Au début des années 2000, les instances aéronautiques ont exprimé le besoin de développer un nouveau système de radiocommunication aéronautique du fait de l'augmentation du trafic aérien et de la saturation croissante des capacités de communication radio entre les aéronefs et les stations de contrôle aérien. L'une des composantes de ce système, nommée L-DACS (" L-band Digital Aeronautical Communication System "), devrait opérer dans la bande L-aéronautique (960-1164 MHz), dans laquelle fonctionnent également de nombreux autres systèmes radioélectriques. La compatibilité radioélectrique (CRE) de L-DACS avec ces systèmes est un des facteurs principaux à prendre en considération dans le développement d'un tel système.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les principaux problèmes reliés à la CRE et d'en étudier les cas critiques. Ces travaux sont fondamentaux en aéronautique, puisque tout dysfonctionnement dans la communication ou dans les systèmes de radionavigation peut mettre en danger la sécurité du vol. Les conclusions de cette thèse contribueront à la normalisation du système L-DACS et à la finalisation de ses spécifications.Dans une première étape, on étudie l'état de l'art dans les communications aéronautiques et en CRE. On analyse en particulier les dernières spécifications des deux systèmes candidats L-DACS. Ensuite, on propose un algorithme de calcul de brouillage dans le but d'étudier la CRE dans le domaine fréquentiel, d'en identifier et d'en traiter les cas critiques. L'analyse fréquentielle étant insuffisante dans plusieurs cas, on propose alors une approche temporelle d'étude de CRE. Après en avoir présenté les avantages, on présente un exemple d'étude de l'effet d'un système L-DACS sur un récepteur DME (" Distance Measuring Equipment ") à l'aide d'un banc de test CRE aéronautique.Cette thèse a été réalisée en collaboration avec la Direction Générale de l'Aviation Civile (DGAC), qui est un acteur principal pour la réglementation des communications et un affectataire de fréquence pour le spectre aéronautique en France. La thèse contribue aux études menées par la DGAC à l'échelle nationale et internationale.Dans les perspectives, on propose la poursuite de cette étude par une approche temporelle plus générale pour étudier la CRE entre des systèmes radioélectriques quelconques en tenant compte de paramètres supplémentaires liés à la dynamique des systèmes et aux propriétés de leurs technologies.

Cette thèse consiste à développer des mécanismes distribués pour la gestion de ressources dans les réseaux cellulaires futurs. Dans la première partie de cette thèse, les défis techniques et économiques pour la mise en œuvre des politiques de stockage distribuées dans les réseaux à petites cellules sont traités. En particulier, un mécanisme de stockage proactif est proposé permettant aux stations de base d'exploiter les informations extraites des réseaux sociaux afin d'estimer la popularité locale des fichiers avant de le stocker. Une autre approche de stockage optimisée est proposée pour les réseaux cellulaires ultra-denses tout en prenant en compte les variations instantanées de l'état des unités de stockage. Pour faciliter le déploiement de ces solutions de stockage, de nouveaux mécanismes économiques sont développés pour motiver les fournisseurs de contenu à coopérer avec les opérateurs réseaux et stocker leurs fichiers au sein des petites stations de base. Dans la deuxième partie de cette thèse, le problème de gestion du spectre est étudié dans des réseaux contenant des stations de base munies de capacités de stockage ainsi que dans les systèmes LTE-U. En particulier, une approche de gestion de backhaul distribuée est proposée pour des réseaux cellulaire ayant des capacités de stockage et des liens de backhaul hétérogènes. D'autre part, un modèle multi-jeux est proposé comme un nouvel outil de la théorie des jeux pour faire face aux nouveaux problèmes d'allocation de ressources qui émergent avec l'introduction de la technologie LTE-U dans les réseaux sans fil. A cet égard, un multi-jeux composé de deux sous-jeux de types différents est formulé pour optimiser la coexistence des stations de base LTE-U et utilisateurs WiFi sur les bandes non-licenciés, tout en empêchant les stations de base LTE-U de dégrader la performance du réseau WiFi. / This thesis consists in developing distributed mechanisms for resource allocation in next-generation cellular networks. In the first part of this thesis, the technical and economic challenges for the implementation of distributed storage policies in small cell networks are addressed. In particular, a proactive storage approach is proposed enabling the small base stations to exploit the information extracted from online social networks to estimate the local popularity of the files. Another optimized storage approach is proposed for ultra-dense cellular networks while accounting for the instantaneous variations of the state of the storage units. To facilitate the deployment of these storage solutions, new economic mechanisms are developed to motivate content providers to cooperate with network operators and store their files within the operators' small base stations. In the second part of this thesis, the problem of spectrum management is studied in cache-enabled small cell networks as well as LTE-U systems. In particular, a distributed backhaul management approach is proposed for cellular networks with heterogeneous backhaul links. On the other hand, a multi-game framework is proposed as a new game theoretic tool to cope with the new resource allocation problems that emerge with the introduction of LTEU technology in wireless networks. In this regard, a multi-game composed of two subgames of different types is formulated to optimize the coexistence of LTE-U base stations and WiFi users over unlicensed bands, while preventing LTE-U base stations from jeopardizing the WiFi users.

Les technologies mobiles terrestre et satellite sont naturellement complémentaires. Les réseaux cellulaires terrestres sont adaptés aux villes où la densité d'utilisateurs est maximale mais perdent leur rentabilité dans les zones peu peuplées. A l'inverse, les systèmes mobile satellite permettent de couvrir de vastes zones à moindre coût mais n'assurent pas la couverture dans les zones urbaines car le signal est bloqué par les constructions. En les combinant pour assurer la couverture en ville par le réseau terrestre et dans les zones moins denses avec le satellite, on obtient un système à la couverture totale pour un coût optimal. Nous appelons un tel système intégrant une composante satellite et une composante terrestres un "système intégré" satellite/terrestre. Nul doute que d'ici quelques années, le rêve de la communauté satellite de rendre tous les terminaux mobiles capables de se connecter à un satellite sera accessible. Le satellite pourra ainsi être vu par les utilisateurs de terminaux portables comme une énième technologie d'accès à un système "intégré", aux côtés du Bluetooth, du Wifi et des technologies cellulaires (GSM, UMTS, LTE). La réutilisation du spectre satellite par les systèmes terrestres est un facteur déterminant dans le succès de cette intégration car elle permet de justifier les investissements dans le système satellite qui ne peut être rentabilisé par les abonnements seuls. Toutefois sa mise en œuvre pose de nombreux problèmes : règlementaires, commerciaux et bien entendu techniques. Cette thèse apporte des solutions sur ce dernier point et j'espère qu'elle contribuera ainsi à rendre possible ce rêve d'intégration. Nous avons adopté une approche descendante du problème du partage de spectre dans les systèmes mobiles satellite-terrestre. Nous avons tout d'abord établi une synthèse sur les aspects recouverts par l'intégration des systèmes mobiles satellite et terrestre. Nous avons ensuite dressé l'état de l'art sur la problématique de la réutilisation du spectre satellite par les systèmes terrestres, que nous avons complété par nos analyses. Nous avons décidé dans cette thèse de nous focaliser sur un des problèmes majeurs soulevés par cette réutilisation : les interférences co-fréquence du système terrestre sur le lien montant satellite. A partir de l'analyse d'une solution de partage statique de spectre par coordination des plans de fréquence (principe de zone d'exclusion), nous avons élaboré puis analysé les performances de mécanismes innovants d'allocation de ressources dans le système terrestre qui permettent de réduire de façon importante les interférences. De plus, nous proposons une méthode pour garantir au système satellite que les interférences subies sur son lien montant soient inférieures à une valeur limite. Enfin, nous définissons une architecture et les mécanismes associés qui permettent l'implantation des solutions proposées dans un système satellite-terrestre fondé sur la technologie LTE. L'étude du sujet de partage de spectre dans les systèmes mobiles satellite-terrestre est relativement nouvelle et cette thèse constitue donc un travail novateur important qui pourra être utilisé comme base à de futurs travaux. / Terrestrial and satellite mobile technologies are naturally complementary. Terrestrial cellular systems are adapted to urban areas where the user density is maximal but their cost-effectiveness is much lower in sparsely populated areas. On the contrary, mobile satellite systems cover large zones at a relatively low cost but they cannot ensure coverage in urban areas because of signal blockage due to buildings. By combining both systems for ensuring coverage in cities with terrestrial networks and in less dense areas with the satellite, we obtain a system with complete coverage for an optimal cost. Such a system is called mobile terrestrial and satellite "integrated system". It is likely that in a few years, the dream of enabling satellite connectivity on all mobile terminals will be within reach. The satellite will then be perceived for mobile terminal users as an additional access technology to an "integrated network" comparable to Wifi, Bluetooth or cellular technologies (GSM, UMTS, LTE). The spectrum reuse by terrestrial systems is a key for the success of this integration because it justifies part of the investments in the satellite systems that cannot be supported by user subscriptions only. However, implementation of spectrum sharing generates many issues: regulatory, commercial and obviously technical. This thesis brings answers on the latter and I hope it will contribute to make this dream of integration become reality. We used a descending approach of the issue of spectrum sharing in terrestrial and satellite mobile systems. First, we establish a synthesis of all the aspects covered by the integration of mobile satellite and terrestrial systems. Then, we made the state of the art on the issue of satellite spectrum reuse by terrestrial systems and we completed it with our analysis. We decided to focus our work on one of the major issues raised by this reuse: co-frequency interference generated by the terrestrial system on the satellite uplink. From the analysis of a solution proposing a static spectrum sharing by coordination of frequency plans (the exclusion zone principle), we elaborated and analyzed performances of innovative mechanisms of resources allocation in the terrestrial system that allows to reduce significantly the interferences. Moreover, we proposed a method for guaranteeing to the satellite system that interferences from the terrestrial system will not exceed a given threshold. At last, we define an architecture and the associated mechanism that allow the implementation of our solution in an integrated terrestrial-satellite systems based on LTE technology. The study of spectrum sharing in terrestrial-satellite mobile systems is rather new and this thesis represents an innovative work that may serve as a basis for future studies on this issue.

Au début des années 2000, les instances aéronautiques ont exprimé le besoin de développer un nouveau système de radiocommunication aéronautique du fait de l'augmentation du trafic aérien et de la saturation croissante des capacités de communication radio entre les aéronefs et les stations de contrôle aérien. L'une des composantes de ce système, nommée L-DACS (« L-band Digital Aeronautical Communication System »), devrait opérer dans la bande L-aéronautique (960-1164 MHz), dans laquelle fonctionnent également de nombreux autres systèmes radioélectriques. La compatibilité radioélectrique (CRE) de L-DACS avec ces systèmes est un des facteurs principaux à prendre en considération dans le développement d'un tel système.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les principaux problèmes reliés à la CRE et d'en étudier les cas critiques. Ces travaux sont fondamentaux en aéronautique, puisque tout dysfonctionnement dans la communication ou dans les systèmes de radionavigation peut mettre en danger la sécurité du vol. Les conclusions de cette thèse contribueront à la normalisation du système L-DACS et à la finalisation de ses spécifications.Dans une première étape, on étudie l'état de l'art dans les communications aéronautiques et en CRE. On analyse en particulier les dernières spécifications des deux systèmes candidats L-DACS. Ensuite, on propose un algorithme de calcul de brouillage dans le but d'étudier la CRE dans le domaine fréquentiel, d'en identifier et d'en traiter les cas critiques. L'analyse fréquentielle étant insuffisante dans plusieurs cas, on propose alors une approche temporelle d'étude de CRE. Après en avoir présenté les avantages, on présente un exemple d'étude de l'effet d'un système L-DACS sur un récepteur DME (« Distance Measuring Equipment ») à l'aide d'un banc de test CRE aéronautique.Cette thèse a été réalisée en collaboration avec la Direction Générale de l'Aviation Civile (DGAC), qui est un acteur principal pour la réglementation des communications et un affectataire de fréquence pour le spectre aéronautique en France. La thèse contribue aux études menées par la DGAC à l'échelle nationale et internationale.Dans les perspectives, on propose la poursuite de cette étude par une approche temporelle plus générale pour étudier la CRE entre des systèmes radioélectriques quelconques en tenant compte de paramètres supplémentaires liés à la dynamique des systèmes et aux propriétés de leurs technologies. / In the beginning of the 21th century, the aeronautical authorities expressed their need to develop a new system for aeronautical radiocommunications, because the air-traffic is increasing and that current communication systems between pilots and air-controllers are reaching their capacity limits. The L-band Digital Aeronautical Communication System (L-DACS) is the part of the future system that will be operating in a part of the aeronautical L-band (960-1164 MHz), already occupied by a large number of radio-frequency legacy systems. Consequently, it is essential to consider its radio-frequency compatibility (RFC) for the development of the future L-DACS system. This thesis aims at identifying the principal issues related to RFC and studying its critical situations. Such topics are fundamental in aeronautics, as any communication or radionavigation dysfunction may endanger flight and passengers security. Some obtained results will be used for the L-DACS standardization and its specifications finalization. We first analyze the state-of-the-art in both aeronautical communications and RFC, focalizing on updated specifications of both preselected L-DACS candidate systems. We then propose a deterministic algorithm to compute the interference level in order to study the RFC in the frequency domain under identified critical scenarios. Since the frequency-domain analysis seems to be insufficient in several cases, we develop a different methodology, called the time-frequency approach, to analyze the RFC for such situations. We apply this new approach to analyze the effect of an L-DACS interferer on a Distance Measuring Equipment (DME) receiver, using an aeronautical RFC test-bed that we implemented at SUPELEC. This work has been performed in collaboration with the French Civil Aviation Authorities (DGAC), which are an important actor in aeronautical communication regulations and aeronautical spectrum management in France. The thesis contributes to DGAC studies at national as well as international levels. For further work, we suggest to generalize the proposed time-frequency approach to analyze the RFC between any two radio-frequency systems, taking into account additional parameters related to system dynamics and their technology properties.

Le spectre électromagnétique est une ressource naturelle dont l'usage doit être optimisé. Un grand nombre de travaux actuels visent à améliorer l'utilisation des fréquences radio en y introduisant un degré de flexibilité rendu possible par l'agilité en forme d'onde et en fréquence permise par la radio logicielle (SDR), ainsi que par les méthodes de traitement intelligent du signal (radio cognitive). Cette thèse se place dans ce contexte. Concrètement, nous considérons le problème de partage du spectre électromagnétique entre plusieurs utilisateurs sous contraintes d'interférence mutuelle. Notre objectif est de contribuer à l'évaluation du gain du partage de cette ressource rare qu'est le spectre électromagnétique. En étudiant le canal gaussien d'interférence avec l'interférence traitée comme du bruit additif gaussien aux différents récepteurs, nous avons trouvé une description géométrique et plusieurs caractérisations de la région des débits atteignables. Ensuite, considérant un cas plus réaliste où chaque utilisateur a une certaine qualité de service, nous avons trouvé une condition nécessaire et suffisante pour permettre la communication simultanée à travers le canal gaussien d'interférence pour deux utilisateurs. Dans un scénario de partage entre un utilisateur primaire ayant une plus grande priorité d'accès au spectre et un utilisateur secondaire, après avoir déterminé des bornes minimales pour le débit du primaire en fonction du schéma d'allocation de puissance de l'utilisateur secondaire, nous avons proposé une technique originale d'allocation de puissance pour l'utilisateur secondaire accédant de manière opportuniste au spectre sous contraintes de performance de coupure pour tous les utilisateurs. En particulier, cette technique d'allocation de puissance n'utilise que l'information sur l'état des canaux des liens directs allant de l'émetteur secondaire vers les autres points du réseau. Finalement, considérant des modèles de canaux plus réalistes; après avoir montré l'existence d'une zone d'exclusion autour du récepteur primaire (zone où il n'y a aucun transmetteur secondaire, dans le but de protéger l'utilisateur primaire contre les fortes interférences), nous avons caractérisé l'effet du shadowing et du path-loss sur cette zone d'exclusion du primaire. / In this thesis, we address the problem of spectrum-sharing for wireless communication where multiple users attempt to access a common spectrum resource under mutual interference constraints. Our objective is to evaluate the gains of sharing by investigating different scenarios of spectrum access. Studying the Gaussian Interference Channel with interferences considered as noise, we found a geometrical description and several characteristics of the achievable rate region. Considering a more realistic scenario, with each user having a certain QoS, we found necessary and sufficient condition to be fulfilled for simultaneous communication over the two-user Gaussian Interference Channel. Furthermore, we proposed two lower bounds for a single-primary-user mean rate, depending on the secondary user power control scheme. Specially, we investigated an original power control policy, for a secondary user, under outage performance requirement for both users and partial knowledge of the channel state information. Finally, considering a spectrums-haring with a licensee or primary user and several secondary or cognitive users, we showed the existence of an exclusive region around the primary receiver and we characterized the effects of shadowing and path-loss on this exclusive region (or no-talk zone).

Les bandes des fréquences, telles qu'elles sont aménagées aujourd'hui, sont statiquement allouées. Afin d'améliorer la productivité et l'efficacité de l'utilisation du spectre, une nouvelle approche a été proposée : le "partage dynamique du spectre". Les régulateurs, les industriels et les scientifiques ont examiné le partage des bandes fédérales entre les détenteurs de licences (utilisateurs primaires) et les nouveaux entrants (utilisateurs secondaires). La nature d'un tel partage peut faciliter les attaques d'inférence et mettre en péril les paramètres opérationnels des utilisateurs primaires. Par conséquent, le but de cette thèse est d'améliorer la confidentialité des utilisateurs primaires tout en permettant un accès secondaire au spectre. Premièrement, nous présentons une brève description des règles de partage et des exigences en termes de confidentialité dans les bandes fédérales. Nous étudions également les techniques de conservation de confidentialité (obscurcissement) proposées dans les domaines d'exploration et d'édition de données pour contrecarrer les attaques d'inférence. Ensuite, nous proposons et mettons en œuvre notre approche pour protéger la fréquence et la localisation opérationnelles contre les attaques d'inférence. La première partie étudie la protection de la fréquence opérationnelle en utilisant un obscurcissement inhérent et explicite pour préserver la confidentialité. La deuxième partie traite la protection de la localisation opérationnelle en utilisant la confiance comme principale contre-mesure pour identifier et atténuer un risque d'inférence. Enfin, nous présentons un cadre axé sur les risques qui résume notre travail et s'adapte à d'autres approches de protection de la confidentialité. Ce travail est soutenu par des modèles, des simulations et des résultats qui focalisent sur l'importance de quantifier les techniques de préservation de la confidentialité et d'analyser le compromis entre la protection de la confidentialité et l'efficacité du partage du spectre / Radio frequencies, as currently allocated, are statically managed. Spectrum sharing between commercial users and incumbent users in the Federal bands has been considered by regulators, industry, and academia as a great way to enhance productivity and effectiveness in spectrum use. However, allowing secondary users to share frequency bands with sensitive government incumbent users creates new privacy threats in the form of inference attacks. Therefore, the aim of this thesis is to enhance the privacy of the incumbent while allowing secondary access to the spectrum. First, we present a brief description of different sharing regulations and privacy requirements in Federal bands. We also survey the privacy-preserving techniques (i.e., obfuscation) proposed in data mining and publishing to thwart inference attacks. Next, we propose and implement our approach to protect the operational frequency and location of the incumbent operations from inferences. We follow with research on frequency protection using inherent and explicit obfuscation to preserve the incumbent's privacy. Then, we address location protection using trust as the main countermeasure to identify and mitigate an inference risk. Finally, we present a risk-based framework that integrates our work and accommodates other privacy-preserving approaches. This work is supported with models, simulations and results that showcase our work and quantify the importance of evaluating privacy-preserving techniques and analyzing the trade-off between privacy protection and spectrum efficiency