Les petits appareils électroniques peu coûteux et à communication sans fil sont devenus largement disponibles. Bien que chaque entité ait des capacités limitées (par exemple, communication basique ou mémoire de taille constante), un déploiement à grande échelle de telles entités communiquantes constitue un réseau performant, en plus d’être peu coûteux. De tels systèmes distribués présentent toutefois des défis importants en ce qui concerne la conception d'algorithmes simples, efficaces et évolutifs. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’étude de ces systèmes, composés d’appareils dotés de capacités de communication très limitées, à base de simples impulsions d’énergie. Ces systèmes distribués peuvent être modélisés à l'aide du modèle de bips, dans lequel les nœuds communiquent en émettant un bip, un simple signal indifférencié, ou en écoutant leurs voisins (selon un graphe de communication non orienté). Les communications simultanées (c'est-à-dire les collisions) entraînent des interférences non destructives : un nœud, dont deux voisins ou plus émettent simultanément un bip, détecte seulement un bip. Ce mécanisme de communication simple, général et économe en énergie rend les résultats obtenus dans le modèle de bips applicables à de nombreuses situations différentes, avec cependant un challenge. En raison de la faible expressivité des bips et des collisions, la conception des algorithmes est difficile. Tout au long de ce travail, nous surmontons ces deux difficultés afin de fournir des primitives de communication efficaces. La thèse s’intéresse particulièrement aux solutions déterministes, rapides (en temps) et indépendantes des paramètres du graphe de communication (c’est-à-dire uniformes). La première partie de la thèse considère un cadre dans lequel les nœuds se réveillent en même temps (c’est-à-dire que le réseau a été configuré a priori). Pour obtenir des solutions efficaces pour des problèmes fondamentaux de communication distribuée, nous nous concentrons d’abord sur la résolution efficace de problèmes de brisure locale de symétrie : ensemble indépendant maximal et coloration de sommets utilisant au plus Δ + 1 couleurs (où Δ est le degré maximal du graphe de communication). Nous élaborons des solutions à ces problèmes ainsi qu'à leurs variantes à distance deux. Cela nous permet de simuler une communication par messages. Enfin, nous obtenons le premier algorithme de coloration utilisant moins de Δ + 1 couleurs dans le modèle de bips. Ensuite, nous étudions des problèmes définis à l’échelle du réseau, tels que l’élection d'un leader et la diffusion multiple de messages. L'élection d'un leader est un élément essentiel dans la conception d'algorithmes distribués. Nous donnons les deux premiers algorithmes d’élection de leader optimaux en temps pour le modèle de bips. L'un est déterministe, mais nécessite des identifiants uniques. Le second n’a pas besoin d’identifiants (utile pour des raisons de sécurité et de confidentialité), mais est randomisé. S'appuyant sur une élection de leader optimale en temps, plusieurs algorithmes pour la diffusion multiple, efficaces en temps et en calcul, sont présentés. La deuxième partie de la thèse considère un cadre plus difficile mais plus général, dans lequel les nœuds se réveillent de façon asynchrone. Nous nous concentrons sur le problème de désynchronisation à distance deux, qui permet un contrôle de l'accès au support, primordial dans les réseaux sans fil. Nous montrons qu'il est possible pour les nœuds de communiquer de manière cohérente au-delà de leur voisinage immédiat. A cette fin, une primitive permettant aux nœuds de simuler une communication est présentée. Cette primitive est un élément central dans la conception de l'algorithme de désynchronisation à distance deux. Enfin, nous exploitons cette solution afin d'implémenter des primitives de haut niveau pour l’envoi et la réception de messages. / Small inexpensive inter-communicating electronic devices have become widely available. Although the individual device has severely limited capabilities (e.g., basic communication, constant-size memory or limited mobility), multitudes of such weak devices communicating together are able to form a low-cost, easily deployable, yet highly performant network. Such distributed systems present significant challenges however when it comes to the design of efficient, scalable and simple algorithms. In this thesis, we are interested in studying such systems composed of devices with severely limited communication capabilities - using only simple bursts of energy. These distributed systems may be modeled using the beeping model, in which nodes communicate by beeping or listening to their neighbors (according to some undirected communication graph). Simultaneous communications (i.e., collisions) result in non-destructive interference: a node with two or more neighbors beeping simultaneously detects a beep. Its simple, general and energy efficient communication mechanism makes the beeping model widely applicable. However, that simplicity comes at a cost. Due to the poor expressiveness of beeps and the interference caused by simultaneous communications, algorithm design is challenging. Throughout this work, we overcome both difficulties in order to provide efficient communication primitives. A particular focus of the thesis is on deterministic and time-efficient solutions independent of the communication graph's parameters (i.e., uniform). The first part of the thesis considers a setting in which nodes wake up at the same time (i.e., the network has been set up a priori). To obtain efficient solutions to fundamental distributed communication problems, we first focus on efficiently solving problems for local symmetry-breaking: (Δ+1)-vertex coloring and maximal independent set (where Δ is the maximum degree of the communication graph). The solutions we devise are particularly efficient when the communication graph is sparse. They are then used to solve the 2-hop variants of these problems and to simulate message-passing. Finally, combining this simulation with existing results, which assume message-passing, gives the first vertex coloring algorithm using less than Δ+1 colors in the beeping model. Then, we study problems defined on a global scale, such as leader election and multi-broadcast (i.e., information dissemination). Leader election is a crucial building block in the design of distributed algorithms. We give the first two time-optimal leader election algorithms for the beeping model. One is deterministic, but requires unique identifiers. The second one does not need identifiers (useful for security and privacy reasons), but is randomized. Building upon the time-optimal leader election solution, computationally efficient and time-optimal algorithms for multi-broadcast are presented. Although a previous time-optimal solution was available, it required computationally expensive methods. The second part of the thesis considers a more difficult but more general setting, in which nodes wake up at some arbitrary time rounds. We focus on the desynchronization problem, and more precisely on its 2-hop variant, which can be used as medium access control method. We show that it is possible for nodes to communicate in a coherent manner beyond their 1-hop neighborhood. More concretely, a primitive allowing nodes to simulate communication on the square of the communication graph is presented. This primitive is a centerpiece in the design of the 2-hop desynchronization algorithm. Finally, by leveraging this solution, we show that higher-level primitives for sending and receiving messages can be obtained in this difficult setting.

Avec la croissance rapide des appareils et des applications mobiles, les besoins en débit et en connectivité dans les réseaux sans fil augmentent rapidement. Il est prouvé que les communications coopératives peuvent augmenter significativement l’efficacité spectrale et la fiabilité des transmissions entre les nœuds extrémaux. Le concept de coopération dans un réseau sans fil compte parmi les sujets de recherche les plus actifs en télécommunications, le but étant d'identifier les stratégies de coopération qui maximiseraient les gains en efficacité spectrale et en puissance d'émission. Pour coopérer, les nœuds du réseau partagent leurs ressources (énergie, bande de fréquence, etc. ...) pour améliorer mutuellement leurs transmissions et leurs réceptions. Dans les réseaux sans fil avec relais, les relais sont des nœuds dédiés à améliorer la qualité de la communication entre les nœuds sources et destination.Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur un réseau sans fil avec relais spécifique où l'ensemble de sources (mobiles) veulent communiquer leurs messages à une destination commune (station de base) avec l'aide d'un ensemble de relais (contexte cellulaire, sens montant). Nous étudions, sur les plans théorique et pratique, un schéma coopératif dans lequel les relais, après une durée d'écoute fixée a priori, essayent de décoder les messages des sources et commencent à transmettre des signaux utiles pour ceux qui sont décodés correctement. Ces signaux utiles sont le résultat d'un codage canal-réseau conjoint.Une des limitations du système coopératif précédent est précisément que le temps d'écoute des relais est figé et ne peut pas être adapté à la qualité fluctuante (aléatoire) des liens instantanés sources-relais. Pour pallier cette difficulté, nous proposons et analysons, dans une seconde partie de la thèse, un schéma de coopération plus avancé où le temps d'écoute de chaque relais peut être dynamique. Dans ces conditions, un relais bénéficiant d'une meilleure qualité de réception des sources peut commencer à coopérer plus tôt que d'autres relais ayant une qualité de réception moindre.Enfin, dans la troisième et dernière partie de la thèse, nous considérons la présence d'une information de retour limitée (limited feedback) entre la destination et les sources et les relais, et tentons de caractériser l'efficacité spectrale d'un tel système. / With the rapid growth of wireless technologies, devices and mobile applications, the quest of high throughput and omnipresent connectivity in wireless networks increases rapidly as well. It is well known that cooperation increases significantly the spectral efficiency (coding gain) and the reliability (diversity gain) of the transmission between the nodes. The concept of cooperation in wireless relays network is still one of the most active research topics in wireless communication, scientists are still searching for the optimal cooperation strategies that make the possible gains at the maximum. Cooperation results when nodes in a network share their power and/or bandwidth resources to mutually enhance their transmissions and receptions. In wireless relay networks, the relays are special nodes that are used to improve the quality of communication between the source nodes and the destination nodes. In particular, the use of relays guarantees more efficient and reliable networks. In this work, we focus on a special wireless relay network where a set of sources (mobiles) want to communicate their messages to a common destination (base station) with the help of a set of relaysAt the beginning of this work, we focused on the cooperative scheme where the relay, after a fixed portion of time, tries to understand (decode) the source’s messages and forwards helpful signals for the correctly decoded ones. One of the limitations of the previous cooperative scheme is the fixe listening time of the relays, which cannot be adapted to the quality of the instantaneous sources-relays links. To solve this problem we propose a more advanced cooperative scheme where the listening time of each relay can be dynamic and not fixed in advanced. So the relay that has strong links with the sources can start cooperating earlier than the other relays with weak links. Currently, we are investigating other directions of possible improvements, for example, how can we use feedback signals to improve the efficiency of the network.

L’un des défis majeurs dans la convergence des réseaux et des services vers la technologie IP est le maintien de la qualité de service (QoS) des flux audio/vidéo transmis sur des réseaux sans fil pour des utilisateurs mobiles et hétérogènes. Dans cet environnement, les services multimédia doivent faire face à plusieurs inconvénients engendrés par le manque de fiabilité d’un canal sans fil et son partage par plusieurs utilisateurs. Ces inconvénients sont accentués par l’hétérogénéité des terminaux de réception (capacité de décodage, espace de stockage, résolution d’affichage, etc.) qui doivent recevoir, décoder et afficher les flux multimédia. Afin d’assurer un accès universel aux services n’ importe où, n’importe quand et en utilisant n’importe quel terminal d’accès, les applications multimédia de nouvelle génération doivent interagir avec leur environnement pour, d’une part, informer les réseaux sous-jacents de leur besoins en QoS, et d’autre part, adapter dynamiquement leurs services en fonction des terminaux de réception et des variations intempestives des conditions de transmission. Dans ce contexte, nous proposons un nouveau système pour la transmission des flux audio/vidéo sur les réseaux 802.11 basé sur l’approche Cross-layer. Ce nouveau système, appelé XLAVS (Cross Layer Adaptive Video Streaming), communique activement avec l’ensemble des couches réseaux ainsi que le récepteur final pour déterminer l’adaptation optimale qui permet d’optimiser la QoS des flux audio/vidéo. Nos contributions se focalisent principalement sur les adaptations Cross-layer mises en œuvre par le XLAVS. Ces contributions sont organisées en deux grandes catégories : les adaptations ascendantes exécutées au niveau applicatif et les adaptations descendantes exécutées au niveau MAC 802.11. Dans la première catégorie, notre apport s’articule au tour de : (1) l’adaptation dynamique du débit vidéo en fonction du débit physique disponible dans le réseau 802.11 et (2) l’adaptation conjointe du taux de redondance FEC et du débit vidéo contrôlée par la puissance du signal et les taux de perte. Dans la deuxième catégorie, nous proposons deux mécanismes Cross-layer au niveau MAC 802.11 : (1) une fragmentation 802.11 adaptative pour trouver un compromis entre les pertes de paquets et l’overhead introduit par les couches 802.11 et (2) un groupage des images vidéo au niveau MAC pour permettre au flux vidéo d’avoir un accès au canal 802.11 proportionnel à son débit. / One of the big challenges in the convergence of networks and services to the IP technology is to maintain the Quality of service (QoS) for audio/video streams transmitted over wireless networks to heterogeneous mobiles users. In this environment, the multimedia services should face many shortcomings caused mainly by the wireless channel unreliability and its sharing among many users. These shortcomings are increased by the terminals heterogeneity (i.e. decoding capability, memory storage, display resolution, etc.) which should receive, decode and display the multimedia streams. In order to allow universal access to multimedia services anywhere, anytime and using any kind of terminal, the new generation of multimedia applications have to interact with their environment, on the one hand, to inform the underling network about their need in term of QoS, and on the other hand, to dynamically adapt their services according to the receiver terminal and the changing in network conditions. In this context, we have proposed a new Cross-layer based streaming system to transmit audio/video streams over 802.11 networks. This new system, called XLAVS (Cross layer Adaptive video streaming), actively communicates with all network layers and the end receiver to determine the optimal adaptation that optimize the QoS of audio/video streams. Our contributions focus mainly on the Cross-layer adaptations implemented on the XLAVS. These contributions are classified into two major categories: the bottom-up adaptations performed at the application level and the top-down adaptations performed at the 802.11 MAC level. In the first category, our proposals have revolved around: (1) a dynamic adaptation of video throughput according to the physical rate available in the 802.11 network and (2) a join FEC and video throughput adaptation steered by the signal strength and the loss ratio. In the second category, we have proposed two Cross-layer mechanisms at the 802.11 MAC level: (1) an adaptive 802.11 MAC fragmentation to find an optimal trade-off between the packet loss and the overhead introduced by the MAC layer and (2) a video frame grouping at MAC level that allows video stream to get access to the 802.11 channel proportionally to its throughput.

Les travaux développés dans cette thèse ont pour cadre général la mise en œuvre d’approches adaptatives permettant de faire évoluer la gestion du réseau en migrant d’une vue "centrée réseau" où l’on se contentait uniquement des paramètres issus du réseau lui-même, vers une vue "centrée utilisateur". Plus particulièrement, ces travaux se sont focalisés sur un des composants principaux de l’ensemble de la chaîne de traitement et de transport, celui de la sélection de la meilleure interface réseau embarquée dans le terminal mobile, l’objectif étant de répondre au mieux aux contraintes imposées par l’environnement. Ces travaux reposent sur une approche décisionnelle dynamique tenant compte de changements dans les paramètres réseaux et des besoins et préférences des utilisateurs au regard des services qui leur sont proposés. En effet, dans l’environnement actuel, se caractérisant par une multiplicité de technologies, d’applications et d’utilisateurs, les terminaux mobiles sont équipés de plusieurs interfaces réseaux. Ces derniers donnent ainsi la possibilité aux utilisateurs de pouvoir basculer dynamiquement d’une interface à une autre dans l’objectif d’assurer une connexion satisfaisant le mieux possible leurs besoins en termes de services en tout lieu, à tout moment et de la meilleure manière possible (ABC, Always Best Connected). Les approches mises en œuvre dans le cadre de la thèse ont permis d’associer simultanément chaque flux d’application à l’interface la plus appropriée de manière à optimiser les performances globales du système. Ainsi, ces travaux ont mené à la proposition d’approches hybrides ayant pour cadre de départ la technique TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) et en y intégrant des modèles issus de la théorie des fonctions de croyance. Pour l’association flux/interface, une proposition basée sur des algorithmes bio-inspirés a été faite dans le cadre de ces travaux. Les résultats obtenus, à la fois par simulation et sur un cas d’usage réel en lien avec le domaine de la santé connectée, ont montré l’efficacité des approches proposées / The work developed in this dissertation has as a general framework the implementation of adaptive user-centric approaches for network interface selection (NIS) and flow/interface association (FIA) in Heterogeneous Wireless Networks (HWNs). The NIS mechanism relies on a dynamic decision approach that considers the change in networks’ parameters and users’ needs and preferences for their current applications. In a heterogeneous environment, the mobile terminals that are equipped with multiple network interfaces provide the possibility for mobile end-users to switch among available network interfaces and select the one that best fulfills their needs anywhere at any time which is known as Always Best Connected (ABC). The approaches proposed in this thesis allowed to associate simultaneously each application flow to its suitable interface in a way that best maximizes the global system performance. This work has led to the proposal of hybrid approaches originating from TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) and integrating models from the belief functions theory for the NIS. Concerning the FIA, a proposal based on bio-inspired algorithms was made as part of this work. Experimental results based on synthetic datasets and an experimental test bed for health monitoring showed the effectiveness of the proposed approaches

L'informatique mobile est un domaine en plein essor qui profite des percées technologiques dans le domaine des ordinateurs portables et dans le domaine des réseaux de communication sans-fil. Ces environnements mobiles présentent des particularités : (i) dû à des limitations de taille et de poids, un terminal portable offre peu de ressources et celles-ci sont susceptibles de varier, (ii) les réseaux sans fil offrent une bande passante plus faible, sujette à des variations importantes et de fréquentes déconnexions dues aux interférences avec l'environnement, et (iii) l'environnement d'un terminal portable change suite à ses déplacements, avec l'accès, ou la disparition de l'accès, à un certain nombre de stations (mobiles ou non) et de périphériques (imprimantes, scanner, etc). L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode qui généralise l'utilisation des ressources extérieures à un terminal portable au moyen de techniques de distribution prenant en compte ces critères de la mobilité. Nous proposons donc un système adaptatif de distribution des applications en environnements mobiles. Pour cela, nous avons construit une architecture générique se décomposant en un cadre de conception et une boîte à outils. Le cadre de conception comporte des fonctionnalités couramment utilisées pour la gestion des environnements mobile. La boîte à outils comporte des implantations permettant aux concepteurs d'applications de spécialiser les fonctionnalités avec un comportement défini. Dans ce cadre, nous avons plus précisément développé deux fonctionnalités. La fonctionnalité d'adaptation et de réaction dynamique définit, en particulier, un modèle d'entité auto-adaptative, dans laquelle les concepteurs peuvent dynamiquement spécialiser (i) les adaptations possibles de l'entité et (ii) la stratégie d'adaptation, correspondant aux changements de comportement à adopter en cas de variations dans les conditions d'exécution. La fonctionnalité de gestion des ressources et de distribution des applications caractérise les particularités de l'environnement mobile et les besoins des applications au sein d'un modèle d'utilisation de type offres / demandes. Cinq services mettent en oeuvre cette fonctionnalité : (i) le service de gestion de l'environnement, (ii) le service de gestion de l'environnement local, (iii) le service de détection et notification, (iv) le service de distribution et (v) le service de contrôle de la propagation des adaptations. Ceux-ci comportent des politiques adaptatives, basées sur le modèle de l'entité, qui peuvent être dynamiquement spécialisées par les concepteurs. Un prototype, AeDEn, a été développé et plusieurs expériences ont confirmé que la distribution en environnement mobile permet d'économiser les ressources des terminaux portables et d'améliorer les performances des applications.

Chaque année en Europe, 1.300.000 accidents de la route ont comme conséquence 1.700.000 blessés. Le coût financier d'accidents de la route est évalué à 160 milliards d'euros (approximativement le même coût aux Etats-Unis). VANET (Vehicular Ad-hoc NETwork) est une des technologies clés qui peut permettre de réduire d'une façon significative le nombre d'accidents de la route (e.g. message d'urgence signalant la présence d'un obstacle ou d'un véhicule en cas de brouillard). En plus de l'amélioration de la sécurité et du confort des conducteurs et des passagers, VANET peut contribuer à beaucoup d'applications potentielles telles que la prévision et la détection d'embouteillages, la gestion d'infrastructure de système de transport urbain (e.g. système de transport intelligent multimodal) etc. Dans cette thèse, je présenterai un système embarqué dédié à la communication inter-véhicule particulièrement pour les applications sécuritaires de passagers et de conducteurs. Nos efforts de recherche et de développement sont centrés sur deux principaux objectifs : minimiser le temps de latence intra-noeud et le délai de communication inter-véhicule en prenant en compte le changement dynamique du VANET. De ce fait pour atteindre ces objectifs, des nouvelles approches (e.g. inter-couche 'Cross-layering') ont été explorées pour respecter les contraintes de ressource (QoS, mémoire, CPU et énergie de la communication inter-véhicule) d'un système embarqué à faible coût. Le système de communication embarqué proposé comporte deux composants logiciels principaux : un protocole de communication dénommé CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) et un système d'exploitation temps réel appelé HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). CIVIC est un protocole de communication géographique à faible consommation énergétique et à faible temps de latence (délai de communication). HEROS gère contextuellement l'ensemble du système (matériel et logiciel) en minimisant le temps de latence et la consommation des ressources (CPU et mémoire). En outre, le protocole de communication CIVIC est équipé d'un système de localisation LCD-GPS (Low Cost Differential GPS). Pour tester et valider les différentes techniques et théories, la plateforme matérielle LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE) a été utilisée. En effet, la plateforme LiveNode permet de développer et de prototyper rapidement des applications dans différents domaines. Le protocole de communication CIVIC est basé sur la technique de 'broadcast' à un saut ; de ce fait il est indépendant de la spécificité du réseau. Pour les expérimentations, seule la norme d'IEEE 802.15.4 (ZigBee) a été choisie comme médium d'accès sans fil. Il est à noter que le médium d'accès sans fil ZigBee a été adopté comme le médium standard pour les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) et le standard 6LoWPAN ; car il est peu coûteux et peu gourmand en énergie. Bien que le protocole de communication à l'origine soit conçu pour répondre aux exigences de VANET, ses domaines d'application ne sont pas limités à VANET. Par exemple il a été utilisé dans différents projets tels que MOBI+ (système de transport urbain intelligent) et NeT-ADDED (projet européen FP6 : agriculture de précision). Les VANETs et les RCSFs sont les réseaux fortement dynamiques, mais les causes de changement topologique de réseau sont différentes : dans le réseau VANET, il est dû à la mobilité des véhicules, et dans le RCSF, il est dû aux pannes des noeuds sans fil. Il est à noter que le VANET et le RCSF sont généralement considérés comme un sous-ensemble du réseau MANET (réseau ad-hoc mobile). Cependant, ils sont réellement tout à fait différents du MANET classique, et leurs similitudes et différences seront expliquées en détail dans la thèse. La contribution principale de mes travaux est le protocole CIVIC, qui échange des messages en basant sur l'information géographique des noeuds (position). Les travaux relatifs de la thèse se concentreront sur les techniques, les problèmes et les solutions de routage géographique, mais d'autres techniques de routage seront également adressées. Quelques projets relatifs au protocole de communication ont été étudiés mais leur implémentation et les aspects d'expérimentation n'ont pas été détaillés. Enfin la thèse ne présente pas simplement les techniques et concepts adoptés, et les résultats de simulation, mais en outre, elle expliquera les aspects techniques importants pour la réalisation et l'expérimentation des différentes applications ainsi que les résultats concrets obtenus.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le contexte des réseaux sans fil et des réseaux d'accès par Satellite en particulier, qui facilitent l'installation d'infrastructures réseau dans les zones géographiquement reculées et faiblement peuplées. Cependant, ces derniers présentent certains inconvénients lorsqu'il s'agit de déployer des applications multimédia interactives. En effet, de telles applications requièrent un délai de bout en bout aussi faible que possible et plus généralement exigent une meilleure Qualité de Service (QdS) du système de communication que le classique Meilleur-Effort (BE) afin de fonctionner correctement. Or, les réseaux d'accès par satellite géostationnaires souffrent déjà d'un délai de propagation non négligeable d'autant plus accru que la transmission des données est assurée par des mécanismes d'allocation dynamique, par exemple dans un système DVB-S2/RCS. Dans ces travaux de thèse, nous proposons d'utiliser les informations de signalisation de session des applications multimédia basées sur le protocole de session SIP afin d'ajuster le paramétrage du système de communication selon une approche " cross-layer " qui permet alors d'améliorer de façon significative la réactivité du système. Nous avons proposé plusieurs solutions pour, d'abord réduire le temps entre la demande de communication et le démarrage effectif du transfert des flux multimédia, ensuite réduire le délai de transmission des données multimédia durant la communication (tout en utilisant de manière optimale les ressources réseau disponibles sur la voie retour), et enfin accroître le nombre de flux multimédia admissibles dans le réseau satellite tout en leur garantissant un niveau de QdS satisfaisant. Afin de faciliter l'intégration et l'implémentation des solutions proposées dans un système de communication réel, un mécanisme de communication inter-couches d'optimisation est proposé et développé. De plus, une architecture orientée web services est utilisée afin de faciliter la découverte et l'invocation des différentes niveaux de services de communication présents dans de tels réseaux d'accès. Les solutions proposées ont été évaluées dans des environnements sans fil émulés et réels

L'avenir de la communication est perçu comme étant quasiment exclusivement constitué de nœuds mobiles évoluant dans un réseau mobile. Dans ce contexte, différentes approches contribuent continuellement à l'amélioration directe ou indirecte des délais d'acheminement des informations échangées entre les utilisateurs, dont :- l'analyse des traces;- l'évaluation des performances ;- les services de localisation;- le routage. Nous décrivons chacun de ses thèmes et proposons des solutions faisant évoluer l'état de l'art. Celles-ci prennent appui sur des méthodes et outils tels que :- les Réseaux de Petri, pour l'analyse des traces ;- les modèles de mobilité, pour l'évaluation des performances;- l'introduction du social dans les services de localisation;- la mise en place d'une nouvelle métrique pour le routage. Nous montrons comment ces solutions concourent de façon complémentaire les unes avec les autres, à améliorer l'expérience de l'utilisateur. / Future of communication is perceived as being almost exclusively composed of mobile nodes operating in a mobile network. In this context, different approaches contribute to continually improve directly or indirectly, delivery times of information exchanged between users, including:- Trace analysis,- Performance evaluation,- Location services,- Routing.We describe each of these topics and propose solutions by changing the state of the art.These are supported by tools and methods such as:- Petri Nets for Trace analysis,- Mobility Models for Performance evaluation,- Social addings in Location services,- The establishment of metrics for Routing.We show how these solutions work together in a complementary manner with each other, to improve the user experience.

Grâce aux avancées technologiques dans le domaine des réseaux cellulaires et des équipements mobiles, le nombre d'applications multimédia à haut débit dans les réseaux mobiles ne cesse d'augmenter. On prévoit que le trafic de données dans les réseaux mobiles en 2017 sera 13 fois plus important que celui en 2012. Pour satisfaire aux besoins des équipements mobiles, de nouvelles approches pour la gestion des ressources radio et des puissances de transmission sont requises.Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse à proposer des solutions pour remédier aux problèmes des interférences intercellulaires dans les réseaux mobiles de dernière génération. Nous enquêtons d'une manière exhaustive les différentes techniques de coordination des interférences intercellulaires existantes. Ces techniques sont qualitativement comparées, puis classées selon le taux de coopération requis entre les différentes stations de base, mais aussi selon leurs principes de fonctionnement. Nous abordons également le problème multicellulaire d'allocation des ressources et des puissances de transmission d'une manière centralisée. Nous formulons ce problème d'optimisation centralisé, puis nous le décomposons en deux sous-problèmes indépendants : l'allocation de ressources et l'allocation des puissances de transmission. De plus, une approche distribuée basée sur la théorie des jeux est proposée pour l'allocation des puissances de transmission. Les techniques centralisées de minimisation des interférences intercellulaires offrent la solution optimale au prix d'une grande charge de signalisation. Par contre, les solutions décentralisées réduisent le trafic de signalisation sans garantir l'optimalité de la solution obtenue. Nous proposons ensuite une heuristique de contrôle de puissance qui modifie localement l'allocation des puissances de transmission de manière à éviter le gaspillage d'énergie et pour réduire les interférences ressenties par les utilisateurs des stations de base voisines. Nous proposons également une technique autonome qui gère la distribution des ressources radio entre les différentes zones de chaque cellule. Cette technique répond aux besoins des utilisateurs dans chaque zone en adaptant la distribution des ressources d'une manière dynamique. Nous abordons aussi le compromis entre les techniques de gestion d'interférences intercellulaires centralisées et décentralisées. Nous proposons une approche hybride où l'allocation des ressources radio et des puissances de transmission est faite d'une manière coopérative entre les différentes cellules. Dans un premier lieu, les cellules voisines collaborent afin d'ajuster les puissances de transmission allouées aux ressources radio. Ensuite, la distribution des ressources entre les différentes zones de chaque cellule est modifiée localement, selon les besoins des utilisateurs dans chaque zone. / The exponentially increasing demand for mobile broadband communications have led to the dense deployment of cellular networks with aggressive frequency reuse patterns. The future Fifth Generation (5G) networks are expected to overcome capacity and throughput challenges by adopting a multi-tier architecture where several low-power Base Stations (BSs) are deployed within the coverage area of the macro cell. However, Inter-Cell Interference (ICI) caused by the simultaneous usage of the same spectrum in different cells, creates severe problems. ICI reduces system throughput and network capacity, and has a negative impact on cell-edge User Equipment (UE) performance. Therefore, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) techniques are required to mitigate the impact of ICI on system performance. In this thesis, we address the resource and power allocation problem in multiuser Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) networks such as LTE/LTE-A networks and dense small cell networks. We start by overviewing the state-of-the-art schemes, and provide an exhaustive classification of the existing ICIC approaches. This qualitative classification is followed by a quantitative investigation of several interference mitigation techniques. Then, we formulate a centralized multi-cell joint resource and power allocation problem, and prove that this problem is separable into two independent convex optimization problems. The objective function of the formulated problem consists in maximizing system throughput while guaranteeing throughput fairness between UEs. ICI is taken into account, and resource and power allocation is managed accordingly in a centralized manner. Furthermore, we introduce a decentralized game-theoretical method to solve the power allocation problem without the need to exchange signaling messages between the different cells. We also propose a decentralized heuristic power control algorithm based on the received Channel Quality Indication (CQI) feedbacks. The intuition behind this algorithm is to avoid power wastage for UEs that are close to the serving cell, and reducing ICI for UEs in the neighboring cells. An autonomous ICIC scheme that aims at satisfying throughput demands in each cell zone is also introduced. The obtained results show that this technique improves UE throughput fairness, and it reduces the percentage of unsatisfied UEs without generating additional signaling messages. Lastly, we provide a hybrid ICIC scheme as a compromise between the centralized and the decentralized approaches. For a cluster of adjacent cells, resource and power allocation decisions are made in a collaborative manner. First, the transmission power is adjusted after receiving the necessary information from the neighboring cells. Second, resource allocation between cell zones is locally modified, according to throughput demands in each zone.

Pour faire face à la croissance rapide du trafic mobile, différentes technologies d'accès radio (par exemple, HSPA, LTE, WiFi, et WiMAX) sont intégrées et gérées conjointement. Dans ce contexte, la sélection de TAR est une fonction clé pour améliorer les performances du réseau et l'expérience de l'utilisateur. Elle consiste à décider quelle TAR est la plus appropriée aux mobiles. Quand l'intelligence est poussée à la périphérie du réseau, les mobiles décident de manière autonome de leur meilleur TAR. Ils cherchent à maximiser égoïstement leur utilité. Toutefois, puisque les mobiles ne disposent d'aucune information sur les conditions de charge du réseau, leurs décisions peuvent conduire à une inefficacité de la performance. En outre, déléguer les décisions au réseau optimise la performance globale, mais au prix d'une augmentation de la complexité du réseau, des charges de signalisation et de traitement. Dans cette thèse, au lieu de favoriser une de ces deux approches décisionnelles, nous proposons un cadre de décision hybride: le réseau fournit des informations pour les mobiles pour mieux décider de leur TAR. Plus précisément, les utilisateurs mobiles choisissent leur TAR en fonction de leurs besoins et préférences individuelles, ainsi que des paramètres de coût monétaire et de QoS signalés par le réseau. En ajustant convenablement les informations du réseau, les décisions des utilisateurs répondent globalement aux objectifs de l'opérateur. Nous introduisons d'abord notre cadre de décision hybride. Afin de maximiser l'expérience de l'utilisateur, nous présentons une méthode de décision multicritère (MDMC) basée sur la satisfaction. Outre leurs conditions radio, les utilisateurs mobiles tiennent compte des paramètres de coût et de QoS, signalées par le réseau, pour évaluer les TAR disponibles. En comparaison avec les solutions existantes, notre algorithme répond aux besoins de l'utilisateur (par exemple, les demandes en débit, la tolérance de coût, la classe de trafic), et évite les décisions inadéquates. Une attention particulière est ensuite portée au réseau pour s'assurer qu'il diffuse des informations décisionnelles appropriées, afin de mieux exploiter ses ressources radio alors que les mobiles maximisent leur propre utilité. Nous présentons deux méthodes heuristiques pour dériver dynamiquement quoi signaler aux mobiles. Puisque les paramètres de QoS sont modulées en fonction des conditions de charge, l'exploitation des ressources radio s'est avérée efficace. Aussi, nous nous concentrons sur l'optimisation de l'information du réseau. La dérivation des paramètres de QoS est formulée comme un processus de décision semi-markovien, et les stratégies optimales sont calculées en utilisant l'algorithme de Policy Iteration. En outre, et puisque les paramètres du réseau ne peuvent pas être facilement obtenues, une approche par apprentissage par renforcement est introduite pour dériver quoi signaler aux mobiles. / To cope with the rapid growth of mobile broadband traffic, various radio access technologies (e.g., HSPA, LTE, WiFi, and WiMAX) are being integrated and jointly managed. Radio Access Technology (RAT) selection, devoted to decide to what RAT mobiles should connect, is a key functionality to improve network performance and user experience. When intelligence is pushed to the network edge, mobiles make autonomous decisions regarding selection of their most appropriate RAT. They aim to selfishly maximize their utility. However, because mobiles have no information on network load conditions, their decisions may lead to performance inefficiency. Moreover, delegating decisions to the network optimizes overall performance, but at the cost of increased network complexity, signaling, and processing load. In this thesis, instead of favoring either of these decision-making approaches, we propose a hybrid decision framework: the network provides information for the mobiles to make robust RAT selections. More precisely, mobile users select their RAT depending on their individual needs and preferences, as well as on the monetary cost and QoS parameters signaled by the network. By appropriately tuning network information, user decisions are globally expected to meet operator objectives, avoiding undesirable network states. We first introduce our hybrid decision framework. Decision makings, on the network and user sides, are investigated. To maximize user experience, we present a satisfaction-based Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) method. In addition to their radio conditions, mobile users consider the cost and QoS parameters, signaled by the network, to evaluate serving RATs. In comparison with existing MCDM solutions, our algorithm meets user needs (e.g., traffic class, throughput demand, cost tolerance), avoiding inadequate decisions. A particular attention is then addressed to the network to make sure it broadcasts suitable decisional information, so as to better exploit its radio resources while mobiles maximize their own utility. We present two heuristic methods to dynamically derive what to signal to mobiles. While QoS parameters are modulated as a function of the load conditions, radio resources are shown to be efficiently exploited. Moreover, we focus on optimizing network information. Deriving QoS parameters is formulated as a semi-Markov decision process, and optimal policies are computed using the Policy Iteration algorithm. Also, and since network parameters may not be easily obtained, a reinforcement learning approach is introduced to derive what to signal to mobiles. The performances of optimal, learning-based, and heuristic policies are analyzed. When thresholds are pertinently set, our heuristic method provides performance very close to the optimal solution. Moreover, although lower performances are observed, our learning-based algorithm has the crucial advantage of requiring no prior parameterization.