Les travaux de thèse s’intéressent au réglage de la puissance active injectée dans le réseau, ce qui représente aujourd'hui l'une des problématiques principales du pilotage des parcs éoliens participant à la gestion du réseau. Dans le même temps, l'un des buts reste de maximiser la puissance extraite du vent en considérant les effets de couplage aérodynamique entre les éoliennes.La structure du contrôle-commande choisie est de type hiérarchisée et distribuée. Dans la première partie de la thèse, les travaux portent sur la commande de la turbine d'une éolienne autour des points de fonctionnement classiques mais également autour des points à puissance extraite réduite. En fait, cela relève d’une condition de fonctionnement nécessaire pour l'atteinte des objectifs imposés au pilotage d'un parc éolien.Dans la deuxième partie, le problème du contrôle à l'échelle d'un parc est posé sous la forme d'une optimisation distribuée parmi les turbines. Deux nouveaux algorithmes d'optimisation métaheuristique sont proposés et leur performance testée sur différents exemples de parcs éoliens. Les deux algorithmes s'appuient sur la méthode d'optimisation par essaim particulaire, qui est ici modifiée et adaptée pour les cas d'application aux systèmes multi agents. L'architecture de contrôlecommande globale est enfin évaluée en considérant les dynamiques des turbines contrôlées. Les simulations effectuées montrent des gains potentiels significatifs en puissance.Finalement, dans la troisième partie de la thèse, l'introduction d'une nouvelle étape de coopération au niveau des contrôleurs locaux des turbines, par l'utilisation de la technique de contrôle par consensus, permet d'améliorer les performances du système global. / In this PhD work we focus on the wind farm (WF) active power control since some of the new set grid requirements of interest can be expressed as specifications on its injection in the electric grid. Besides, one of our main objectives is related to the wind farm power maximization problem under the presence on non-negligible wake effect. The chosen WF control architecture has a two-layer hierarchical distributed structure. First of all, the wind turbine (WT) control is addressed. Here, a nonlinear controller lets a WT work in classic zones of functioning as well as track general deloaded power references. This last feature is a necessary condition to accomplish the WF control specifications. Secondly, the high level WF control problem is formulated as an optimization problem distributed among the WTs. Two novel distributed optimization algorithms are proposed, and their performance tested on different WF examples. Both are based on the well-known particle swarm optimization algorithm, which we modify and extend to be applicable in the multi-agent system framework. Finally, the overall WF control is evaluated by taking into account the WTs controlled dynamics. Simulations show potential significant power gains. Eventually, the introduction of a new control level in the hierarchical structure between the WF optimization and the WTs controllers is proposed. The idea is to let further cooperation among the WT local controllers, via a consensusbased technique, to enhance the overall system performance.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis focuses on optimization of wind power tracking control systems in order to capture maximum wind power for the generation system. In this work, a mathematical simulation model is developed for a variable speed wind turbine power generation system. The system consists a wind turbine with necessary transmission system, and a permanent magnet synchronous generator and its vector control system. A new fuzzy based hill climbing method for power tracking control is proposed and implemented to optimize the wind power for the system under various conditions. Two existing power tracking control methods, the tip speed ratio (TSR) control method and the speed sensorless control method are also implemented with the wind power system. The computer simulations with a 5 KW wind power generation system are performed. The results from the proposed control method are compared with those obtained using the two existing methods. It is illustrated that the proposed method generally outperforms the two existing methods, especially when the operating point is far away from the maximum point. The proposed control method also has similar stable characteristic when the operating point is close to the peak point in comparison with the existing methods. The proposed fuzzy control method is computationally efficient and can be easily implemented in real-time.

Uninterrupted network connectivity is vital for real-time and mission-critical communication networks. The failure of Base Stations due to unforeseen circumstances such as natural disasters or emergencies can affect the coverage and capacity provided by terrestrial communication networks. The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) or drones in cellular networks is an upcoming area of research interest in 5G where the public sector and the communication service providers are fervently discussing it. The drones can be rapidly deployed to bridge the gaps in coverage or capacity of the network due to unforeseen circumstances. This thesis explores drone base stations' use for a simple hexagonal cell deployment scenario where the deployable base stations replace two failed macro base stations to improve the mean network capacity. Simulations show that the introduction of the deployable base stations indeed helps improve mean network capacity in case of one or multiple macro base station fail. The Genetic Algorithm is used to achieve Pareto optimality between downlink and uplink capacity of the simulated network. The simulation results show that introducing deployable nodes in a network can improve the network's capacity while also giving near-optimal transmit power values. / Oavbruten nätverksanslutning är avgörande för realtids- och missionskritiska kommunikationsnätverk. Fel på basstationer på grund av oförutsedda omständigheter som naturkatastrofer eller nödsituationer kan påverka täckningen och kapaciteten som tillhandahålls av markbundna kommunikationsnätverk. Användningen av Unmanned Aerial Vehicles (UAV) eller drönare i cellulära nätverk är ett kommande område av forskningsintresse inom 5G där den offentliga sektorn och leverantörerna av kommunikationstjänster ivrigt diskuterar det. Drönarna kan snabbt sättas in för att överbrygga klyftorna i nätverkets täckning eller kapacitet på grund av oförutsedda omständigheter. Denna avhandling utforskar drönarbasstationers användning för ett enkelt scenarie för hexagonal celldistribution där de utplacerbara basstationerna ersätter två misslyckade makrobasstationer för att förbättra den genomsnittliga nätverkskapaciteten. Simuleringar visar att introduktionen av de utplacerbara basstationerna verkligen hjälper till att förbättra den genomsnittliga nätverkskapaciteten i händelse av att en eller flera makrobasstationer misslyckas. Den genetiska algoritmen används för att uppnå Pareto-optimalitet mellan nedlänks- och upplänkkapaciteten i det simulerade nätverket. Simuleringsresultaten visar att införandet av utplacerbara noder i ett nätverk kan förbättra nätverkets kapacitet samtidigt som det ger nästan optimala värden för sändningseffekt.

Cognitive radio is frequently touted as a platform for implementing dynamic distributed radio resource management algorithms. In the envisioned scenarios, radios react to measurements of the network state and change their operation according to some goal driven algorithm. Ideally this flexibility and reactivity yields tremendous gains in performance. However, when the adaptations of the radios also change the network state, an interactive decision process is spawned and once desirable algorithms can lead to catastrophic failures when deployed in a network. This document presents techniques for modeling and analyzing the interactions of cognitive radio for the purpose of improving the design of cognitive radio and distributed radio resource management algorithms with particular interest towards characterizing the algorithms' steady-state, convergence, and stability properties. This is accomplished by combining traditional engineering and nonlinear programming analysis techniques with techniques from game to create a powerful model based approach that permits rapid characterization of a cognitive radio algorithm's properties. Insights gleaned from these models are used to establish novel design guidelines for cognitive radio design and powerful low-complexity cognitive radio algorithms. This research led to the creation of a new model of cognitive radio network behavior, an extensive number of new results related to the convergence, stability, and identification of potential and supermodular games, numerous design guidelines, and several novel algorithms related to power control, dynamic frequency selection, interference avoidance, and network formation. It is believed that by applying the analysis techniques and the design guidelines presented in this document, any wireless engineer will be able to quickly develop cognitive radio and distributed radio resource management algorithms that will significantly improve spectral efficiency and network and device performance while removing the need for significant post-deployment site management. / Ph. D.

Cette thèse est consacrée à l’étude des interactions entre la théorie des jeux et la théorie de l’information, ainsi qu’à leurs applications aux réseaux de communication décentralisés. D’une part, la théorie des jeux apporte des réponses aux problèmes d’optimisation dans lesquels des agents interagissent. Dans un jeu, les joueurs choisissent des actions et obtiennent des gains appelés utilités. Les hypothèses sur l’information que possèdent les joueurs avant de jouer sont fondamentales pour déterminer l’issue d’un jeu, aussi appelée équilibre. Lorsque le même jeu est répété d’étape en étape et que les joueurs n’observent pas les actions passées parfaitement,alors les utilités d’équilibre ne sont pas connues. D’autre part, la théorie de l’information étudie les performances d’un système communicant. De nos jours, les réseaux de communication sont tellement denses qu’ils ne peuvent plus s’organiser autour d’un unique opérateur central. La théorie des jeux est appropriée pour étudier de nouvelles organisations du traitement de l’information dans lesquelles les décisions sont prises localement. Dans un premier temps, au chapitre3, nous étudions le jeu du contrôle de puissance efficace du point de vue énergétique, grâce aux résultats existants pour les jeux répétés. Les émetteurs sont considérés comme des joueurs et choisissent la puissance d’émission du signal, considérée comme leur action. L’objectif d’un joueur est de choisir une puissance optimale pour la qualité de sa propre communication. Même si les joueurs n’observent pas les actions passées de manière parfaite, nous montrons que l’observation du "ratio signal sur interférence plus bruit" est suffisante pour garantir des résultats d’équilibre optimaux pour le réseau de communication. Dans un second temps, nous utilisons les outils de la théorie de l’information pour approfondir l’étude de la circulation de l’information parmi les joueurs. Dans le chapitre 4, un encodeur envoie un signal supplémentaire aux joueurs afin qu’ils observent parfaitement les actions jouées à l’étape précédente. L’observation des joueurs devient suffisamment précise pour nous permettre de retrouver l’ensemble des utilités d’équilibre du jeu répété. Ces résultats sont à leur tour exploités afin de modéliser des réseaux de communication plus réalistes et d’y apporter des solutions nouvelles. Dans le chapitre5, nous approfondissons l’étude des utilités d’équilibre lorsque les joueurs observent les actions passées à travers un canal d’observation arbitraire. Nous démontrons un résultat d’atteignabilité pour un canal multi-utilisateurs avec états qui comporte un encodeur, deux récepteurs légitimes et un espion. Ce résultat nous permet d’étudier les corrélations entre les suites d’actions qu’un groupe de joueurs peut mettre en oeuvre à l’insu d’un joueur opposant. L’étude des canaux multiutilisateurs est un pas en avant vers la caractérisation des utilités d’équilibre dans un jeu répété avec observation imparfaite. / This thesis is devoted to the study of mutual contributions between games theory and informationtheory and their applications to decentralized communication networks. First, game theoryprovides answers to optimization problems in which agents interact. In a game, players chooseactions and obtains gains called utilities. Assumptions about the information possessed by playersbefore play is fundamental to determine the outcome a game, also called equilibrium. When thesame game is repeated from stage to stage and the players do not observe the past actions perfectly,then the equilibrium utilities are not known. On the other hand, information theory studiesthe performance of a communicating system. Nowadays, communication networks are so densethat they can not organize around a single central operator. Game theory is appropriate to explorenew organizations of communication networks in which decisions are taken locally. At first,in Chapter 3, we study the game of power control in terms of energy efficiency, thanks to theexisting results for repeated games. Transmitters are regarded as players and choose the transmissionpower of the signal, considered as their action. The objective of a player is to choose anoptimal power for the quality of its own communication. The players do not observe the pastactions perfectly, but we show that the observation of the "signal over interference plus noiseratio" is sufficient to ensure optimal equilibrium results for the communication network. In a secondstep, we use the tools of the information theory for further study of the flow of informationamong the players. In Chapter 4, an encoder sends an extra signal to the players so that theyperfectly observe the actions chosen in the previous stage-game. The observation of players issufficiently precise to characterize the set of equilibrium utilities of the repeated game. Theseresults are, in turn, used to model new communication networks and to provide more realisticsolutions. In Chapter 5, we deepen the study of equilibrium utilities when players observe thepast actions to through an arbitrary observation channel. We show a rate region is achievablefor the multi-user channel with states which includes an encoder, two legitimate receivers andan eavesdropper. This result allows us to study the correlations over the sequences of actions agroup of players can implement while keeping it secret from an opponent player. The study ofmulti-user channels is a step towards the characterization of equilibrium utilities in a repeatedgame with imperfect monitoring.

The work in this thesis is concerned with two complementary aspects of wireless networks research; performance analysis and resource optimization. The first part of the thesis focusses on the performance analysis of IEEE 802.11(e) wireless local area networks. We study the distributed coordination function (DCF) and the enhanced distributed channel access (EDCA) MAC of the IEEE 802.11(e) standard. We consider n IEEE 802.11(e) DCF (EDCA) nodes operating as a single cell; by single cell, we mean that every packet transmission can be heard by every other node. Packet loss is attributed only to simultaneous transmissions by the nodes (i.e., collisions). Using the well known decoupling approximation [19], we characterize the collision behaviour and the throughput performance of the WLAN with a set of fixed point equations involving the backoff parameters of the nodes. We observe that the fixed point equations can have multiple solutions, and in such cases, the system exhibits multistability and short-term unfairness of throughput. Also, the fixed point analysis fails to characterize the average system behaviour when the system has multiple solutions. We then obtain sufficient conditions (in terms of the backoff parameters of the nodes) under which the fixed point equations have a unique solution. For such cases, using simulations, we observe that the fixed point analysis predicts the long term time average throughput behaviour accurately. Then, using the fixed point analysis, we study throughput differentiation provided by the different backoff parameters, including minimum contention window (CWmin), persistence factor and arbitration interframe space (AIFS) of the IEEE 802.11e standard. Finally, we extend the above results to the case where the receiver supports physical layer capture. In the second part of the thesis, we study resource allocation and optimization problems for a variety of wireless network scenarios. For a dense wireless network, deployed over a small area and with a network average power constraint, we show that single cell operation (the channel supports only one successful transmission at any time) is throughput efficient in the asymptotic regime (in which the network average power is made large). We show that, for a realistic path loss model and a physical interference model (SINR based), the maximum aggregate bit rate among arbitrary transmitter-receiver pairs scales only as Θ(log(¯P)), where¯P is the network average power. Spatial reuse is ineffective and direct transmission between source destination pairs is the throughput optimal strategy. Then, operating the network with only a single successful transmission permitted at a time, and with CSMA being used to select the successful transmitter-receiver pair, we consider the situation in which there is stationary spatiotemporal channel fading. We study the optimal hop length (routing strategy) and power control (for a fading channel) that maximizes the network aggregate throughput for a given network power constraint. For a fixed transmission time scheme, we study the throughput maximizing schedule under homogeneous traffic and MAC assumptions. We also characterize the optimal operating point (hop length and power control) in terms of the network power constraint and the channel fade distribution. It is now well understood that in a multihop network, performance can be enhanced if, instead of just forwarding packets, the network nodes create output packets by judiciously combining their input packets, a strategy that is called “network coding.” For a two link slotted wireless network employing a network coding strategy and with fading channels, we study the optimal power control and optimal exploitation of network coding opportunities that minimizes the average power required to support a given arrival rate. We also study the optimal power-delay tradeoff for the network. Finally, we study a vehicular network problem, where vehicles are used as relays to transfer data between a pair of stationary source and destination nodes. The source node has a file to transfer to the destination node and we are interested in the delay minimizing schedule for the vehicular network. We characterize the average queueing delay (at the source node) and the average transit delay of the packets (at the relay vehicles) in terms of the vehicular speeds and their interarrival times, and study the asymptotically optimal tradeoff achievable between them.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed – Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. / As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

Les réseaux optiques dynamiques et flexibles font partie des scénarios d'évolution des réseaux de transport optique. Ceux-ci formeront la base de la nouvelle génération des réseaux optiques de demain et permettront le déploiement efficace des services tel que le Cloud Computing. Cette évolution est destinée à apporter flexibilité et automatisation à la couche optique, mais s'accompagne d'une complexité supplémentaire, notamment au niveau de la gestion et de la commande de cette toute nouvelle génération de réseau. Jusqu'à récemment, les protocoles de routage et de signalisation normalisés ont pris en compte plusieurs paramètres physiques tels que l'information spectrale de la bande passante, le format de modulation, et la régénération optique. Cependant, d'autres paramètres sont encore nécessaires (par exemple, les puissances optiques des liens, le gain des amplificateurs) afin de faire fonctionner efficacement de grands réseaux. Dans ce contexte, il y a un besoin d'étudier les réseaux optiques existants ainsi que les différentes méthodes de prise en compte de la couche photonique dans le plan de contrôle. Le but est d'avoir un réseau optique automatique, flexible et programmable, mais surtout efficace de point de vue économique et opérationnel. L'utilisation de la technologie à grille flexible a un impact sur les réseaux optiques existants, où presque tous les équipements devront être remplacés, ce qui entraînera un coût additionnel pour les opérateurs. Dans ce travail, nous étudions les réseaux optiques actuels et évaluons l'impact de la flexibilité sur les infrastructures existantes. Ensuite, nous identifions plusieurs paramètres optiques à contrôler et proposons des extensions protocolaires afin d'intégrer ces paramètres dans un plan de contrôle GMPLS. De plus, nous développons les algorithmes de routage et de signalisation qui permettent la mise en œuvre d'un plan de contrôle efficace qui répond au besoin de la flexibilité. Enfin, l'ensemble de nos propositions et de nos solutions sont évaluées sur plusieurs topologies réseaux avec des modèles de trafic différents dans le but de valider leur pertinence. / Dynamic and flexible optical networks are among the evolution scenarios of the optical transport networks. These form the basis of the new generation of optical networks of tomorrow and enable the effective deployment of services such as cloud computing. This evolution is intended to provide flexibility and automation to the optical layer. However, it results in additional complexity, particularly in terms of the management and control of this new network generation. Until recently, the standardized routing and signaling protocols have been taking into account several optical parameters like the spectral bandwidth information, modulation format, and optical regeneration. However, other parameters (e.g., link optical powers, gain of optical amplifiers) are still required in order to efficiently operate large optical networks. In this context, there is a need to study the existing optical networks and the different integration methods of the photonic layer in a control plane. The goal is to get an automatic optical network that is flexible, programmable, and at the same time efficient from an economical and operational perspective. The use of flexible grid technology has an impact on existing optical networks, where almost all the equipment must be replaced, resulting in an additional cost to network operators. In this work, we study the current optical networks and evaluate the impact of flexibility on the existing infrastructures. Then, we identify several physical parameters to be controlled and propose protocol extensions in order to integrate these parameters in the GMPLS control plane. In addition, we develop the routing and signaling algorithms that allow the implementation of an efficient control plane that addresses the need for flexibility. Finally, the set of our proposals and solutions are evaluated on multiple network topologies with different traffic patterns in order to validate their relevance.

Cette thèse a pour but de développer des approches déterministes et heuristiques pour résoudre certaines classes des problèmes d'optimisation en télécommunication et la mobilité d'un réseau de transport : problèmes de routage, problèmes de covoiturage, problèmes de contrôle de l'alimentation dans un réseau sans fil, problèmes d'équilibrage du spectre dans les réseaux DSL. Il s'agit des problèmes d'optimisation non convexe de très grande taille. Nos approches sont basées sur la programmation DC&DCA, méthode de décomposition proximale et la méthode d'étiquetage des graphes. Grâce aux techniques de formulation/reformulation et de pénalité exacte, nous avons établi des programmes DC équivalents en vue de leur résolution par DCA. Selon la structure de ces problèmes, on peut fournir des décompositions DC appropriées ou de bons points initiaux de DCA. Nos méthodes ont été programmées sous MATLAB, C/C++. Ils montrent la performance de nos algorithmes par rapport à des méthodes existantes. / In this thesis, we focus on developing deterministic and heuristic approaches for solving some classes of optimization problems in Telecommunication and Mobility & Transport domain: Routing problems, Car pooloing problems, Power control problems in wireless network, Optimal spectrum balancing problems in DSL networks. They are large-scale nonconvex optimization problems. Our methodologies are focus on DC programming and DCA, Proximal decomposition method and Labeling method in graph theory. They are well-known as powerful tools in optimization. The considered problems were reformulated using the DC formulation/reformulation and exact penalty techniques and the DCA was used to obtain the solution. Also, depending on the structure of considered problems, we can provide appropriate DE decompositions or good initial points for DCA. All these proposed methods have been implemented with MATLAB, C/C++ to confirm the practical aspects and enhance our research works.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Hydraulic wind power transfer systems deliver the captured energy by the blades to the generators differently. In the conventional systems this task is carried out by a gearbox or an intermediate medium. New generation of wind power systems transfer the captured energy by means of high-pressure hydraulic fluids. A hydraulic pump is connected to the blades shaft at a high distance from the ground, in nacelle, to pressurize a hydraulic flow down to ground level equipment through hoses. Multiple wind turbines can also pressurize a flow sending to a single hose toward the generator. The pressurized flow carries a large amount of energy which will be transferred to the mechanical energy by a hydraulic motor. Finally, a generator is connected to the hydraulic motor to generate electrical power. This hydraulic system runs under two main disturbances, wind speed fluctuations and load variations. Intermittent nature of the wind applies a fluctuating torque on the hydraulic pump shaft. Also, variations of the consumed electrical power by the grid cause a considerable load disturbance on the system. This thesis studies the hydraulic wind power transfer systems. To get a better understanding, a mathematical model of the system is developed and studied utilizing the governing equations for every single hydraulic component in the system. The mathematical model embodies nonlinearities which are inherited from the hydraulic components such as check valves, proportional valves, pressure relief valves, etc. An experimental prototype of the hydraulic wind power transfer systems is designed and implemented to study the dynamic behavior and operation of the system. The provided nonlinear mathematical model is then validated by experimental result from the prototype. Moreover, this thesis develops a control system for the hydraulic wind power transfer systems. To maintain a fixed frequency electrical voltage by the system, the generator should remain at a constant rotational speed. The fluctuating wind speed from the upstream, and the load variations from the downstream apply considerable disturbances on the system. A controller is designed and implemented to regulate the flow in the proportional valve and as a consequence the generator maintains its constant speed compensating for load and wind turbine disturbances. The control system is applied to the mathematical model as well as the experimental prototype by utilizing MATLAB/Simulink and dSPACE 1104 fast prototyping hardware and the results are compared.