abstract: The integration of passive optical networks (PONs) and wireless mesh networks (WMNs) into Fiber-Wireless (FiWi) networks has recently emerged as a promising strategy for providing flexible network services at relative high transmission rates. This work investigates the effectiveness of localized routing that prioritizes transmissions over the local gateway to the optical network and avoids wireless packet transmissions in radio zones that do not contain the packet source or destination. Existing routing schemes for FiWi networks consider mainly hop-count and delay metrics over a flat WMN node topology and do not specifically prioritize the local network structure. The combination of clustered and localized routing (CluLoR) performs better in terms of throughput-delay compared to routing schemes that are based on minimum hop-count which do not consider traffic localization. Subsequently, this work also investigates the packet delays when relatively low-rate traffic that has traversed a wireless network is mixed with conventional high-rate PON-only traffic. A range of different FiWi network architectures with different dynamic bandwidth allocation (DBA) mechanisms is considered. The grouping of the optical network units (ONUs) in the double-phase polling (DPP) DBA mechanism in long-range (order of 100~Km) FiWi networks is closely examined, and a novel grouping by cycle length (GCL) strategy that achieves favorable packet delay performance is introduced. At the end, this work proposes a novel backhaul network architecture based on a Smart Gateway (Sm-GW) between the small cell base stations (e.g., LTE eNBs) and the conventional backhaul gateways, e.g., LTE Servicing/Packet Gateway (S/P-GW). The Sm-GW accommodates flexible number of small cells while reducing the infrastructure requirements at the S-GW of LTE backhaul. In contrast to existing methods, the proposed Sm-GW incorporates the scheduling mechanisms to achieve the network fairness while sharing the resources among all the connected small cells base stations. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2016

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / IntroduÃÃo: As drogas quimioterÃpicas convencionais nÃo tÃm obtido sucesso no tratamento do cÃncer gÃstrico. O paclitaxel (TaxolÂ) mostrou ser efetivo no tratamento dos cÃnceres de ovÃrio, mama e pulmÃo. O 5-fluorouracil (5-FU) tem apresentado resultados promissores no tratamento do cÃncer de cÃlon. O Ãcido folÃnico (LeucovorinÂ) potencializa a citotoxicidade do 5-fluorouracil. Estudos desen-volvidos no JapÃo, Estados Unidos e Europa vÃm sugerindo o uso de quimioterapia associada à hiper-termia no controle da doenÃa localmente avanÃada. Objetivos: Avaliar a influÃncia do paclitaxel, 5-fluorouracil e 5-fluorouracil mais Ãcido folÃnico, isolados e associados à hipertermia, na sobrevida de ratos com tumor de Walker 256 implantados no estÃmago, e observar o comportamento do tumor de Walker 256 original implantado em estÃmagos de rato sem tratamento e submetidos aos tratamentos quimioterÃpicos propostos, associados à hipertermia. MÃtodos: Implantou-se o tumor de Walker 256 na mucosa gÃstrica de rato no 3o, 7o, e 10o dias de inoculaÃÃo do tumor. Os animais foram tratados com paclitaxel, 5-fluorouracil e 5-fluorouracil mais Ãcido folÃnico, isolados e associados à hipertermia. Foram administrados paclitaxel na dose de 25 mg/m2, 5-fluorouracil na dose de 130 mg/m2 e Ãcido folÃnico na dose de 7 mg/m2. A Hipertermia de Corpo Inteiro foi iniciada 2 horas apÃs a administraÃÃo dos quimioterÃpicos, tendo duraÃÃo de 1 hora. Resultados: Os animais inoculados com tumor apresentaram uma sobrevida de 13,25  0,53. Os animais tratados com Paclitaxel isolado apresentaram sobrevida de 28,61  0,82; 20,92  1,77 e 20,07  0,60 no 3o, 7o e 10o dias, respectivamente, e aqueles trata-dos com Paclitaxel + hipertermia apresentaram sobrevida de 19,17  1,20; 22,54  1,47 e 17,92  1,06 nos mesmos perÃodos. Os animais tratados com 5-fluorouracil isolado apresentaram sobrevida de 16,16  0,52; 15,57  0,57 e 17,94  0,46 no 3o, 7o e 10o dias, respectivamente, e aqueles tratados com 5-fluorouracil + hipertermia apresentaram sobrevida de 14,45  0,36; 16,36  0,81 e 18,37  1,86 nos mesmos perÃodos. Os animais tratados com 5-fluorouracil + Ãcido folÃnico apresentaram sobrevida de 14,89  0,71; 16,56  0,91 e 16,11  0,67 no 3o, 7o e 10o dias, respectivamente, e aqueles tratados com 5-fluorouracil + Ãcido folÃnico + hipertermia apresentaram sobrevida de 17,60  1,22; Â15,42  0,31 e 15,45  0,39 nos mesmos perÃodos. ConclusÃes: O tumor experimental de Walker 256 à um tumor de pequenas cÃlulas. A hipertermia associada à quimioterapia, com paclitaxel, 5-fluorouracil, 5-fluorouracil mais Ãcido folÃnico como tratamento do tumor de Walker experimental implantado nos estÃmagos de rato Wistar, nÃo melhorou a sobrevida. / Introduction: The conventional chemotherapy drugs have not obtained success on the treatment of gastric cancer. The paclitaxel (TaxolÂ) showed to be effective on treating lung, breast and ovarian cancer. The 5-fluorouracil (5-FU) has shown promising results on the treatment of colon cancer. The folinic acid (LeucovorinÂ) reinforces the 5-FU cytotoxicity. Studies developed in Japan, United States and Europe suggest the use of chemotherapy associated with hyperthermia on the control of locally advanced disease. Objectives: Evaluate the influence of paclitaxel, 5-fluorouracil and 5-fluorouracil plus folinic acid, isolated and associated with hyperthermia, on the survival of rats with Walker 256 tumor implanted on their stomach, and observe the behavior of the original Walker 256 tumor implanted in the stomach of rats with no treatment and with the proposed chemotherapy treatments associated with hyperthermia. Methods: The Walker 256 tu-mor was implanted on the mucous layer of the rat stomach on the 3rd, 7th and 10th day after inoculation. The animals were treated with paclitaxel, 5-fluorouracil and 5-fluorourcil plus folinic acid isolated and associated with hyperthermia. Paclitaxel 25 mg/m2, 5-fluorouracil 130 mg/m2 and folinic acid 7 mg/m2 were used. The Whole-Body Hyperthermia was initiated 2 hours after the administration of the chemotherapic drugs, with 1 hour of duration. Results: The animals in-oculated with tumor showed a survival of 13.25  0.53. The animals treated with Paclitaxel isolated showed a survival of 28.61  0.82; 20.92  1.77 and 20.07  0.60 in the 3rd, 7th and 10th days, respectively, and those treated with Paclitaxel + hyperthermia showed a survival of 19.17  1.20; 22.54  1.47 and 17.92  1.06 in the same periods. The animals treated with 5-fluorouracil isolated showed a survival of 16.16  0.52; 15.57  0.57 and 17.94  0.46 in the 3rd, 7th and 10th days, respectively, and those treated with 5-fluorouracil + hyperthermia showed a survival of 14.45  0.36; 16.36  0.81 and 18.37  1.86 in the same periods. The animals treated with 5-fluorouracil + folinic acid showed a survival of 14.89  0.71; 16.56  0.91 and 16.11  0.67 in the 3rd, 7th and 10th days, respectively, and those treated with 5-fluorouracil + folinic acid + hyperthermia showed a survival of 17.60  1.22; 15.42  0.31 and 15.45  0.39 in the same periods. Conclusions: The Walker 256 is a small cell tumor. The hyperthermia associated with chemotherapy using pacli-taxel, 5-fluorouracil and 5-fluorouracil plus folinic acid as treatment of Walker experimental tu-mor implanted in Wistar rat stomachs do not improved the survival.

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 garantissant un usage minimal des ressources 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. Nous prouvons que ce jeu de coalition à un noyau non vide ce qui signifie que la grande coalition est stable. Dans une deuxième partie, nous analysons un problème important dans les réseaux propres qui consiste à éteindre les stations de base qui ne sont pas indispensables. Nous abordons ce problème de façon 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’utilité 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. 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 élémentaires de jeux de congestion et d’éviction. Nous étudions le problème de la sélection de partenaires dans le cas de constitution de binomes gagnant-gagnant, ou chacun des partenaires 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. / The term “green networking” refers to energy-efficient networking technologies and products, while minimizing resource usage as possible. This thesis targets the problem of resource allocation in small cells networks in a green networking context. We develop algorithms for different paradigms. We exploit the framework of coalitional games theory and some stochastic geometric tools as well as the crowding game model. We first study the mobile assignment problem in broadcast transmission where minimal total power consumption is sought. A green-aware approach is followed in our algorithms. We examine the coalitional game aspects of the mobile assignment problem. This game has an incentive to form grand coalition where all players join to the game. By using Bondareva-Shapley theorem, we prove that this coalitional game has a non-empty core which means that the grand coalition is stable. Then, we examine the cost allocation policy for different methods. In a second part, we analyze a significant problem in green networking called switching off base stations in case of cooperating service providers by means of stochastic geometric and coalitional game tools. The coalitional game herein considered is played by service providers who cooperate in switching off base stations. We observed the Nash stability which is a concept in hedonic coalition formation games. We ask the following question: Is there any utility allocation method which could result in a Nash-stable partition? We address this issue in the thesis. We propose the definition of the Nash-stable core which is the set of all possible utility allocation methods resulting in stable partitions obtained according to Nash stability. We finally consider games related to the association of mobiles to an access point. The player is the mobile which has to decide to which access point to connect. We consider the choice between two access points or more, where the access decisions may depend on the number of mobiles connected to each access points. We obtained new results using elementary tools from congestion and crowding games. Last but not least, we extend our work to cooperative transmissions. We formulate the partner selection problem in cooperative relaying based on a matching theoretic approach. Partner selection is described as a special stable roommate problem where each player ranks its partners by some criterion. We adapted Irving’s algorithm for determining the partner of each player. We introduced a decentralized version of the Irving’s algorithm.

La croissance phénoménale du trafic pousse les opérateurs mobiles à différencier leurs plans de tarification en se basant sur la bande passante consommée. Afin de maximiser la monétisation du trafic de données, les opérateurs devront envisager des approches plus intelligentes tout en améliorant leurs réseaux actuels ou en déployant de nouvelles infrastructures. Les Small Cells sont une partie intégrante des réseaux cellulaires matures 3G/4G et futurs 5G. Les Small Cells peuvent être de facto déployées dans des architectures hétérogènes pour la densification des réseaux macrocellulaires, ou de façon homogène pour une couverture en haut débit. Pour le deuxième cas de déploiement, de nouveaux défis doivent être résolus: un réseau de collecte fiable et économique est vital pour les déploiements des Small Cells. Le réseau de collecte est spécifiquement plus contraignant pour les déploiements des Small Cells dans les zones dites green-field, où les infrastructures de transport sont absentes ou présentes mais ne peuvent être contrôlées par l'opérateur. En d'autres termes, l'opérateur mobile souhaite garantir une bonne qualité d'accès aux services haut débit en se basant uniquement sur des Small Cells, tout en réduisant le coût global de l'installation. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur des solutions de réseau de collecte rentables qui peuvent fournir les capacités minimales requises par les utilisateurs finaux. Notre première contribution vise à assurer une capacité suffisante aux réseaux Small Cells 4G. Tout d'abord, nous proposons une méthode rentable qui minimise les coûts du réseau de collecte tout en respectant les contraintes de : 1) demande de trafic dans le réseau d'accès, et de 2) caractéristiques technologiques des liens de collecte. Cette méthode permet d'obtenir des solutions sur mesure de réseau de collecte à coûts optimal pour un réseau d'accès donné, basé sur des Small Cells; ces solutions sont constituées de différentes technologies de liaison. Deuxièmement, nous analysons l'impact de l'activité des utilisateurs finaux sur le trafic généré à la fois sur les deux interfaces logiques S1 et X2 d'une Small Cell, tout en tenant compte les différentes composantes de trafic moyen d'un utilisateur final. Cette analyse permet d'avoir un aperçu très utile pour la sélection des solutions nécessaires au réseau de collecte. Dans notre deuxième contribution, nous nous focalisons sur l'amélioration des capacités des systèmes WLAN. Nous concevons un protocole d'ordonnancement MAC pour les transmissions uplink multi-utilisateurs : il permet un échange minimal des trames de contrôle requises pour la mise en place des transmissions entre les multiples émetteurs et le récepteur. Les résultats d'analyse et de simulations révèlent des performances améliorées, d'un point de vue du système et de l'utilisateur. / The recent phenomenal traffic growth is driving mobile operators to tier their pricing plans based on consumed bandwidth. To maximize data traffic monetization, operators will need to consider smarter approaches while upgrading their current networks or deploying new ones. Small Cells are an integral part of both mature 3G/4G and future 5G cellular networks. Small Cells may be de facto deployed in heterogeneous architectures for Macro cells densification, or homogeneously for minimum broadband coverage. In this respect, emerging challenges must be tackled: a reliable and economical backhaul is vital for Small Cells deployments. It is specifically more constraining for Small Cells deployments in green-field areas, where transport infrastructure are absent or non-owned. In other words, the mobile operator wants to ensure good quality access to broadband services based only on Small Cells, while reducing overall installation cost. In this thesis, we focus on cost-efficient backhaul solutions that may provide the minimum capacities required by end users. Our first contribution targets the provisioning of 4G Small Cells networks with sufficient capacity. Firstly, we provide a cost-efficient method that minimizes backhaul cost while respecting the constraints of access network traffic demand and connecting technologies characteristics. This method provides with customized cost-optimal backhaul solutions for a given Small Cells access network; those solutions are made up of different linking technologies. Secondly, we analyze the impact of end users activity -i.e. data exchange- on generated traffic on both a Small Cell logical interfaces S1 and X2; by taking into account different traffic components of an end user device. The analysis supplies with valuable insights on selecting the needed backhaul solutions. In our second contribution, we focus on improving capacity in WLAN systems. We design a MAC scheduling scheme for uplink multi-users transmissions: it enables to exchange minimal control frames required for the establishment of transmissions between the multiple transmitters and the receiver. Both analytic results and conducted proof-of-concept simulations show improved efficiency for both system and user oriented performances.

Yes / As 5th Generation research reaches the twilight, the research community must go beyond 5G and look towards the 2030 connectivity landscape, namely 6G. In this context, this work takes a step towards the 6G vision by proposing a next generation communication platform, which aims to extend the rigid coverage area of fixed deployment networks by considering virtual mobile small cells (MSC) that are created on demand. Relying on emerging computing paradigms such as NFV (Network Function Virtualization) and SDN (Software Defined Networking), these cells can harness radio and networking capability locally reducing protocol signalling latency and overhead. These MSCs constitute an intelligent pool of networking resources that can collaborate to form a wireless network of MSCs providing a communication platform for localized, ubiquitous and reliable connectivity. The technology enablers for implementing the MSC concept are also addressed in terms of virtualization, lightweight wireless security, and energy efficient RF. The benefits of the MSC architecture towards reliable and efficient cell-offloading are demonstrated as a use-case. / This project has received funding from the European Union's H2020 research and innovation program under grant agreement H2020-MCSAITN- 2016-SECRET 722424 [2].

The term "green networking" refers to energy-efficient networking technologies and products, while minimizing resource usage as possible. This thesis targets the problem of resource allocation in small cells networks in a green networking context. We develop algorithms for different paradigms. We exploit the framework of coalitional games theory and some stochastic geometric tools as well as the crowding game model. We first study the mobile assignment problem in broadcast transmission where minimal total power consumption is sought. A green-aware approach is followed in our algorithms. We examine the coalitional game aspects of the mobile assignment problem. This game has an incentive to form grand coalition where all players join to the game. By using Bondareva-Shapley theorem, we prove that this coalitional game has a non-empty core which means that the grand coalition is stable. Then, we examine the cost allocation policy for different methods. In a second part, we analyze a significant problem in green networking called switching off base stations in case of cooperating service providers by means of stochastic geometric and coalitional game tools. The coalitional game herein considered is played by service providers who cooperate in switching off base stations. We observed the Nash stability which is a concept in hedonic coalition formation games. We ask the following question: Is there any utility allocation method which could result in a Nash-stable partition? We address this issue in the thesis. We propose the definition of the Nash-stable core which is the set of all possible utility allocation methods resulting in stable partitions obtained according to Nash stability. We finally consider games related to the association of mobiles to an access point. The player is the mobile which has to decide to which access point to connect. We consider the choice between two access points or more, where the access decisions may depend on the number of mobiles connected to each access points. We obtained new results using elementary tools from congestion and crowding games. Last but not least, we extend our work to cooperative transmissions. We formulate the partner selection problem in cooperative relaying based on a matching theoretic approach. Partner selection is described as a special stable roommate problem where each player ranks its partners by some criterion. We adapted Irving's algorithm for determining the partner of each player. We introduced a decentralized version of the Irving's algorithm.

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.

In recent years, the increase in the population of mobile users and the advances in computational capabilities of mobile devices have led to an exponentially increasing traffic load on the wireless networks. This trend is foreseen to continue in the future due to the emerging applications such as cellular Internet of things (IoT) and machine type communications (MTC). Since the spectrum resources are limited, the only promising way to keep pace with the future demand is through aggressive spatial reuse of the available spectrum which can be realized in the networks through dense deployment of small cells. There are many challenges associated with such densely deployed heterogeneous networks (HetNets). The main challenges which are considered in this research work are capacity enhancement, velocity estimation of mobile users, and energy efficiency enhancement. We consider different approaches for capacity enhancement of the network. In the first approach, using stochastic geometry we theoretically analyze time domain inter-cell interference coordination techniques in a two-tier HetNet and optimize the parameters to maximize the capacity of the network. In the second approach, we consider optimization of the locations of aerial bases stations carried by the unmanned aerial vehicles (UAVs) to enhance the capacity of the network for public safety and emergency communications, in case of damaged network infrastructure. In the third approach, we introduce a subsidization scheme for the service providers through which the network capacity can be improved by using regulatory power of the government. Finally, we consider the approach of device-to-device communications and multi-hop transmissions for enhancing the capacity of a network. Velocity estimation of high speed mobile users is important for effective mobility management in densely deployed small cell networks. In this research, we introduce two novel methods for the velocity estimation of mobile users: handover-count based velocity estimation, and sojourn time based velocity estimation. Using the tools from stochastic geometry and estimation theory, we theoretically analyze the accuracy of the two velocity estimation methods through Cramer-Rao lower bounds (CRLBs). With the dense deployment of small cells, energy efficiency becomes crucial for the sustained operation of wireless networks. In this research, we jointly study the energy efficiency and the spectral efficiency in a two-tier HetNet. We optimize the parameters of inter-cell interference coordination technique and study the trade-offs between the energy efficiency and spectral efficiency of the HetNet.

Le réseau mobile d’Orange France comprend plus de 100 000 antennes 2G, 3G et 4G sur plusieurs bandes de fréquences sans compter les nombreuses femto-cells fournies aux clients pour résoudre les problèmes de couverture. Ces chiffres ne feront que s’accroître pour répondre à la demande sans cesse croissante des clients pour les données mobiles. Cela illustre le défi énorme que rencontrent les opérateurs de téléphonie mobile en général à savoir gérer un réseau aussi complexe tout en limitant les coûts d’opération pour rester compétitifs. Cette thèse s’attache à utiliser le concept SON (réseaux auto-organisants) pour réduire cette complexité en automatisant les tâches répétitives ou complexes. Plus spécifiquement, nous proposons des algorithmes d’optimisation automatique pour des scénarios liés à la densification par les small cells ou les antennes actives. Nous abordons les problèmes classiques d’équilibrage de charge mais avec un lien backhaul à capacité limitée et de coordination d’interférence que ce soit dans le domaine temporel (notamment avec le eICIC) ou le domaine fréquentiel. Nous proposons aussi des algorithmes d’activation optimale de certaines fonctionnalités lorsque cette activation n’est pas toujours bénéfique. Pour la formulation mathématique et la résolution de tous ces algorithmes, nous nous appuyons sur les résultats de l’approximation stochastique et de l’optimisation convexe. Nous proposons aussi une méthodologie systématique pour la coordination de multiples fonctionnalités SON qui seraient exécutées en parallèle. Cette méthodologie est basée sur les jeux concaves et l’optimisation convexe avec comme contraintes des inégalités matricielles linéaires. / The mobile network of Orange in France comprises more than 100 000 2G, 3G and 4G antennas with severalfrequency bands, not to mention many femto-cells for deep-indoor coverage. These numbers will continue toincrease in order to address the customers’ exponentially increasing need for mobile data. This is an illustrationof the challenge faced by the mobile operators for operating such a complex network with low OperationalExpenditures (OPEX) in order to stay competitive. This thesis is about leveraging the Self-Organizing Network(SON) concept to reduce this complexity by automating repetitive or complex tasks. We specifically proposeautomatic optimization algorithms for scenarios related to network densification using either small cells orActive Antenna Systems (AASs) used for Vertical Sectorization (VeSn), Virtual Sectorization (ViSn) and multilevelbeamforming. Problems such as load balancing with limited-capacity backhaul and interference coordination eitherin time-domain (eICIC) or in frequency-domain are tackled. We also propose optimal activation algorithms forVeSn and ViSn when their activation is not always beneficial. We make use of results from stochastic approximationand convex optimization for the mathematical formulation of the problems and their solutions. We also proposea generic methodology for the coordination of multiple SON algorithms running in parallel using results fromconcave game theory and Linear Matrix Inequality (LMI)-constrained optimization.

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.