L’émergence des utilisateurs mobiles et la popularité croissante des services multimédias linéaires ont entrainé, ces dernières années, une augmentation impressionnante du trafic de données au sein des réseaux mobiles. En effet, le principal moteur de cette croissance est lié à la consommation de contenus vidéo de façon linéaire (télévision) ou non (vidéo à la demande) par de nombreux utilisateurs sur des appareils mobiles (tablettes, smartphones, ordinateurs portables, etc.) connectés aux réseaux cellulaires. Cependant, l’acheminement de ce trafic via le mode de transmission unicast traditionnel des réseaux cellulaires risque de générer un engorgement rapide du réseau au détriment de la qualité du service rendu. Ainsi, pour faire face cette demande continuellement croissante en débit des utilisateurs mobiles et devant la raréfaction croissante du spectre radioélectrique, les opérateurs n’ont d’autre choix que de densifier leurs infrastructures d’accès au réseau radio (RAN) et déployer des réseaux d’accès hétérogènes et hybrides exploitant plusieurs technologies (WiFi/small cells (3G/4G)) permettant le délestage du trafic de données mobiles. Dans cette optique, cette thèse porte sur la modélisation et l’optimisation d’un réseau hybride de diffusion de contenus multimédias pouvant exploiter de façon complémentaire deux infrastructures réseaux existantes et radicalement différentes, à savoir les réseaux cellulaires (LTE) et les réseaux de diffusion (DVB-T2 Lite, DVB-NGH ou éventuellement le mode broadcast LTE-eMBMS).Dans un premier temps nous nous consacrons à la modélisation et à la simulation du réseau hybride en considérant un scénario d’extension de couverture, où les deux réseaux coopèrent pour distribuer des services linéaires aux utilisateurs mobiles. A l’aide d'un simulateur système, nous évaluons les performances du réseau hybride en termes de capacité, consommation de puissance et efficacité énergétique.Dans un second temps, nous nous intéressons à l’optimisation de la capacité, de la consommation énergétique et de l’efficacité énergétique du réseau hybride pour la diffusion de ces services linéaires. Sur la base du modèle hybride, nous proposons une approche théorique, basée sur la distribution des utilisateurs, pour trouver une expression analytique de la zone de couverture optimale du réseau de diffusion tout en tenant compte de la qualité du service rendu aux utilisateurs. Les résultats théoriques et ceux obtenus à l’aide du simulateur système sont très proches. Nous étudions également l’impact de la popularité du service (en termes de nombre d’utilisateurs demandant le service) sur cette zone de couverture optimale.Enfin, nous proposons une extension au modèle de réseau hybride pour la diffusion des services non linéaires comme la vidéo à la demande, le téléchargement de fichiers, etc. Nous proposons une formalisation du problème d’optimisation en tenant compte des contraintes liées à ces services non-linéaires, en particulier le temps d’attente et de téléchargement ainsi que la fiabilité des transmissions radios.L’approche analytique proposée dans cette thèse constitue un atout précieux pour l’hybridation des réseaux cellulaires et des réseaux de diffusion. Ce modèle pourrait également permettre, d’une part d’évaluer le gain de telles approches hybrides, et d’autre part, de mettre en évidence les scénarios et stratégies de transmission de contenus multimédias les plus avantageux en fonction de critères donnés dans le contexte des réseaux « 4G avancés » voire « 5G ». / The increasing popularity of linear multimedia services such as mobile TV, broadcasting live and sports events to mobile and portable devices, has led to a dramatic growth of the mobile data traffic. Indeed, the reason of this growth is related to the consumption of video content either as a linear service (live TV) or as a non-linear service (time-shifted or on demand), by many users on different devices (tablets, smartphones, laptops, etc.) connected to a cellular network. In cellular networks, these types of services are usually delivered over unicast connections, i.e. as many times as the number of users. This strategy is likely to lead to critical situations, e.g. network congestion at the expense of the quality of service. Thus, to deal with this mobile data traffic explosion and the lack of frequency bands, operators need to densify their radio access network infrastructure (RAN) and deploy heterogeneous and hybrid access networks using multiple technologies (WiFi / small cell (3G / 4G)), that enable data offloading.In this context, this thesis focuses on the definition and optimization of a hybrid network, where a unicast network (LTE) and a broadcast network (DVB-T2 Lite, DVB-NGH, LTE-eMBMS, etc.) cooperate to deliver multimedia content to mobile and portable devices.Firstly, we focus on the modeling and simulation of the hybrid unicast-broadcast network for the delivery of linear services. We consider a coverage extension scenario, where the coverage area of the broadcast network can be adjusted with respect to the distribution of the users and the number of users requesting the service. Using the TU-Wien system level simulator, we evaluate the performance of the hybrid network in terms of capacity, power consumption and energy efficiency.Secondly, with the proposed model, we provide a theoretical method to find an analytical expression of the broadcast coverage area that optimizes the service capacity, the power consumption and the energy efficiency of the hybrid network with respect to the quality of service requirements. Indeed, the theoretical results are in agreements with the simulation ones. Based on the proposed model, we analyze the impact of the number of users requesting the service on the optimal broadcast coverage area.Finally, we focus on the extension of the proposed hybrid network for the delivery of the non-linear services such as video on demand and file download services. We state an optimization problem regarding the constraints of these non-linear services, especially the waiting and downloading time and the transmission errors. This thesis provides great insights on the potential benefits that such hybrid approaches may bring in a context of “4G advanced” and “5G” networks where the UHF broadcasting spectrum is under pressure for being partly or completely attributed to mobile broadband operators due to the predicted explosion of the mobile data traffic.

Ces dernières années, la popularité croissante de terminaux mobiles de plus en plus intelligents a provoqué une hausse considérable du trafic supporté par les réseaux de télécommunications cellulaires. Dans ce contexte, le déploiement de réseaux dits de quatrième génération basés sur le standard LTE (Long Term Evolution) et offrant des capacités significativement plus élevées que les réseaux de générations précédentes peut sembler être une solution idéale. Cependant, dans le cas d’un service à délivrer à un très grand nombre d’utilisateurs, ce standard, malgré la disponibilité de la technologie eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services), n’est pas forcément le plus adapté. Dans le même temps, la télévision a achevé dans de nombreux pays sa transition vers le numérique. L’abandon de la transmission analogique a permis non seulement d’améliorer la qualité du service mais aussi d’occuper moins de spectre. En France, une partie du spectre libéré a déjà été attribué au déploiement de réseaux LTE. Une autre méthode permettant d’exploiter ce spectre au profit des réseaux de communications mobiles est proposée dans cette thèse : le réseau hybride. Le réseau hybride est constitué d’un réseau cellulaire au standard LTE accompagné d’un émetteur DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial). Les aires de couverture de ces deux composantes se superposent et un service peut être transmis aux utilisateurs présents dans ces aires indifféremment par l’une ou l’autre des composantes. Ce concept permet de pallier un point faible du standard LTE, c’està- dire la capacité à délivrer efficacement un même service à un grand nombre d’utilisateurs simultanément. Après une étude approfondie des deux standards utilisés, un modèle mathématique du réseau hybride est proposé. Ce modèle se base sur les propriétés géométriques du réseau hybride, les performances des deux types de signaux utilisés, et sur plusieurs types de répartition des utilisateurs pour évaluer les performances du réseau hybride selon différents critères. Le premier critère étudié est un critère énergétique. Le modèle proposé permet de comparer les efficacités énergétiques des deux composantes pour transmettre un service en fonction de son nombre d’utilisateurs. L’efficacité de la composante DVBT2 dépasse celle de la composante LTE à partir d’un seuil dont la valeur varie avec les propriétés géométriques du réseau et le type d’affaiblissement de propagation auquel sont soumis les signaux. Il est de plus possible, dans certaines circonstances, d’améliorer encore l’efficacité énergétique du système en utilisant conjointement les deux composantes. Le second critère étudié est celui de l’encombrement du réseau cellulaire. En effet, un service consommé par un grand nombre d’utilisateurs peut avoir un impact conséquent sur le trafic à transmettre par un réseau LTE. Utiliser la composante DVB-T2 pour distribuer un tel service permet de réduire la charge du réseau cellulaire, et ceci même dans le cas où la composante DVB-T2 ne couvre pas l’ensemble de la zone à desservir globalement. Ces différentes études ont permis de bien mettre en évidence les avantages et inconvénients des deux types de réseaux broadcast et unicast. En particulier, l’intérêt d’une approche reposant sur l’utilisation d’un réseau hybride exploitant la complémentarité des deux composantes broadcast et unicast a été démontré. / During the last few years, the growing popularity of smarter and smarter mobile devices has led to a tremendous growth of cellular data traffic. In such a context, the deployment of fourth generation networks based on the LTE (Long Term Evolution) standard and with capacities significantly higher than previous generations networks can be seen as an ideal solution. However, when the number of users requiring a given service is large, this standard, despite the availability of the eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services) technology, is not necessarily the most suitable. Meanwhile, television has completed its transition to the digital transmission in many countries. The analog switch-off has not only allowed a better quality of service but has also freed some spectrum. In France, some of this spectrum has already been used for the deployment of LTE networks. This thesis introduces another way to use this spectrum to the benefit of mobile data networks: the hybrid network. The hybrid network consists of a LTE cellular network and a DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial) transmitter. The coverage areas of the two components are overlapping and a service can be delivered to the users located in these areas by either one or the other of the components. This concept can compensate one weakness of the LTE standard, which is the ability to deliver efficiently the same service to a large number of users simultaneously. After a thorough study of the two standards in use, a mathematical model of the hybrid network is proposed. This model is based on the geometrical properties of the network, the performances of the two types of signal, and different types of users distribution to measure the performances of the hybrid network using different criteria. The first criterion is the energy efficiency. The proposed model allows the comparison of the two components in terms of energy efficiency for one service depending of the number of its users. The DVB-T2 component outperforms the LTE component when the number of users exceeds a given threshold whose value depends on the geometric properties of the network and the type of path loss attenuating the signals. It is possible, in some cases, to further improve the energy efficiency of the system by using both components together. The second criterion is the network congestion. Indeed, a service with a great number of users can induce significant data traffic for the LTE network. Transmitting such a service through the DVB-T2 component can decrease the cellular data traffic even if the DVB-T2 component does not cover the whole area of interest. These studies have brought out the benefits and drawbacks of both broadcast and unicast networks. Especially, the interest of the hybrid network based on the complementarities between the two components has been demonstrated.