Cette thèse s’intéresse aux concepts de mobilité et de gestion du spectre dans les réseaux à radio cognitive. Ainsi, nous avons proposé deux approches décentralisées basées sur les systèmes multi-agents (SMA). Nous avons, tout d’abord, intégré des agents au sein des utilisateurs secondaires (n’ayant pas de licence pour l’accès au spectre) et des utilisateurs primaires (disposant d’une licence) et nous avons défini leurs comportements au moment du handover. Notre première solution NESAM propose un mécanisme de négociation entre les agents permettant aux utilisateurs secondaires de se voir allouer une bande de spectre avec un bon rapport prix par durée d’allocation. Nous avons, par ailleurs, proposé une deuxième solution LASMA qui se base sur l’enchère combinée avec de l’apprentissage pour assurer une gestion efficace du spectre ainsi qu’une gestion de la mobilité des utilisateurs à radio cognitive. Nos algorithmes prennent en compte les préférences des utilisateurs, comme la fréquence spectrale, le prix et la durée ainsi que les contraintes de l’environnement spectral telles que les bandes de fréquences disponibles. Nos propositions assurent une exploitation importante des ressources spectrales tout en diminuant le nombre de handovers spectraux. De plus, nos algorithmes offrent un handover spectral transparent et sans interruption lors des déplacements des utilisateurs. Nous avons prouvé également que nos solutions permettent de satisfaire les besoins des utilisateurs et d’améliorer leur utilité / In this thesis, we are interested in mobile cognitive radio networks while ensuring an efficient spectrum sharing and seamless handover at the same time. Hence, we propose two decentralized approaches based on multi-agents systems. We first deployed agents on each primary (licensed) and secondary (unlicensed cognitive radio) users, respectively. Besides, we define agents’ behaviors during the handover process.Our proposal NESAM defines a novel negotiation mechanism between agents to allow secondary users assigning the appropriate spectrum band giving a good price for the use duration. We have also proposed a second solution LASMA using the learning based auctions. Our algorithms take into account users’ requirements such as spectrum frequency, price and duration as well as environment’s constraints such as available resources.Our proposals improve the overall spectrum utilization and minimize the number of spectrum handovers when users move from one network to another one. This proves that our algorithms ensure efficient spectrum allocation and enable seamless handover during user’s mobility. Besides, we proved that our approaches guarantee users’ satisfaction and improve their utility

Face à la croissance exponentielle des réseaux mobiles très haut débit, les opérateurs de téléphonie mobile se sont lancé dans le déploiement des réseaux dits hiérarchiques (HetNet), composés par des sous-réseaux avec des caractéristiques divergentes en termes de type des cellules déployées et des technologies d’accès radio utilisées. Avec ce caractère hétérogène des réseaux cellulaire, l’exploitation de ces derniers devienne de plus en plus compliquée et coûteuse impliquant le déploiement, la configuration et la reconfiguration de stations de base et d’équipements de différentes caractéristiques. Ainsi, l’intégration dans les réseaux HetNet de fonctionnalités d’auto-configuration automatisant et simplifiant l’exploitation des réseaux deviennent une demande forte des opérateurs. Cette thèse a pour objectif l’étude et le développement de solutions de gestion dynamique de l’équilibrage de charges entre les différentes couches composant un même HetNet, pour une expérience utilisateur (QoE) améliorée. Dans ce contexte, une classe des algorithmes d’équilibrage de charges dite ‘équilibrage de charges par adaptation dynamique des paramètres de la procédure de handover’ est étudiée. Pour commencer, nous développons un modèle théorique basé sur des solutions et des outils de la géométrie stochastique et incorporant le caractère hétérogène des réseaux cellulaires. Ensuite nous exploitons ce modèle pour introduire des algorithmes d’adaptation des paramètres de handover basés sur la maximisation de la puissance reçue et du rapport signal/brouillage plus bruit (SINR). Nous exploitons ces résultats pour implémenter et étudier, par simulation à évènements discrets, des algorithmes d’équilibrage de charges dans le contexte des réseaux LTE HetNet auto-organisés basés sur les spécifications 3GPP. Ces travaux soulignent l’importance de l’équilibrage de charges afin de booster les performances des réseaux cellulaires en termes de débit global transmis, perte de paquets de données et utilisation optimisée des ressources radio. / High demands on mobile networks provide a fresh opportunity to migrate towardsmulti-tier deployments, denoted as heterogeneous network (HetNet), involving a mix of cell types and radio access technologies working together seamlessly. In this context, network optimisation functionalities such as load balancing have to be properly engineered so that HetNet benefit are fully exploited. This dissertation aims to develop tractable frameworks to model and analyze load balancing dynamics while incorporating the heterogeneous nature of cellular networks. In this context we investigate and analyze a class of load balancingstrategies, namely adaptive handover based load balancing strategies. These latter were firstly studied under the general heading of stochastic networks using independent and homogeneous Poisson point processes based network model. We propose a baseline model to characterize rate coverage and handover signalling in K-tier HetNet with a general maximum power based cell association and adaptive handover strategies. Tiers differ in terms of deployment density and cells characteristics (i.e. transmit power, bandwidth, and path loss exponent). One of the main outcomes is demonstrating the impact of offloading traffic from macro- to small-tier. This impact was studied in terms of rate coverage and HO signalling. Results show that enhancement in rate coverage is penalized by HO signalling overhead. Then appropriate algorithms of LB based adaptive HO are designed and their performance is evaluated by means of extensive system level simulations. These latter are conducted in 3GPP defined scenarios, including representation of mobility procedures in both connectedstate. Simulation results show that the proposed LB algorithms ensure performance enhancement in terms of network throughput, packet loss ratio, fairness and HO signalling.

Afin de garantir un MANET totalement connecté, nous proposons un outil analytique permettant d´estimer les rayons de couverture requis. Ensuite, nous étudions les communications multi-sauts et nous proposons plusieurs protocoles de routage pour améliorer les délais de communications. Puis, nous nous focalisons sur la contribution du réseau satellite en menant une étude comparative qualifiant les besoins en stations hybrides "HS" ainsi qu’une stratégie d´accès à ces passerelles satellite. Dans un deuxième temps, nous traitons l’ occurrence du dépassement des ressources radio et le dimensionnement de ces dernières de façon à optimiser la bande passante allouée au réseau. Nous dérivons un modèle analytique en utilisant des résultats issus de la géométrie aléatoire, permettant de prévoir la quantité de ressources radio requises par les noeuds actifs sous une certaine qualité de service "QoS" et plusieurs configurations d´antennes MIMO. Nous considérons tout d´abord un système d´accès centralisé où toutes les communications sont effectuées par l’ intermédiaire des noeuds chargés de la gestion des ressources radio. Ensuite, nous traitons le cas d´un système d´accès distribué sous le protocole d´accès Aloha où les nœuds sont autorisés à accéder à la bande passante partagée aléatoirement et uniformément. Les simulations et les résultats numériques permettent d´évaluer les performances en termes de bande passante requise, de capacité globale et de rayons de couverture. / In the first part of this thesis, we tackle the initialization of the network in this hierarchical context. We propose a statistical model enabling a network designer to perceive the requirements in terms of equipments, channel bandwidth, antenna configurations, antenna radiation pattern, achievable data rates for instance. In order to guarantee fully connected MANET, we introduce an analytical tool to estimate the required inter-staff-ships and inter-shipmasters coverage radii. Then we study the multi-hop end-to-end communications and we propose several routing protocols to enhance the delays. Afterwards, we focus on the contribution of the satellite backhaul with a comparative study qualifying the needs in Hybrid Stations “HSs” and a strategy to access to these gateways. In a second part, we emphasis on the radio resource outage occurrence and the dimensioning matter to optimize the allocated bandwidth to the network. We investigate stochastic geometry tools to provide an analytical model enabling to foresee the amount of required radio resources by the active nodes with a certain Quality of Service “QoS” and several Multiple Inputs Multiple Outputs “MIMO” antenna configurations in the maritime context. We consider first the centralized access scheme where all communications are performed via the shipmasters that are in charge of the radio resource management. Then we focus on the distributed access scheme with Aloha Medium Access Control “MAC” protocol where nodes are authorized to access to the shared bandwidth arbitrarily and unilaterally. Simulation and numerical results are provided to evaluate the performances in terms of required bandwidth, aggregate capacity.

Avec le développement des technologies de communication sans fil, les réseaux de capteur à radio cognitive (CRSNs) représentent une solution efficace pour le déploiement des réseaux électriques intelligents, connus aussi sous le nom de smart grids. La technologie de radio cognitive permet aux nœuds capteurs d’utiliser les bandes de fréquences non utilisées par des utilisateurs avec licence afin de contourner les limitations des bandes de fréquences sans licence. Dans ce contexte, plusieurs problèmes de communication freinent le déploiement des CRSNs pour les smart grids tel que la coexistence de différentes applications électriques ainsi que l’hétérogénéité des disponibilités des bandes de fréquence avec licence entre les nœuds capteurs. Les travaux de recherche menés dans cette thèse se focalisent essentiellement sur l’allocation des ressources spectrales pour les CRSNs déployés pour contrôler des smart grids. Nous proposons des nouvelles techniques d’allocation de ressources spectrales qui prennent en considération des topologies de déploiement possibles des CRSNs dans les smart grids tout en assurant d’une manière distribuée l’équité entre les nœuds capteurs déployés. Tout au long de notre travail, l’allocation des canaux est effectuée sans faire appel à un canal de contrôle en commun pour le partage des messages de contrôle avant chaque accès au spectre. L'évaluation de performances des différentes solutions développées montre qu'elles réalisent effectivement une allocation opportuniste des ressources spectrales d’une manière distribuée et équitable tout en considérant différentes caractéristiques du système sous-jacent aux réseaux électriques intelligents. / With the advances in wireless communication technologies, cognitive radio sensor networks (CRSNs) stand as an efficient spectrum solution in the development of intelligent electrical power networks, the smart grids. The cognitive radio (CR) technology provides the sensors with the ability to use the temporally available licensed spectrum in order to escape the unlicensed spectrum resource scarcity problem. In this context, several challenging communication issues face the CRSN deployment for smart grids such as the coexistence of different electrical applications and the heterogeneous opportunities to access available licensed channels between smart grid sensors. The work conducted in this thesis focuses on spectrum resource allocations for CRSNs in smart grids. We concentrate our efforts on the development of new spectrum resource sharing paradigms for CRSNs in smart grids. The developed solutions focus on distributed and balanced spectrum sharing among smart grid sensors and on eventual CRSN deployment scenarios in smart grid areas. All along the thesis, channels are assigned without relying on a predefined common control channel (CCC) to exchange control messages before each spectrum access trial. All along the thesis, channels are assigned without relying on a predefined common control channel (CCC) to exchange control messages before each spectrum access trial. Performance evaluation of the different proposed channel assignment solutions shows their ability to achieve a distributed and fair opportunistic spectrum assignment in a way to consider different smart grid system characteristics.

Le conflit entre la demande de services multimédia en multidiffusion à haut débit (MBMS) et les limites en ressources radio demandent une gestion efficace de l'allocation des ressources radio (RRM) dans les réseaux 3G UMTS. À l'opposé des travaux existant dans ce domaine, cette thèse se propose de résoudre le problème de RRM dans les MBMS par une approche d’optimisation combinatoire. Le travail commence par une modélisation formelle du problème cible, désigné comme Flexible Radio Resource Management Model (F2R2M). Une analyse de la complexité et du paysage de recherche est effectuée à partir de ce modèle. Tout d’abord on montre qu'en assouplissant les contraintes de code OVSF, le problème de RRM pour les MBMS peut s'apparenter à un problème de sac à dos à choix multiples (MCKP). Une telle constatation permet de calculer les limites théoriques de la solution en résolvant le MCKP similaire. En outre, l'analyse du paysage montre que les espaces de recherche sont accidentés et constellés d'optima locaux. Sur la base de cette analyse, des algorithmes métaheuristiques sont étudiés pour résoudre le problème. Nous montrons tout d'abord que un Greedy Local Search (GLS) et un recuit simulé (SA) peuvent trouver de meilleures solutions que les approches existantes implémentées dans le système UMTS, mais la multiplicité des optima locaux rend les algorithmes très instables. Un algorithme de recherche tabou (TS) incluant une recherche à voisinage variable (VNS) est aussi développé et comparé aux autres algorithmes (GLS et SA) et aux approches actuelles du système UMTS ; les résultats de la recherche tabou dépassent toutes les autres approches. Enfin les meilleures solutions trouvées par TS sont également comparées avec les solutions théoriques générées par le solveur MCKP. On constate que les meilleures solutions trouvées par TS sont égales ou très proches des solutions optimales théoriques. / The high throughputs supported by the multimedia multicast services (MBMS) and the limited radio resources result in strong requirement for efficient radio resource management (RRM) in UMTS 3G networks. This PhD thesis proposes to solve the MBMS RRM problem as a combinatorial optimization problem. The work starts with a formal modeling of the problem, named as the Flexible Radio Resource Management Model (F2R2M). An in-depth analysis of the problem complexity and the search landscape is done from the model. It is showed that, by relaxing the OVSF code constraints, the MBMS RRM problem can be approximated as a Multiple-Choice Knapsack Problem (MCKP). Such work allows us to compute the theoretical solution bounds by solving the approximated MCKP. Then the fitness landscape analysis shows that the search spaces are rough and reveal several local optimums. Based on the analysis, some metaheuristic algorithms are studied to solve the MBMS RRM problem. We first show that a Greedy Local Search (GLS) and a Simulated Annealing (SA) allow us to find better solutions than the existing approaches implemented in the UMTS system, however the results are instable due to the landscape roughness. Finally we have developed a Tabu Search (TS) mixed with a Variable Neighborhood Search (VNS) algorithm and we have compared it with GLS, SA and UMTS embedded algorithms. Not only the TS outperforms all the other approaches on several scenarios but also, by comparing it with the theoretical solution bounds generated by the MCKP solver, we observe that TS is equal or close to the theoretical optimal solutions.

Les nouveaux services de télécommunication accessibles en mobilité entraînent une demande croissante de débit et amènent aux limites de capacités des réseaux actuels. Pour répondre à cette demande, les opérateurs cellulaires déploient de nouvelles technologies et densifient leurs réseaux en ajoutant des petites cellules, où les stations de base sont plus proches des utilisateurs. Compte tenu de la visibilité directe et de la faible hauteur des antennes, le canal de propagation des petites cellules est différent de celui des macro-cellules et les modèles stochastiques de canal existants ne sont plus adaptés. C’est dans ce contexte que se situe cette thèse, qui explore les problématiques de dynamique dans le canal de propagation et dans l’utilisation des ressources radio. Nous proposons dans une première partie de caractériser les dynamiques dans le canal de propagation de petite cellule en milieu extérieur. Cette caractérisation se base sur des prédictions déterministes, où une partie de l’environnement est généré de manière aléatoire afin de procéder à des études statistiques. Pour cela, nous mettons en place une plateforme de simulation, capable de générer des objets statiques, de les déplacer et de les prendre en compte dans des outils de prédiction de propagation adaptés aux petites cellules. Une phase de mesures de l’impact du trafic de véhicules sur la puissance du signal permet de valider les outils de propagation développés dans la plateforme. L’objectif de la deuxième partie de la thèse est d’évaluer l’impact de ces nouvelles topologies sur les performances des réseaux hétérogènes. Nous présentons un modèle hybride de propagation qui prend en compte les variations de signal dues au trafic de véhicules en combinant les approches déterministes et statistiques, pour avoir les avantages de résultats précis et d’un temps de calcul rapide. Ce modèle hybride est utilisé par la suite dans un processus de simulation de réseau cellulaire 3G LTE au niveau système, où nous évaluons l’impact du trafic de véhicules sur le débit maximal, la consommation d’énergie et le respect de la qualité de service. / New services available with modern mobile telecommunication networks lead to a growing demand for better bit rates up to reach the capacity limits of current networks. To face this demand, cellular network operators deploy new technologies and densify their radio access by adding small cells, where the distance between the mobile users and the base stations is decreased. Given the Line of Sight conditions and the low height of base station antennas, the small-cell propagation channel is different from the classical macro-cellular channel and existing stochastic channel models are not suited anymore. In this context, this Ph.D. work proposes to explore challenges on the dynamics of the channel and of radio resource usage. In a first part, we propose to characterize the dynamics of the propagation channel in small-cell outdoor environments. This characterization is based on deterministic predictions, where part of the environment is randomly generated in order to proceed to statistical analysis. We describe a simulation framework able to generate static objects, to move them and to take them into account in propagation prediction tools targeted for small-cell environments. Measurements of the impact of vehicular traffic on received power enable the validation of propagation tools developed in the framework. In the second part of this work, we propose to evaluate the impact of those new topologies on the performance of heterogeneous networks. We present a hybrid propagation model taking into account signal variations due to vehicular traffic by combining deterministic and statistic approaches in order to benefit from both advantages: accurate results and quick simulations. This hybrid model is finally used in a cellular 3G LTE network simulation process where we evaluate the impact of vehicular traffic on maximal throughputs, energy consumption and quality of service.

Le terme "réseau vert" ou pour éviter une traduction directe, "réseau propre" repose sur la sélection de technologies et de produits réseaux économes en énergie, et grantissant un usage minimal des ressources (radio, bande passante,...) quand cela est possible. Cette thèse vise à étudier les problèmes d'allocation des ressources dans les petits réseaux de cellules dans un contexte de réseau propre. Nous développons des algorithmes pour différents paradigmes. Nos travaux reposent principalement sur le contexte de la théorie des jeux de coalition, mais également sur des outils de géométrie stochastique ainsi que d'un modèle de jeu de surpeuplement. Nous étudions tout d'abord le problème d'association de mobiles à des stations de base dans les applications de diffusion d'un flux commun, sous contrainte de minimisation de la consommation d'énergie totale: nos algorithmes suivent une approche préservant l'énergie. Nous examinons le problème d'association des mobiles sous le prisme des jeux de coalition. Ce jeu tend à former la grande coalition, qui se caractérise par le fait que tous les joueurs forment une coalition unique. En utilisant le théorème de Bondareva-Shapley, nous prouvons que ce jeu de coalition a un noyau non vide ce qui signifie que la grande coalition est stable. Ensuite, nous examinons la politique de répartition des coûts pour différentes méthodes. Dans une deuxième partie, nous analysons un problème important dans les réseaux propres qui consiste à étteindre les stations de base qui ne sont pas indispensables. Nous abordons ce problème de facon statistique, dans le cas de fournisseurs de services coopérant au moyen d'outils de jeux de coalition vus sous un angle de la géométrie stochastique. Le jeu coalitionnel considéré est joué par les fournisseurs de services qui collaborent à éteindre leurs stations de base. Nous avons analysé la stabilité de Nash qui est un concept utilisé pour les jeux de coalition hédoniques. Nous posons la question suivante: Existe-t-il une méthode de répartition de la fonction d'utilitè qui se traduit par un partitionnement Nash-stable? Nous répondons à cette question dans la thèse. Nous démontrons que le noyau Nash-stable, défini comme l'ensemble des méthodes de répartition des couts conduisant à un partitionnement stable au sens de la stabilité de Nash. Nous considérons finalement les jeux liés à l'association des mobiles à un point d'accès non plus dans le cas d'un broadcast, mais dans le cas général. Le jeu consiste à décider à quel point d'accès un mobile doit se connecter. Nous considérons le choix entre deux points d'accès ou plus. Les décisions d'association dépendent du nombre de mobiles connectés à chacun des points d'accès. Nous obtenons de nouveaux résultats en utilisant des outils élémen taires de jeux de congestion et déviction. Enfin, nous nous intéressons aux transmissions coopératives. Nous étudions le problème de la sélection de partenaires dans le cas de constitution de binomes gagnant-gagnant, ou chacun des partenaire s'appuie sur l'autre pour sa propre transmission. Nous proposons d'assimiler la sélection des partenaires au problème classique en théorie des jeux de recherche stable de colocataire où chaque joueur établi une liste de préférence parmi les partenaires possibles; Nous adaptons l'algorithme de Irving pour déterminer le partenaire de chaque joueur et nous introduisons une version décentralisée de l'algorithme de Irving.