enable massive number of connected device, we propose a new contention based access method (CBA) to bypass both the redundant signaling in the random access procedure and also the latency of regular scheduling. For downlink reception, we propose two methods to analyze the performance of discontinuous reception DRX mode for MTC applications: the first with the Poisson distribution and the second with the Pareto distribution for sporadic traffic. With the proposed models, the power saving factor and wake up latency can be accurately estimated for a given choice of DRX parameters, thus allowing to select the ones presenting the optimal tradeoff.

Internet of Things (IoT) refers to the interconnection of uniquely identifiable smart devices which enables them to participate more actively in everyday life. Among large-scale applications, machine-type communications (MTC) supported by cellular networks will be one of the most important enablers for the success of IoT. The existing cellular infrastructure has been optimized for serving a small number of long-lived human-oriented communications (HoC) sessions, originated from smartphones whose batteries are charged in a daily basis. As a consequence, serving a massive number of non-rechargeable machine-type devices demanding a long battery lifetime is a big challenge for cellular networks. The present work is devoted to energy consumption modeling, battery lifetime analysis, and lifetime-aware network design for massive MTC services over cellular networks. At first, we present a realistic model for energy consumption of machine devices in cellular connectivity, which is employed subsequently in deriving the key performance indicator, i.e. network battery lifetime. Then, we develop an efficient mathematical foundation and algorithmic framework for lifetime-aware clustering design for serving a massive number of machine devices. Also, by extending the developed framework to non-clustered MTC, lifetime-aware uplink scheduling and power control solutions are derived. Finally, by investigating the delay, energy consumption, spectral efficiency, and battery lifetime tradeoffs in serving coexistence of HoC and MTC traffic, we explore the ways in which energy saving for the access network and quality of service for HoC traffic can be traded to prolong battery lifetime for machine devices. The numerical and simulation results show that the proposed solutions can provide substantial network lifetime improvement and network maintenance cost reduction in comparison with the existing approaches. / <p>QC 20161103</p>

Avec le nombre croissant d’appareils intelligents à faible puissance, au cours ces dernières années, la question de l’efficacité énergétique a joué un rôle de plus en plus indispensable dans la conception des systèmes de communication. Cette thèse vise à concevoir des schémas de transmission distribués à faible consommation d’énergie pour les réseaux sans fil, utilisant la théorie des jeux et le codage réseau instantanément décodable (IDNC), qui est une sous-classe prometteuse du codage réseau. En outre, nous étudions le modèle de l'échange coopératif de donnée (CDE) dans lequel tous les périphériques coopèrent en échangeant des paquets codés dans le réseau, jusqu’à ce qu’ils récupèrent tous l’ensemble des informations requises. En effet, la mise en œuvre du CDE basé sur l’IDNC soulève plusieurs défis intéressants, notamment la prolongation de la durée de vie du réseau et la réduction du nombre de transmissions afin de répondre aux besoins des applications temps réel. Par conséquent, contrairement à la plupart des travaux existants concernant l’IDNC, nous nous concentrons non seulement sur le délai, mais également sur l’énergie consommée. En premier lieu, nous étudions le problème de minimisation de l’énergie consommée et du délai au sein d’un petit réseau IDNC coopératif, entièrement connecté et à faible puissance. Nous modélisons le problème en utilisant la théorie des jeux coopératifs de formation de coalitions. Nous proposons un algorithme distribué (appelé “merge and split“) permettant aux nœuds sans fil de s’auto-organiser, de manière distribuée, en coalitions disjointes et indépendantes. L’algorithme proposé garantit une consommation d’énergie réduite et minimise le délai de complétion dans le réseau clustérisé résultant. Par ailleurs, nous ne considérons pas seulement l'énergie de transmission, mais aussi la consommation de l'énergie de calcul des nœuds. De plus, nous nous concentrons sur la question de la mobilité et nous analysons comment, à travers la solution proposée, les nœuds peuvent s’adapter à la topologie dynamique du réseau. Par la suite, nous étudions le même problème au sein d’un réseau large et partiellement connecté. En effet, nous examinons le modèle de CDE multi-sauts. Dans un tel modèle, nous considérons que les nœuds peuvent choisir la puissance d’émission et change ainsi de rayon de transmission et le nombre de voisin avec lesquels il peut entrer en coalition. Pour ce faire, nous modélisons le problème avec un jeu à deux étages; un jeu non-coopératif de contrôle de puissance et un jeu coopératif de formation de coalitions. La solution optimale du premier jeu permet aux joueurs de coopérer à travers des rayons de transmission limités en utilisant la théorie des jeux coopérative. En outre, nous proposons un algorithme distribué “merge and split“ afin de former des coalitions dans lesquelles les joueurs maximisent leurs utilités en termes de délai et de consommation d’énergie. La solution proposée permet la création d’une partition stable avec une interférence réduite et une complexité raisonnable. Nous démontrons que la coopération entre les nœuds au sein du réseau résultant, permet de réduire considérablement la consommation d’énergie par rapport au modèle coopératif optimal qui maintient le rayon de transmission maximal. / With significantly growing number of smart low-power devices during recent years, the issue of energy efficiency has taken an increasingly essential role in the communication systems’ design. This thesis aims at designing distributed and energy efficient transmission schemes for wireless networks using game theory and instantly decodable network coding (IDNC) which is a promising network coding subclass. We study the cooperative data exchange (CDE) scenario in which all devices cooperate with each other by exchanging network coded packets until all of them receive all the required information. In fact, enabling the IDNC-based CDE setting brings several challenges such us how to extend the network lifetime and how to reduce the number of transmissions in order to satisfy urgent delay requirements. Therefore, unlike most of existing works concerning IDNC, we focus not only on the decoding delay, but also the consumed energy. First, we investigate the IDNC-based CDE problem within small fully connected networks across energy-constrained devices and model the problem using the cooperative game theory in partition form. We propose a distributed merge-and-split algorithm to allow the wireless nodes to self-organize into independent disjoint coalitions in a distributed manner. The proposed algorithm guarantees reduced energy consumption and minimizes the delay in the resulting clustered network structure. We do not only consider the transmission energy, but also the computational energy consumption. Furthermore, we focus on the mobility issue and we analyse how, in the proposed framework, nodes can adapt to the dynamic topology of the network. Thereafter, we study the IDNC-based CDE problem within large-scale partially connected networks. We considerate that each player uses no longer his maximum transmission power, rather, he controls his transmission range dynamically. In fact, we investigate multi-hop CDE using the IDNC at decentralized wireless nodes. In such model, we focus on how these wireless nodes can cooperate in limited transmission ranges without increasing the IDNC delay nor their energy consumption. For that purpose, we model the problem using a two-stage game theoretical framework. We first model the power control problem using non-cooperative game theory where users jointly choose their desired transmission power selfishly in order to reduce their energy consumption and their IDNC delay. The optimal solution of this game allows the players at the next stage to cooperate with each other through limited transmission ranges using cooperative game theory in partition form. Thereafter, a distributed multihop merge-and-split algorithm is defined to form coalitions where players maximize their utilities in terms of decoding delays and energy consumption. The solution of the proposed framework determines a stable feasible partition for the wireless nodes with reduced interference and reasonable complexity. We demonstrate that the co-operation between nodes in the multihop cooperative scheme achieves a significant minimization of the energy consumption with respect to the most stable cooperative scheme in maximum transmission range without hurting the IDNC delay.

El mundo de las telecomunicaciones está cambiando de un escenario donde únicamente las personas estaban conectadas a un modelo donde prácticamente todos los dispositivos y sensores se encuentran conectados, también conocido como Internet de las cosas (IoT), donde miles de millones de dispositivos se conectarán a Internet a través de conexiones móviles y redes fijas. En este contexto, hay muchos retos que superar, desde el desarrollo de nuevos estándares de comunicación al estudio de la viabilidad económica de los posibles escenarios futuros. En esta tesis nos hemos centrado en el estudio de la viabilidad económica de diferentes escenarios mediante el uso de conceptos de microeconomía, teoría de juegos, optimización no lineal, economía de redes y redes inalámbricas. La tesis analiza la transición desde redes centradas en el servicio de tráfico HTC a redes centradas en tráfico MTC desde un punto de vista económico. El primer escenario ha sido diseñado para centrarse en las primeras etapas de la transición, en la que ambos tipos de tráfico son servidos bajo la misma infraestructura de red. En el segundo escenario analizamos la siguiente etapa, en la que el servicio a los usuarios MTC se realiza mediante una infraestructura dedicada. Finalmente, el tercer escenario analiza la provisión de servicios basados en MTC a usuarios finales, mediante la infraestructura analizada en el escenario anterior. Gracias al análisis de todos los escenarios, hemos observado que la transición de redes centradas en usuarios HTC a redes MTC es posible y que la provisión de servicios en tales escenarios es viable. Además, hemos observado que el comportamiento de los usuarios es esencial para determinar la viabilidad de los diferentes modelos de negocio, y por tanto, es necesario estudiar el comportamiento y las preferencias de los usuarios en profundidad en estudios futuros. Específicamente, los factores más relevantes son la sensibilidad de los usuarios al retardo en los datos recopilados por los sensores y la cantidad de los mismos. También hemos observado que la diferenciación del tráfico en categorías mejora el uso de las redes y permite crear nuevos servicios empleando datos que, de otro modo, no se aprovecharían, lo cual nos permite mejorar la monetización de la infraestructura. También hemos demostrado que la provisión de capacidad es un mecanismo válido, alternativo a la fijación de precios, para la optimización de los beneficios de los proveedores de servicio. Finalmente, se ha demostrado que es posible crear roles específicos para ofrecer servicios IoT en el mercado de las telecomunicaciones, específicamente, los IoT-SPs, que proporcionan servicios basados en sensores inalámbricos utilizando infraestructuras de acceso de terceros y sus propias redes de sensores. En resumen, en esta tesis hemos intentado demostrar la viabilidad económica de modelos de negocio basados en redes futuras IoT, así como la aparición de nuevas oportunidades y roles de negocio, lo cual nos permite justificar económicamente el desarrollo y la implementación de las tecnologías necesarias para ofrecer servicios de acceso inalámbrico masivo a dispositivos MTC. / The communications world is moving from a standalone devices scenario to a all-connected scenario known as Internet of Things (IoT), where billions of devices will be connected to the Internet through mobile and fixed networks. In this context, there are several challenges to face, from the development of new standards to the study of the economical viability of the different future scenarios. In this dissertation we have focused on the study of the economic viability of different scenarios using concepts of microeconomics, game theory, non-linear optimization, network economics and wireless networks. The dissertation analyzes the transition from a Human Type Communications (HTC) to a Machine Type Communications (MTC) centered network from an economic point of view. The first scenario is designed to focus on the first stages of the transition, where HTC and MTC traffic are served on a common network infrastructure. The second scenario analyzes the provision of connectivity service to MTC users using a dedicated network infrastructure, while the third stage is centered in the analysis of the provision of services based on the MTC data over the infrastructure studied in the previous scenario. Thanks to the analysis of all the scenarios we have observed that the transition from HTC users-centered networks to MTC networks is possible and that the provision of services in such scenarios is viable. In addition, we have observed that the behavior of the users is essential in order to determine the viability of a business model, and therefore, it is needed to study their behavior and preferences in depth in future studios. Specifically, the most relevant factors are the sensitivity of the users to the delay and to the amount of data gathered by the sensors. We also have observed that the differentiation of the traffic in categories improves the usage of the networks and allows to create new services thanks to the data that otherwise would not be used, improving the monetization of the infrastructure and the data. In addition, we have shown that the capacity provision is a valid mechanism for providers' profit optimization, as an alternative to the pricing mechanisms. Finally, it has been demonstrated that it is possible to create dedicated roles to offer IoT services in the telecommunications market, specifically, the IoT-SPs, which provide wireless-sensor-based services to the final users using a third party infrastructure. Summarizing, this dissertation tries to demonstrate the economic viability of the future IoT networks business models as well as the emergence of new business opportunities and roles in order to justify economically the development and implementation of the new technologies required to offer massive wireless access to machine devices. / El món de les telecomunicacions està canviant d'un escenari on únicament les persones estaven connectades a un model on pràcticament tots els dispositius i sensors es troben connectats, també conegut com a Internet de les Coses (IoT) , on milers de milions de dispositius es connectaran a Internet a través de connexions mòbils i xarxes fixes. En aquest context, hi ha molts reptes que superar, des del desenrotllament de nous estàndards de comunicació a l'estudi de la viabilitat econòmica dels possibles escenaris futurs. En aquesta tesi ens hem centrat en l'estudi de la viabilitat econòmica de diferents escenaris per mitjà de l'ús de conceptes de microeconomia, teoria de jocs, optimització no lineal, economia de xarxes i xarxes inalàmbriques. La tesi analitza la transició des de xarxes centrades en el servici de tràfic HTC a xarxes centrades en tràfic MTC des d'un punt de vista econòmic. El primer escenari ha sigut dissenyat per a centrar-se en les primeres etapes de la transició, en la que ambdós tipus de tràfic són servits davall la mateixa infraestructura de xarxa. En el segon escenari analitzem la següent etapa, en la que el servici als usuaris MTC es realitza per mitjà d'una infraestructura dedicada. Finalment, el tercer escenari analitza la provisió de servicis basats en MTC a usuaris finals, per mitjà de la infraestructura analitzada en l'escenari anterior. Als paràgrafs següents es descriu amb més detall cada escenari. Gràcies a l'anàlisi de tots els escenaris, hem observat que la transició de xarxes centrades en usuaris HTC a xarxes MTC és possible i que la provisió de servicis en tals escenaris és viable. A més a més, hem observat que el comportament dels usuaris és essencial per a determinar la viabilitat dels diferents models de negoci, i per tant, és necessari estudiar el comportament i les preferències dels usuaris en profunditat en estudis futurs. Específicament, els factors més rellevants són la sensibilitat dels usuaris al retard en les dades recopilats pels sensors i la quantitat dels mateixos. També hem observat que la diferenciació del tràfic en categories millora l'ús de les xarxes i permet crear nous servicis emprant dades que, d'una altra manera, no s'aprofitarien, la qual cosa ens permet millorar la monetització de la infraestructura. També hem demostrat que la provisió de capacitat és un mecanisme vàlid, alternatiu a la fixació de preus, per a l'optimització dels beneficis dels proveïdors de servici. Finalment, s'ha demostrat que és possible crear rols específics per a oferir servicis IoT en el mercat de les telecomunicacions, específicament, els IoT-SPs, que proporcionen servicis basats en sensors inalàmbrics utilitzant infraestructures d'accés de tercers i les seues pròpies xarxes de sensors. En resum, en aquesta tesi hem intentat demostrar la viabilitat econòmica de models de negoci basats en xarxes futures IoT, així com l'aparició de noves oportunitats i rols de negoci, la qual cosa ens permet justificar econòmicament el desenrotllament i la implementació de les tecnologies necessàries per a oferir servicis d'accés inalàmbric massiu a dispositius MTC. / Sanchis Cano, Á. (2018). Economic analysis of wireless sensor-based services in the framework of the Internet of Things. A game-theoretical approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/102642

En la actualidad, la Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) es una tecnología esencial para la próxima generación de sistemas inalámbricos. La conectividad es la base de IoT, y el tipo de acceso requerido dependerá de la naturaleza de la aplicación. Uno de los principales facilitadores del entorno IoT es la comunicación machine-to-machine (M2M) y, en particular, su enorme potencial para ofrecer conectividad ubicua entre dispositivos inteligentes. Las redes celulares son la elección natural para las aplicaciones emergentes de IoT y M2M. Un desafío importante en las redes celulares es conseguir que la red sea capaz de manejar escenarios de acceso masivo en los que numerosos dispositivos utilizan comunicaciones M2M. Por otro lado, los sistemas celulares han experimentado un tremendo desarrollo en las últimas décadas: incorporan tecnología sofisticada y nuevos algoritmos para ofrecer una amplia gama de servicios. El modelado y análisis del rendimiento de estas redes multiservicio es también una tarea desafiante que podría requerir un gran esfuerzo computacional. Para abordar los desafíos anteriores, nos centramos en primer lugar en el diseño y la evaluación de las prestaciones de nuevos mecanismos de control de acceso para hacer frente a las comunicaciones masivas M2M en redes celulares. Posteriormente nos ocupamos de la evaluación de prestaciones de redes multiservicio y proponemos una nueva técnica analítica que ofrece precisión y eficiencia computacional. Nuestro principal objetivo es proporcionar soluciones para aliviar la congestión en la red de acceso radio cuando un gran número de dispositivos M2M intentan conectarse a la red. Consideramos los siguientes tipos de escenarios: (i) los dispositivos M2M se conectan directamente a las estaciones base celulares, y (ii) forman grupos y los datos se envían a concentradores de tráfico (gateways) que les proporcionan acceso a la infraestructura. En el primer escenario, dado que el número de dispositivos añadidos a la red aumenta continuamente, esta debería ser capaz de manejar el considerable incremento en las solicitudes de acceso. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha propuesto el access class barring (ACB) como una solución práctica para el control de congestión en la red de acceso radio y la red troncal. El ajuste correcto de los parámetros de ACB de acuerdo con la intensidad del tráfico es crítico, pero cómo hacerlo de forma dinámica y autónoma es un problema complejo cuya solución no está recogida en las especificaciones del 3GPP. Esta tesis doctoral contribuye al análisis del rendimiento y al diseño de nuevos algoritmos que implementen efectivamente este mecanismo, y así superar los desafíos introducidos por las comunicaciones masivas M2M. En el segundo escenario, dado que la heterogeneidad de los dispositivos IoT y las arquitecturas celulares basadas en hardware imponen desafíos aún mayores para permitir una comunicación flexible y eficiente en los sistemas inalámbricos 5G, esta tesis doctoral también contribuye al diseño de software-defined gateways (SD-GWs) en una nueva arquitectura propuesta para redes inalámbricas definidas por software que se denomina SoftAir. Esto permite manejar tanto un gran número de dispositivos como el volumen de datos que estarán vertiendo en la red. Otra contribución de esta tesis doctoral es la propuesta de una técnica novedosa para el análisis de prestaciones de redes multiservicio de alta capacidad que se basa en un nuevo enfoque del modelizado analítico de sistemas que operan a diferentes escalas temporales. Este enfoque utiliza el análisis del transitorio de una serie de subcadenas absorbentes y lo denominamos absorbing Markov chain approximation (AMCA). Nuestros resultados muestran que para un coste computacional dado, AMCA calcula los parámetros de prestaciones habituales de un sistema con mayor precisión, en comparación con los resultados obtenidos por otr / Nowadays, Internet of Things (IoT) is an essential technology for the upcoming generation of wireless systems. Connectivity is the foundation for IoT, and the type of access required will depend on the nature of the application. One of the leading facilitators of the IoT environment is machine-to-machine (M2M) communication, and particularly, its tremendous potential to offer ubiquitous connectivity among intelligent devices. Cellular networks are the natural choice for emerging IoT and M2M applications. A major challenge in cellular networks is to make the network capable of handling massive access scenarios in which myriad devices deploy M2M communications. On the other hand, cellular systems have seen a tremendous development in recent decades; they incorporate sophisticated technology and algorithms to offer a broad range of services. The modeling and performance analysis of these large multi-service networks is also a challenging task that might require high computational effort. To address the above challenges, we first concentrate on the design and performance evaluation of novel access control schemes to deal with massive M2M communications. Then, we focus on the performance evaluation of large multi-service networks and propose a novel analytical technique that features accuracy and computational efficiency. Our main objective is to provide solutions to ease the congestion in the radio access or core network when massive M2M devices try to connect to the network. We consider the following two types of scenarios: (i) massive M2M devices connect directly to cellular base stations, and (ii) they form clusters and the data is forwarded to gateways that provide them with access to the infrastructure. In the first scenario, as the number of devices added to the network is constantly increasing, the network should handle the considerable increment in access requests. Access class barring (ACB) is proposed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) as a practical congestion control solution in the radio access and core network. The proper tuning of the ACB parameters according to the traffic intensity is critical, but how to do so dynamically and autonomously is a challenging task that has not been specified. Thus, this dissertation contributes to the performance analysis and optimal design of novel algorithms to implement effectively this barring scheme and overcome the challenges introduced by massive M2M communications. In the second scenario, since the heterogeneity of IoT devices and the hardware-based cellular architectures impose even greater challenges to enable flexible and efficient communication in 5G wireless systems, this dissertation also contributes to the design of software-defined gateways (SD-GWs) in a new architecture proposed for wireless software-defined networks called SoftAir. The deployment of these SD-GWs represents an alternative solution aiming at handling both a vast number of devices and the volume of data they will be pouring into the network. Another contribution of this dissertation is to propose a novel technique for the performance analysis of large multi-service networks. The underlying complexity of the network, particularly concerning its size and the ample range of configuration options, makes the solution of the analytical models computationally costly. However, a typical characteristic of these networks is that they support multiple types of traffic flows operating at different time-scales. This time-scale separation can be exploited to reduce considerably the computational cost associated to determine the key performance indicators. Thus, we propose a novel analytical modeling approach based on the transient regime analysis, that we name absorbing Markov chain approximation (AMCA). For a given computational cost, AMCA finds common performance indicators with greater accuracy, when compared to the results obtained by other approximate methods proposed in the literature. / En l'actualitat, la Internet de les Coses (Internet of Things, IoT) és una tecnologia essencial per a la propera generació de sistemes sense fil. La connectivitat és la base d'IoT, i el tipus d'accés requerit dependrà de la naturalesa de l'aplicació. Un dels principals facilitadors de l'entorn IoT és la comunicació machine-to-machine (M2M) i, en particular, el seu enorme potencial per oferir connectivitat ubiqua entre dispositius intel · ligents. Les xarxes mòbils són l'elecció natural per a les aplicacions emergents de IoT i M2M. Un desafiament important en les xarxes mòbils que actualment está rebent molta atenció és aconseguir que la xarxa siga capaç de gestionar escenaris d'accés massiu en què una gran quantitat de dispositius utilitzen comunicacions M2M. D'altra banda, els sistemes mòbils han experimentat un gran desenvolupament en les últimes dècades: incorporen tecnologia sofisticada i nous algoritmes per oferir una àmplia gamma de serveis. El modelatge i análisi del rendiment d'aquestes xarxes multiservei és també un desafiament important que podria requerir un gran esforç computacional. Per abordar els desafiaments anteriors, en aquesta tesi doctoral ens centrem en primer lloc en el disseny i l'avaluació de les prestacions de nous mecanismes de control d'accés per fer front a les comunicacions massives M2M en xarxes cel · lulars. Posteriorment ens ocupem de l'avaluació de prestacions de xarxes multiservei i proposem una nova tècnica analítica que ofereix precisió i eficiència computacional. El nostre principal objectiu és proporcionar solucions per a alleujar la congestió a la xarxa d'accés ràdio quan un gran nombre de dispositius M2M intenten connectar-se a la xarxa. Considerem els dos tipus d'escenaris següents: (i) els dispositius M2M es connecten directament a les estacions base cel · lulars, i (ii) formen grups i les dades s'envien a concentradors de trànsit (gateways) que els proporcionen accés a la infraestructura. En el primer escenari, atès que el nombre de dispositius afegits a la xarxa augmenta contínuament, aquesta hauria de ser capaç de gestionar el considerable increment en les sol · licituds d'accés. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha proposat l'access class barring (ACB) com una solució pràctica per al control de congestió a la xarxa d'accès ràdio i la xarxa troncal. L'ajust correcte dels paràmetres d'ACB d'acord amb la intensitat del trànsit és crític, però com fer-ho de forma dinàmica i autònoma és un problema complex, la solució del qual no està recollida en les especificacions del 3GPP. Aquesta tesi doctoral contribueix a l'anàlisi del rendiment i al disseny de nous algoritmes que implementen efectivament aquest mecanisme, i així superar els desafiaments introduïts per les comunicacions massives M2M en les xarxes mòbils actuals i futures. En el segon escenari, atès que l'heterogeneïtat dels dispositius IoT i les arquitectures cel · lulars basades en hardware imposen desafiaments encara més grans per permetre una comunicació flexible i eficient en els sistemes sense fil 5G, aquesta tesi doctoral també contribueix al disseny de software-defined gateways (SD-GWS) en una nova arquitectura proposada per a xarxes sense fils definides per programari que s'anomena SoftAir. Això permet gestionar tant un gran nombre de dispositius com el volum de dades que estaran abocant a la xarxa. Una altra contribució d'aquesta tesi doctoral és la proposta d'una tècnica innovadora per a l'anàlisi de prestacions de xarxes multiservei d'alta capacitat que es basa en un nou enfocament del modelitzat analític de sistemes que operen a diferents escales temporals. Aquest enfocament utilitza l'anàlisi del transitori d'una sèrie de subcadenes absorbents i l'anomenem absorbing Markov chain Approximation (AMCA). Els nostres resultats mostren que per a un cost computacional donat, AMCA calcula els paràmetres de prestacions habituals d / Tello Oquendo, LP. (2018). Design and Performance Analysis of Access Control Mechanisms for Massive Machine-to-Machine Communications in Wireless Cellular Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107946