Avec l’émergence rapide des applications Internet, il est prévu que le trafic mobile mondial augmente de huit fois entre fin 2018 et 2022. En même temps, les futurs systèmes de communication se devront aussi d’améliorer l'efficacité spectrale des transmissions, le temps de latence et l’équité entre utilisateurs. À cette fin, une technique d’accès multiple non orthogonal (NOMA) a été récemment proposée comme un candidat prometteur pour les futurs accès radio. La technique NOMA est basée sur un nouveau domaine de multiplexage, le domaine des puissances. Elle permet la cohabitation de deux ou plusieurs utilisateurs par sous-porteuse ou sous-bande de fréquence. Cette thèse aborde plusieurs problèmes liés à l’allocation de ressources basée sur NOMA afin d'améliorer les performances du réseau en termes d'efficacité spectrale, de débit et/ou d’équité entre utilisateurs. Dans ce sens, des solutions théoriques et algorithmiques sont proposées et des résultats numériques sont obtenus afin de valider les solutions et de vérifier la capacité des algorithmes proposés à atteindre des performances optimales ou sous-optimales. Après une étude bibliographique des différentes techniques d’allocation de ressources présentée dans le premier chapitre, on propose dans le deuxième chapitre plusieurs stratégies d’allocation de ressource où une réduction de la bande utilisée par les utilisateurs est ciblée. Les résultats de simulation montrent que les stratégies proposées améliorent à la fois l’efficacité spectrale et le débit total des utilisateurs par rapport aux systèmes basés uniquement sur des techniques d’accès orthogonales. Quant au troisième chapitre, il étudie la performance du Proportional Fairness (PF) Scheduler tout en considérant que la bande passante est disponible en totalité. Dans ce sens, plusieurs améliorations basées sur le PF sont proposées, qui offrent au système NOMA des avantages en termes de débit, d’équité entre utilisateurs et de qualité de service. Dans le quatrième chapitre, nous proposons plusieurs techniques d’allocation de ressources qui donnent aux utilisateurs la possibilité de favoriser le débit par rapport à l’équité entre utilisateurs et vice versa. Dans le dernier chapitre, différentes techniques permettant une transmission hybride broadcast/broadband sur la même bande de fréquence sont proposées et comparées à l’état de l’art. / With the proliferation of Internet applications, between the end of 2016 and 2022, total mobile traffic is expected to increase by 8 times. At the same time, communications networks are required to further enhance system efficiency, latency, and user fairness. To this end, non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently emerged as a promising candidate for future radio access. By exploiting an additional multiplexing domain, the power domain, NOMA allows the cohabitation of two or more users per subcarrier, based on the principle of signal superposition. This dissertation addresses several radio resource allocation problems in mobile communication systems, in order to improve network performance in terms of spectral efficiency, through put, or fairness. Theoretical analysis and algorithmic solutions are derived. Numerical results are obtained to validate our theoretical findings and demonstrate the algorithms ability of attaining optimal or sub-optimal solutions. To this direction, the second chapter of this thesis investigates several new strategies for the allocation of radio resources (bandwidth and transmission power) using NOMA principle, where the minimization of the total amount of used bandwidth is targeted. Extensive simulation results show that the proposed strategies for resource allocation can improve both the spectral efficiency and the cell-edge user throughput, especially when compared to schemes employing only orthogonal signaling. A context where the total bandwidth is available has also been studied, in the 3rd chapter where we investigate the performance of the proportional fairness (PF) scheduler, and we propose modifications to it, at the level of user scheduling and power allocation that show to improve the system capacity, user fairness and QoS. In the 4th chapter, we proposed new pairing metrics that allow to favor the fairness at the expense of the throughput and vice versa. The proposed metrics show enhancements at the level of system capacity, user fairness, and computational complexity. Different techniques that allow a hybrid broadcast/multicast transmission on the same frequency platform are proposed in the last chapter and compared to the state of the art.

Une grande partie des résultats rapportés dans cette thèse est basée sur une observation qui n'a jamais été faite pour les communications sans fil et le contrôle de puissance en particulier: les niveaux de puissance d'émission et plus généralement les matrices de covariance peuvent être exploitées pour intégrer des informations de coordination. Les échantillons de rétroaction dépendants des interférences peuvent être exploités comme canal de communication. Premièrement, nous montrons que le fameux algorithme itératif de remplissage d'eau n'exploite pas suffisamment l'information disponible en termes d'utilité-somme. En effet, nous montrons que l'information globale d'état de canal peut être acquise à partir de la seule connaissance d'une rétroaction de type SINR. Une question naturelle se pose alors. Est-il possible de concevoir un algorithme de contrôle de puissance distribué qui exploite au mieux les informations disponibles? Pour répondre à cette question, nous dérivons la caractérisation de la région d'utilité pour le problème considéré et montrons comment exploiter cette caractérisation non seulement pour mesurer globalement l'efficacité mais aussi pour obtenir des fonctions de contrôle de puissance à un coup efficaces au niveau global. Motivés par le succès de notre approche sur les réseaux d'interférences mono bande et multibande, nous nous sommes demandé si elle pourrait être exploitée pour les réseaux MIMO. Nous avons identifié au moins un scénario très pertinent. En effet, nous montrons que l'alignement d'interférence opportuniste peut être implémenté en supposant seulement une rétroaction de covariance d'interférence plus bruit à l'émetteur secondaire. Puis, dans le dernier chapitre, nous généralisons le problème de la quantification, la motivation étant donnée par certaines observations faites dans les chapitres précédents. Premièrement, nous supposons que le quantificateur et le déquantificateur sont conçus pour maximiser une fonction d'utilité générale au lieu de la fonction de distorsion classique. Deuxièmement, nous supposons que le quantificateur et le déquantificateur peuvent avoir des fonctions d'utilité différentes. Cela soulève des problèmes techniques non triviaux, notre revendication est de faire un premier pas dans la résolution d'eux. / A large part of the results reported in this thesis is based on an observation which has never been made for wireless communications and power control in particular: transmit power levels and more generally transmit covariance matrices can be exploited to embed information such as coordination information and available interference-dependent feedback samples can be exploited as a communication channel. First, we show that the famous iterative water-filling algorithm does not exploit the available information sufficiently well in terms of sum-utility. Indeed, we show that global channel state information can be acquired from the sole knowledge of an SINR-type feedback. A natural question then arises. Is it possible to design a distributed power control algorithm which exploits as well as possible the available information? To answer this question, we derive the characterization of the utility region for the considered problem and show how to exploit this characterization not only to measure globally efficiency but also to obtain globally efficient one-shot power control functions. Motivated by the success of our approach for single-band and multi-band interference networks, we asked ourselves whether it could be exploited for MIMO networks. We have identified at least one very relevant scenario. Indeed, we show that opportunistic interference alignment can be implemented by only assuming interference-plus-noise covariance feedback at the secondary transmitter. Then, in the last chapter, we generalize the problem of quantization, the motivation for this being given by some observations made in the previous chapters. First, we assume that the quantizer and de-quantizer are designed to maximize a general utility function instead of the conventional distortion function. Second, we assume that the quantizer and de-quantizer may have different utility functions. This raises non-trivial technical problems, our claim is to make a very first step into solving them.

Les terminaux à conteneurs utilisent les nouvelles technologies (EDI, RFID et GPS) pour échanger des données avec leurs partenaires, pour localiser les conteneurs et leurs équipements dans le terminal, et pour automatiser des tâches. Dans cette thèse, nous montrons comment ces informations peuvent être utilisées dans la gestion des opérations.La première partie utilise les informations sur les volumes annoncés pour affecter des ressources internes dans le but de minimiser le retard global au terminal. Nous représentons cette problématique à l'aide d'un problème de flot que nous implémentons comme programme linéaire mixte. Une étude de cas est réalisée pour un terminal du Grand Port Maritime de Marseille. En outre, nous combinons le problème d'affectation de ressources avec le dimensionnement d'un système de rendez-vous. Ceci permet de minimiser le retard global.La deuxième partie utilise les informations sur les conteneurs à retirer et leurs emplacements pour optimiser le déstockage. Le but est de retirer tous les conteneurs d'une rangée en minimisant le nombre de repositionnements parasites. Nous améliorons un modèle binaire, proposons une approche exacte de type branch and price - avec un sous-problème binaire et deux variantes d'un sous-problème énumératif - et en dérivons une approche heuristique - avec un sous-problème heuristique. L'approche exacte ne résout que les petites instances ; l'approche heuristique obtient des résultats satisfaisants mais devra être améliorée. Nous nous intéressons aussi à la version dynamique du problème où les informations sur les conteneurs à retirer arrivent petit à petit et comparons différentes stratégies de repositionnement. / Container terminals use intelligent freight technologies (e.g., EDI, RFID and GPS) to exchange data with their partners, to locate containers and equipment within the terminal, and to automate tasks. This thesis illustrated, via two examples, how this data may be used to optimize operations at the terminal.The first part uses information on announced volumes to allocate internal handling equipment. The objective is to minimize overall delays at the terminal. The problem is represented as a network flow problem and implemented as a linear mixed integer programming model. A case study for a terminal at the Grand Port Maritime de Marseille is carried out. We also showed that combining the allocation problem with the dimensioning of a truck appointment system may reduce overall delays at the terminal. The second part uses information on announced container retrievals and container positions to improve retrieval operations. The objective is to retrieve containers from a bay in a given sequence with a minimum number of parasite relocations. We improve an existing binary programming model and introduce an exact branch and price approach - with a binary subproblem and two variants of an enumerative subproblem - and a heuristic branch and price approach - with a heuristic subproblem. The exact approach solves only small instances; the heuristic approach performs well on several instances, but should be improved further. We also deal with a dynamic version of the problem where the retrieval order becomes revealed over time and evaluate different relocation strategies for this case.

Container terminals use intelligent freight technologies (e.g., EDI, RFID and GPS) to exchange data with their partners, to locate containers and equipment within the terminal, and to automate tasks. This thesis illustrated, via two examples, how this data may be used to optimize operations at the terminal.The first part uses information on announced volumes to allocate internal handling equipment. The objective is to minimize overall delays at the terminal. The problem is represented as a network flow problem and implemented as a linear mixed integer programming model. A case study for a terminal at the Grand Port Maritime de Marseille is carried out. We also showed that combining the allocation problem with the dimensioning of a truck appointment system may reduce overall delays at the terminal. The second part uses information on announced container retrievals and container positions to improve retrieval operations. The objective is to retrieve containers from a bay in a given sequence with a minimum number of parasite relocations. We improve an existing binary programming model and introduce an exact branch and price approach - with a binary subproblem and two variants of an enumerative subproblem - and a heuristic branch and price approach - with a heuristic subproblem. The exact approach solves only small instances; the heuristic approach performs well on several instances, but should be improved further. We also deal with a dynamic version of the problem where the retrieval order becomes revealed over time and evaluate different relocation strategies for this case.

Cette thèse traite de quatre problèmes dans le contexte des grands systèmes distribués. Ce travail est motivé par les questions soulevées par l'expansion du Cloud Computing et des technologies associées. Le présent travail étudie l'efficacité de différents algorithmes d'allocation de ressources dans ce cadre. Les méthodes utilisées impliquent une analyse mathématique de plusieurs modèles stochastiques associés à ces réseaux. Le chapitre 1 fournit une introduction au sujet, ainsi qu'une présentation des principaux outils mathématiques utilisés dans les chapitres suivants. Le chapitre 2 présente un mécanisme de contrôle de congestion dans les services de Video on Demand fournissant des fichiers encodés dans diverses résolutions. On propose une politique selon laquelle le serveur ne livre la vidéo qu'à un débit minimal lorsque le taux d'occupation du serveur est supérieur à un certain seuil. La performance du système dans le cadre de cette politique est ensuite évaluée en fonction des taux de rejet et de dégradation. Les chapitres 3, 4 et 5 explorent les problèmes liés aux schémas de coopération entre centres de données (CD) situés à la périphérie du réseau. Dans le premier cas, on analyse une politique dans le contexte des services de cloud multi-ressources. Dans le second cas, les demandes arrivant à un CD encombré sont transmises à un CD voisin avec une probabilité donnée. Au troisième, les requêtes bloquées dans un CD sont transmises systématiquement à une autre où une politique de réservation (trunk) est introduite tel qu'une requête redirigée est acceptée seulement s'il y a un certain nombre minimum de serveurs libres dans ce CD. / This PhD thesis investigates four problems in the context of Large Distributed Systems. This work is motivated by the questions arising with the expansion of Cloud Computing and related technologies. The present work investigates the efficiency of different resource allocation algorithms in this framework. The methods used involve a mathematical analysis of several stochastic models associated to these networks. Chapter 1 provides an introduction to the subject in general, as well as a presentation of the main mathematical tools used throughout the subsequent chapters. Chapter 2 presents a congestion control mechanism in Video on Demand services delivering files encoded in various resolutions. We propose a policy under which the server delivers the video only at minimal bit rate when the occupancy rate of the server is above a certain threshold. The performance of the system under this policy is then evaluated based on both the rejection and degradation rates. Chapters 3, 4 and 5 explore problems related to cooperation schemes between data centres on the edge of the network. In the first setting, we analyse a policy in the context of multi-resource cloud services. In second case, requests that arrive at a congested data centre are forwarded to a neighbouring data centre with some given probability. In the third case, requests blocked at one data centre are forwarded systematically to another where a trunk reservation policy is introduced such that a redirected request is accepted only if there are a certain minimum number of free servers at this data centre.