Le Cloud Radio Access Network (C-RAN) est une future direction dans les réseaux de communications sans fils pour déployer des systèmes cellulaires 4G et renforcer la migration des opérateurs vers la nouvelle génération 5G. En comparaison avec l'architecture traditionnelle des stations de base distribuées, l'architecture C-RAN apporte un lot d'avantages à l'opérateur: meilleure utilisation des ressources radio, flexibilité du réseau, minimisation de la puissance consommée et amenuisement des coûts de déploiement. Dans cette thèse, nous adressons le problème d'allocation dynamique des ressources et minimisation de la puissance des communications à liaison descendante dans le C-RAN. Notre recherche vise à allouer les ressources radio à des flux dynamiques d'utilisateurs, tout en trouvant les meilleures combinaisons entre points d'accès et unités de calculs, pour satisfaire la demande de trafic. Il s'agit en outre, d'un problème d'optimisation non linéaire et NP-difficile, comprenant plusieurs contraintes relatives aux demandes de ressources des utilisateurs, gestion d'interférences, capacités fixes des unités de calcul dans le Cloud et des liaisons de transport ainsi que la limitation de la puissance transmise maximale. Afin de surmonter la complexité inhérente à cette problématique du C-RAN, nous présentons différentes approches pour l'allocation dynamique des ressources en trois principales contributions. Les résultats de nos simulations prouvent l'efficacité de nos méthodes, comparé à celles existantes dans la littérature, en termes de taux de débit de satisfaction, nombre d'antennes actives, puissance consommée dans le Cloud, résilience et coût opérationnel du C-RAN. / Cloud Radio Access Network (C-RAN) is a future direction in wireless communications for deploying cellular radio access subsystems in current 4G and next-generation 5G networks. In the C-RAN architecture, BaseBand Units (BBUs) are located in a pool of virtual base stations, which are connected via a high-bandwidth low latency fronthaul network to Radio Remote Heads (RRHs). In comparison to standalone clusters of distributed radio base stations, C-RAN architecture provides significant benefits in terms of centralized resource pooling, network flexibility and cost savings. In this thesis, we address the problem of dynamic resource allocation and power minimization in downlink communications for C-RAN. Our research aims to allocate baseband resources to dynamic flows of mobile users, while properly assigning RRHs to BBUs to accommodate the traffic and network demands. This is a non-linear NP-hard optimization problem, which encompasses many constraints such as mobile users' resources demands, interference management, BBU pool and fronthaul links capacities, as well as maximum transmission power limitation. To overcome the high complexity involved in this problem, we present several approaches for resource allocation strategies and tackle this issue in three stages. Obtained results prove the efficiency of our proposed strategies in terms of throughput satisfaction rate, number of active RRHs, BBU pool processing power, resiliency, and operational budget cost.

Les prestataires de service réseau doivent faire face à la demande croissante des besoins des utilisateurs, en particulier vers une plus grande flexibilité et toujours plus de capacité. La "softwerisation" et la "cloudification" des composants du réseau offrent une solution prometteuse pour obtenir l'agilité nécessaire afin de répondre dynamiquement à l'exigence au niveau de la consommation des ressources. Cette vision se traduit par le déploiement de la Virtualisation des Fonctions Réseau (NFV) où les Fonctions de Réseau Virtuels (VNFs) peuvent être associées pour créer des services réseau. Cette thèse étudie la problématique de l'allocation de ressources dans un système NFV afin de minimiser son coût sous contraintes sur l'interconnectivité entre les VNF, les ressources du système et les exigences de service. La principale considération est la réduction du coût global du déploiement en ressources informatiques. Nous étudions également d'autres objectifs à satisfaire tels que la migration des fonctions réseau et la gestion de la congestion. Notre premier objectif est d'augmenter notre compréhension de la performance d'un système NFV en étudiant le placement et le routage des fonctions réseau. Nous formalisons le problème dans une approche globale en tenant compte d'un large ensemble de paramètres pertinents. Nous prendrons en compte les cas statiques (Hors Ligne) et dynamiques (En Ligne) du problème. Nous proposons et analysons trois algorithmes heuristiques: deux sont conçus pour traiter de grandes dimensions du scenario "Hors Ligne" et le dernier est conçu pour résoudre le scénario "En Ligne". Les résultats montrent que notre solution surpasse l'état de l'art par rapport à l'indicateur de performance critique. Nous évaluons également l'impact de la migration d'une série de demandes simultanées et proposons une technique de migration simple pour ce système dynamique. A la lumière de ces premiers résultats, nous étendons notre étude afin d'améliorer l'efficacité de notre solution en proposant un modèle plus simple. La seconde partie de notre étude se concentre sur l'optimisation de l'utilisation des ressources d'un système NFV. La principale distinction est que nous pouvons appliquer le modèle à un système dynamique avec de grandes instances. De plus, nous fournissons également une méthode originale pour engendrer de fortes inégalités afin d'améliorer la résolution de la programmation linéaire (LP) dans un espace de dimension supérieur. Les résultats obtenus n'améliorent pas seulement le modèle, mais promettent aussi de pouvoir être utiliser efficacement dans d'autres modèles. Une troisième contribution de notre travail concerne le problème de routage dans NFV. En effet, une évolution importante des besoins des utilisateurs est représentée par la demande d'accès croissante aux ressources réseau, de stockage et de calcul afin de combiner dynamiquement le niveau de consommation de ressources avec leurs besoins de service. Par conséquent, nous nous intéressons au routage efficace d'une demande utilisateur à travers les noeuds qui traitent les fonctions impliquées dans une chaîne de services donnée. Nous proposons une formulation originale de ce problème basée sur la construction d'un réseau étendu. Nous formulons une solution mathématique exacte et proposons plusieurs algorithmes approximatifs tenant compte les principaux paramètres du système. Nous conclurons en soulignant les contributions principales de notre travail et proposons quelques pistes pour des travaux futurs. / Network service providers have to cope with the growing on-demand need from end-users as well as the diversity of usage. The "softwerization" and "loudification" of the network components offer a promising solution to achieve the agility necessary to dynamically match the servcice requirements with the level of resource consumption. Cloud-based solutions promises an economy of scale and simpler management. Virtualizing the many network appliances offers the flexibility to adapt to the varying service demand. This materializes with the deployment of Network Functions Virtualization (NFV) where Virtual Network Functions (VNFs) may be chained together to create network services. This dissertation studies the resource allocation problem in an NFV system for minimizing its cost under constraints on interconnectivity among VNFs, system resources, and service requirements. The main consideration is the reduction of the overall deployment cost while efficiently utilizing the available resources. In addition, a number of other important constraints are considered such as migration and congestion. Our first goal is to increase our understanding of the performance of an NFV system with respect to network functions placement and routing. We formalize the problem in a comprehensive maner taking into account a broad set of relevant parameters. The static (OFFLINE) and dynamic (ONLINE) cases are considered. We propose and analyze three heuristic algorithms: two for handling large dimensions of the OFFLINE problem and one designed to address the ONLINE scenario. The results show that our solution outperforms the state of the art with respect to critical performance index. We also evaluate the impact of migrating a set of running demands, and propose a simple migration technique for the dynamic system. We extend this work by proposing a simpler model to improve the performance of our solution. The second part of our work focuses on minimizing the resource utilization of an NFV system. The main distinctive point is that we can apply the model to a dynamic system with large instances. Moreover, we also provide an interesting method for generating some strong inequalities to improve the Linear Programming (LP) solving in a higher dimensional space. The obtained results are not only making the model easier but also can be used efficiently in other models. A third contribution focuses specifically on the routing problem in NFV. An important evolution of the users’ needs is represented by the dynamic on-demand access to network, vstorage and compute resources. Therefore, routing efficiently a demand across nodes handling the functions involved in a given service chain constitutes the a novel problem that we address in this last section. We provide an original formulation of this problem based on the construction of an expanded network. We derive the exact mathematical formulation and propose several approximate algorithms taking into account the main system’s parameters. We conclude by deriving some interesting insights both about the algorithms and the network performance. We finally conclude with our main findings and highlight many avenues for future work.

Les systèmes de communication sans fil caractérisés par des services à haute vitesse sont en évolution permanentes malgré les restrictions en termes de la capacité du système et les conflits de couverture intérieure. Récemment, les réseaux “SmallCells” basés sur le standard LTE présentent une solution prometteuse en offrant les services demandés avec une meilleure couverture à l’intérieur et augmentant la capacité du système. Cependant, de nombreux défis rencontrent les constructeurs et les opérateurs pour un déploiement efficace de ces systèmes. Dans cette thèse, afin de développer ce type de réseaux et d’apporter des améliorations considérables de Qualité de Service (QoS) et de débits, nous adoptons une stratégie se basant complémentairement sur deux différents niveaux : couche de liaison (MAC) et couche physique. En première partie, au niveau de la couche de liaison, nous proposons deux algorithmes d’ordonnancement et d’allocation conjointes de ressources se basant sur la technique d’Adaptation de Modulation et de Codage (AMC) et sur le contrôle de puissance pour les deux liaisons descendante et montante respectivement. Deux catégories distinctes d’utilisateurs qui diffèrent par la Qualité de Service demandée sont considérées. Ces algorithmes sont nommés respectivement : “Downlink AMC-QRAP” et “Uplink AMC-QRAP”. L’adaptation conjointe de puissance de transmission et de type de Modulation&Codage répond forcement aux variations de la qualité de la liaison sur chaque canal radio destiné à être alloué. Cependant, les deux liaisons, descendante et montante diffèrent par leurs spécificités. En particulier, comme mode de transmission du signal, le système 3GPP LTE utilise la technique OFDMA pour la liaison descendante et la technique SC-FDMA, plus efficace en termes d’énergie, pour la liaison montante. Une modélisation sous forme de problèmes d’optimisation linéaire est ainsi conçue. Comme compromis entre les architectures de réseaux: centralisée et distribuée, nous utilisons l’architecture de groupes ou “clusters” ainsi proposée dans la littérature. Dans la deuxième partie de notre recherche, nous avons abord´e les techniques de la “couche physique” en termes de traitement de signal comme une approche d’amélioration du système LTE. Ainsi, deux contributions basées sur la “transformée en ondelettes” (Wavelet Transform) sont proposées. Premièrement, vu que la technique de modulation multi-porteuse OFDM souffre de plusieurs limitations en termes d’efficacité spectrale et énergétique, de synchronisation et d’interférence entre porteuses, nous proposons une méthode alternative basée sur les ondelettes. Nous avons démontré que la substitution de la transformée de Fourier par la transformée en ondelettes dans la technique OFDM permet de dépasser les différentes limitations de l’OFDM. Enfin, nous avons propos´e une approche pour délimiter et détecter les différents canaux de ressources alloués. Elle est utilisée dans l’algorithme d’ordonnancement de la transmission montante pour améliorer la fiabilité de la transmission et réduire le temps de convergence du problème d’optimisation. Des simulations étendues selon différentes densités de réseau ont été réalisées, en utilisant plusieurs paramètres tels que l’efficacité spectrale, la puissance de transmission, le taux de satisfaction en termes de débits demandés et la capacité du réseau. Nous avons comparé nos méthodes à plusieurs travaux existants dans la littérature et prouvé la surperformance pour les différents paramètres pris en compte. / Responding to the huge demand for high data rates and satisfying Quality of Service (QoS) requirements are the main objectives of the wireless mobile operators. LTE-based small cell system is a promising technology offering the required services, enhanced indoor coverage and increased system capacity. However, many challenges face the constructors and the operators for an effective deployment of these systems. In this thesis, in order to evolve such systems and adduce significant enhancement in terms of QoS and throughput, we adopt a complementary strategy based on both data link layer and physical layer.First, we propose, on the link layer level, two scheduling and joint resource allocation algorithm based on the Adaptive Modulation and Coding (AMC) and the power control mechanism for OFDMA-Downlink and SC-FDMA-Uplink connections respectively. Namely, they refer to: “Downlink AMC-QRAP” and “Uplink AMC-QRAP”. The joint adaptation of the transmission power and the Modulation and Coding Scheme reliably interacts with the link quality on each allocated sub-channel. Two distinct user categories are considered to differentiate between different QoS levels required. Accordingly, a linear optimization model is performed for the problem resolution. A clustering approach proposed in the literature has been used as a tradeoff between centralized and distributed schemes. Particularly, we used the spectrum sensing technique as proposed on the physical layer to detect surrounding transmissions.After that, we tackle the physical layer “signal processing” techniques as an LTE enhancement approach. Thus, two contributions based on the “wavelet transform” (WT) are proposed.The “wavelet-based OFDM” technique is firstly proposed as an alternative transmission mode for both downlink and uplink of the LTE and beyond wireless systems. In fact, theOFDM suffers from several limitations in terms of PAPR, spectral efficiency, synchronization cost and the inter-carrier interference. We proved that with substituting the Fourier transform by the wavelet transform in the OFDM technique, the different OFDM limitations can be significantly overcame. Second, we proposed an enhanced spectrum sensing approach based on WT tool that accurately delimits the occupied resource blocks in the whole spectrum. These physical layer enhancements help improving the scheduling algorithm for the uplink proposed in our second contribution.Extensive network simulations with different network densities have been conducted, using several metrics such as spectral efficiency, throughput satisfaction rate, user outage and transmission power. We have compared our methods to several existing works in the literature and proved the outperformance for the different considered metrics.

Avec les préoccupations environnementales croissantes liées aux émissions de carbone et la chute rapide des prix des batteries, la part de marché des véhicules électriques (EV) augmente rapidement. Le nombre croissant de EV ainsi que les progrès sans précédent dans la capacité de la batterie et de la technologie entraîne une augmentation drastique de la demande totale d'énergie destinée aux véhicules électriques. Cette forte demande de charge rend complexe le problème de planification de la charge. Même en prenant avantage de la propriété reportable des demandes de charge et d'une planification adéquate, la demande globale pourrait dépasser le taux de charge tolérable des stations, étant donné les contraintes physiques des dispositifs de charge et des transformateurs. Le principal défi est la nécessité de concevoir des solutions en ligne puisque, dans la pratique, l'ordonnanceur ne dispose d'aucune information sur les arrivées futures d'EV. Cette thèse étudie le problème d'ordonnancement des EV en ligne et fournit trois contributions principales. Premièrement, nous démontrons que le problème classique de la programmation en ligne des tâches sensibles aux échéances avec des valeurs partielles est similaire au problème d'ordonnancement EV et étudions l'extension de la programmation des charges EV en prenant en compte de la limite de traitement des travaux. Le problème réside dans la catégorie des problèmes d'ordonnancement en ligne couplés dans le temps sans disponibilité d'informations futures. Le premier algorithme proposé est déterministe, tandis que le second est randomisé et bénéficie d'une complexité de calcul plus faible. Deuxièmement, nous formulons un problème de maximisation du bien-être social pour la planification de la charge des EV avec une contrainte de capacité de charge. Nous avons conçu des algorithmes d'ordonnancement de charge qui non seulement fonctionnent dans un scénario en ligne, mais aussi qui répondent aux deux principaux défis suivants : (i) fournir un engagement à l'arrivée ; (ii) garantir la résistance aux stratégies (de groupe). Des simulations approfondies utilisant des traces réelles démontrent l'efficacité de nos algorithmes d'ordonnancement en ligne par rapport à la solution hors-ligne optimale non-engagée. La troisième contribution concerne la planification en ligne des véhicules électriques dans un réseau de recharge adaptatif (ACN) avec des contraintes de pics locaux et globaux. Nous avons conçu un algorithme d'ordonnancement primal-dual de faible complexité qui atteint un rapport d'approximation borné. Des résultats expérimentaux détaillés basés sur des traces montrent que les performances des algorithmes en ligne proposés sont proches de l'optimum hors ligne et surpassent les solutions existantes / With the increased environmental concerns related to carbon emission, and rapid drop in battery prices (e.g., 35% drop in 2017), the market share of Electric Vehicles (EVs) is rapidly growing. The growing number of EVs along with the unprecedented advances in battery capacity and technology results in drastic increase in the total energy demand of EVs. This large charging demand makes the EV charging scheduling problem challenging. The critical challenge is the need for online solution design since in practical scenario the scheduler has no information of future arrivals of EVs in a time-coupled underlying problem. This thesis studies online EV scheduling problem and provides three main contributions. First, we demonstrate that the classical problem of online scheduling of deadlinesensitive jobs with partial values is similar to the EV scheduling problem and study the extension to EV charging scheduling by taking into account the processing rate limit of jobs as an additional constraint to the original problem. The problem lies in the category of time-coupled online scheduling problems without availability of future information. Using competitive ratio, as a well-established performance metric, two online algorithms, both of which are shown to be (2 − 1/U)-competitive are proposed, where U is the maximum scarcity level, a parameter that indicates demand-to-supply ratio. Second, we formulate a social welfare maximization problem for EV charging scheduling with charging capacity constraint. We devise charging scheduling algorithms that not only work in online scenario, but also they address the following two key challenges: (i) to provide on-arrival commitment; respecting the capacity constraint may hinder fulfilling charging requirement of deadline-constrained EVs entirely. Therefore, committing a guaranteed charging amount upon arrival of each EV is highly required; (ii) to guarantee (group)-strategy-proofness as a salient feature to promote EVs to reveal their true type and do not collude with other EVs. Third, we tackle online scheduling of EVs in an adaptive charging network (ACN) with local and global peak constraints. Two alternatives in resource-limited scenarios are to maximize the social welfare by partially charging the EVs (fractional model) or selecting a subset of EVs and fully charge them (integral model). For the fractional model, both offline and online algorithms are devised. We prove that the offline algorithm is optimal. We prove the online algorithm achieves a competitive ratio of 2. The integral model, however, is more challenging since the underlying problem is NP-hard due to 0/1 selection criteria of EVs. Hence, efficient solution design is challenging even in offline setting. We devise a low-complexity primal-dual scheduling algorithm that achieves a bounded approximation ratio. Built upon the offline approximate algorithm, we propose an online algorithm and analyze its competitive ratio in special cases

Objectif : Évaluer la « lourdeur » de la prise en charge clinique des personnes vivant avec le VIH/SIDA (PVVIH) afin d’ajuster l’allocation des ressources en GMF. Méthodologie : Analyse comparative entre le GMF de la Clinique médicale l’Actuel, les GMF montréalais et de l’ensemble du Québec, en identifiant les différences dans les profils de consommation de soins pour les années civiles 2006 à 2008 et les coûts d’utilisation des services pour l’année 2005. Résultats : En 2008, 78% de la clientèle inscrite au GMF de la Clinique médicale l’Actuel est vulnérable comparativement à 28% pour les autres GMF montréalais, une tendance observée pour l’ensemble du Québec. Le nombre moyen de visites par individu inscrit et vulnérable est de 7,57 au GMF l’Actuel alors que la moyenne montréalaise est de 3,37 et celle du Québec de 3,47. Enfin, le coût moyen des visites médicales au GMF l’Actuel en 2005 est de 203,93 $ comparativement à des coûts variant entre 132,14 et 149,53 $ pour les unités de comparaison. Conclusion : L’intensité de l’utilisation des ressources au GMF de la Clinique médicale l’Actuel (nombre d’individus vulnérables, nombre de visites et coûts) suggère que la prise en charge clinique des personnes vivant avec le VIH/SIDA est beaucoup plus lourde qu’un citoyen tout venant ou même de la majorité des autres catégories de vulnérabilité. Afin d’offrir un traitement juste et équitable aux GMF, l’inscription devrait être ajustée afin de tenir compte de la « lourdeur » de cette clientèle et valoriser la prise en charge des personnes qui présentent des tableaux cliniques complexes. / Objective: To evaluate the “burden” involved in the clinical management of people living with HIV/AIDS, in order to adjust the allocation of resources in terms of family medicine groups (FMG). Methodology: A comparative analysis of FMG Clinique médicale l’Actuel, FMGs in Montréal and throughout Québec, identifying differences in care consumption profiles for the years 2006 to 2008 and the costs of use of services for 2005. Results: In 2008, seventy eight percent (78%) of the clientele registered with the FMG at Clinique médicale l’Actuel was considered vulnerable, in comparison to twenty eight percent (28%) at other Montréal FMGs, a trend observed throughout Québec. The average number of visits per registered individuals was 7.57 at the Actuel FMG, while the average in Montréal was 3.37 and in Québec overall, 3.47. In 2005, the average cost of a visit at the Actuel FMG was $203.93 compared to costs that varied from $132.14 to $149.53 for comparative units. Conclusion: The intensity of use of FMG resources at the Clinique médicale l’Actuel (number of vulnerable individuals, number of visits and costs) suggests that the clinical management of people living with HIV/AIDS is a much heavier burden than that of an average citizen, or even from the majority of other categories of vulnerability. In order to ensure that all FMGs are treated fairly and equitably, registration should be adjusted to take into account the “burden” of this clientele and to place more value on the case management of people with complex clinical presentations.

Les réseaux mobiles auto-déployables sont des réseaux qui peuvent être rapidement déployés, facilement installés, sur demande, n’importe où, et n’importe quand. Ils visent divers cas d’utilisation pour fournir des services aux utilisateurs lorsque le réseau classique ne peut pas être utilisé, ou n’existe pas : lors d’événements publics, lors des situations critiques, ou dans les zones isolées. Ces réseaux font évoluer l’architecture d’un réseau classique, en éliminant la séparation physique qui existe entre le réseau d’accès et le cœur de réseau. Cette séparation est désormais uniquement fonctionnelle, vu qu’une station de base est colocalisée avec les fonctionnalités du réseau de cœur, telles que la gestion de session et le routage, en plus des serveurs d’applications. Une station de base, toute seule, sans connexion à un réseau externe, fournit des services aux utilisateurs dans sa zone de couverture. Lorsque plusieurs stations de base sont interconnectées, les liens entre elles forment un réseau d’interconnexion, qui risque d’avoir une capacité limitée. Dans ce travail, nous nous appuyons sur les propriétés distinguant les réseaux auto-déployables pour revisiter des problèmes classiques du réseau d’accès dans ce nouvel contexte, mais aussi pour aborder de nouveaux défis créés par l’architecture du réseau. Tout d’abord, nous proposons un algorithme qui retourne un schéma d’allocation de fréquences et de puissances pour les stations de base. Celui-ci augmente considérablement les débits des utilisateurs par rapport aux schémas classiques de réutilisation de fréquences. Ensuite, nous traitons le problème de placement des fonctionnalités du cœur du réseau. Pour le placement centralisé, nous proposons une nouvelle métrique de centralité qui permet de placer les fonctions de façon à maximiser le trafic pouvant être échangé dans le réseau. Pour le placement distribué, nous évaluons le nombre de fonctions nécessaires et leur placement optimal, en tenant compte de l’impact sur la capacité du réseau d’interconnexion. Nous démontrons aussi les avantages du placement distribué par rapport au centralisé en terme de consommation de ressources sur le réseau d’interconnexion. Dans le même contexte, nous abordons le problème d’attachement des utilisateurs, lorsque les fonctionnalités du cœur de réseau sont distribuées, pour déterminer par laquelle de ces fonctionnalités un utilisateur est-il servi. Enfin, avec le réseau d’accès configuré et le cœur de réseau organisé, les utilisateurs commencent à arriver. Alors, nous abordons le problème de l’association des utilisateurs. Nous proposons une nouvelle politique d’association adaptée aux propriétés des réseaux auto-déployables. Cette politique réduit la probabilité de blocage par rapport aux politiques classiques basées uniquement sur la qualité de la voie descendante, en tenant compte à la fois des ressources du réseau d’accès, des ressources sur le réseau d’interconnexion, et des demandes des utilisateurs. / Self-deployable mobile networks are a novel family of cellular networks, that can be rapidly deployed, easily installed, and operated on demand, anywhere, anytime. They target diverse use cases and provide network services when the classical network fails, is not suitable, or simply does not exist: when the network saturates during crowded events, when first responders need private broadband communication in disaster-relief and mission-critical situations, or when there is no infrastructure in areas with low population density. These networks are challenging a long-standing vision of cellular networks by eliminating the physical separation between the radio access network (RAN) and the core network (CN). In addition to providing RAN functionalities, such as radio signal processing and radio resource management, a base station can also provide those of the CN, such as session management and routing, in addition to housing application servers. As a result, a base station with no backhaul connection to a traditional CN can provide local services to users in its vicinity. To cover larger areas, several base stations must interconnect. With the CN functions co-located with the RAN, the links interconnecting the BSs form the backhaul network. Being setup by the BSs, potentially in an ad hoc manner, the latter may have a limited bandwidth. In this thesis, we build on the properties distinguishing self-deployable networks to revisit classical RAN problems but in the self-deployable context, and address the novel challenges created by the core network architecture. Starting with the RAN configuration, we propose an algorithm that sets a frequency and power allocation scheme. The latter outperforms conventional frequency reuse schemes in terms of the achieved user throughput and is robust facing variations in the number of users and their distribution in the network. Once the RAN is configured, we move to the CN organization, and address both centralized and distributed CN functions placements. For the centralized placement, building on the shortages of state of the art metrics, we propose a novel centrality metric that places the functions in a way that maximizes the traffic that can be exchanged in the network. For the distributed placement, we evaluate the number of needed instances of the CN functions and their optimal placement, considering the impact on the backhaul bandwidth. We further highlight the advantages of distributing CN functions, from a backhaul point of view. Accordingly, we tackle the user attachment problem to determine the CN instances serving each user when the former are distributed. Finally, with the network ready to operate, and users starting to arrive, we tackle the user association problem. We propose a novel network-aware association policy adapted to self-deployable networks, that outperforms a traditional RAN-based policy. It jointly accounts for the downlink, the uplink, the backhaul and the user throughput request.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement àdeux techniques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique ou spectrale desréseaux sans fil. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons de combinerles capacités de prédictions du contexte futur de transmission au classiqueet connu tradeoff latence - efficacité énergétique, amenant à ce que l’on nommeraun réseau proactif tolérant à la latence. L’objectif dans ce genre de problèmesconsiste à définir des politiques de transmissions optimales pour un ensembled’utilisateur, qui garantissent à chacun de pouvoir accomplir une transmissionavant un certain délai, tout en minimisant la puissance totale consommée auniveau de chaque utilisateur. Nous considérons dans un premier temps le problèmemono-utilisateur, qui permet alors d’introduire les concepts de tolérance àla latence, d’optimisation et de contrôle de puissance qui sont utilisés dans lapremière partie de cette thèse. L’extension à un système multi-utilisateurs estensuite considérée. L’analyse révèle alors que l’optimisation multi-utilisateurpose problème du fait de sa complexité mathématique. Mais cette complexitépeut néanmoins être contournée grâce aux récentes avancées dans le domainede la théorie des jeux à champs moyens, théorie qui permet de transiter d’unjeu multi-utilisateur, vers un jeu à champ moyen, à plus faible complexité. Lessimulations numériques démontrent que les stratégies de puissance retournéespar l’approche jeu à champ moyen approchent notablement les stratégies optimaleslorsqu’elles peuvent être calculées, et dépassent les performances desheuristiques communes, lorsque l’optimum n’est plus calculable, comme c’est lecas lorsque le canal varie au cours du temps.Dans la seconde partie de cettethèse, nous investiguons un possible problème dual au problème précédent. Plusspécifiquement, nous considérons une approche d’optimisation d’efficacité spectrale,à configuration de puissance constante. Pour ce faire, nous proposonsalors d’étudier l’impact sur le réseau des récentes avancées en classification d’interférence.L’analyse conduite révèle que le système peut bénéficier d’uneadaptation des traitements d’interférence faits à chaque récepteur. Ces gainsobservés peuvent également être améliorés par deux altérations de la démarched’optimisation. La première propose de redéfinir les groupes d’interféreurs decellules concurrentes, supposés transmettre sur les mêmes ressources spectrales.L’objectif étant alors de former des paires d’interféreurs “amis”, capables detraiter efficacement leurs interférences réciproques. La seconde altération portele nom de “Virtual Handover” : lorsque la classification d’interférence est considérée,l’access point offrant le meilleur SNR n’est plus nécessairement le meilleuraccess point auquel assigner un utilisateur. Pour cette raison, il est donc nécessairede laisser la possibilité au système de pouvoir choisir par lui-même la façondont il procède aux assignations des utilisateurs. Le processus d’optimisationse décompose donc en trois parties : i) Définir les coalitions d’utilisateurs assignésà chaque access point ; ii) Définir les groupes d’interféreurs transmettantsur chaque ressource spectrale ; et iii) Définir les stratégies de transmissionet les traitements d’interférences optimaux. L’objectif de l’optimisationest alors de maximiser l’efficacité spectrale totale du système après traitementde l’interférence. Les différents algorithmes utilisés pour résoudre, étape parétape, l’optimisation globale du système sont détaillés. Enfin, des simulationsnumériques permettent de mettre en évidence les gains de performance potentielsofferts par notre démarche d’optimisation. / In this thesis, we investigate two techniques used for enhancing the energy orspectral efficiency of the network. In the first part of the thesis, we propose tocombine the network future context prediction capabilities with the well-knownlatency vs. energy efficiency tradeoff. In that sense, we consider a proactivedelay-tolerant scheduling problem. In this problem, the objective consists ofdefining the optimal power strategies of a set of competing users, which minimizesthe individual power consumption, while ensuring a complete requestedtransmission before a given deadline. We first investigate the single user versionof the problem, which serves as a preliminary to the concepts of delay tolerance,proactive scheduling, power control and optimization, used through the first halfof this thesis. We then investigate the extension of the problem to a multiusercontext. The conducted analysis of the multiuser optimization problem leads toa non-cooperative dynamic game, which has an inherent mathematical complexity.In order to address this complexity issue, we propose to exploit the recenttheoretical results from the Mean Field Game theory, in order to transitionto a more tractable game with lower complexity. The numerical simulationsprovided demonstrate that the power strategies returned by the Mean FieldGame closely approach the optimal power strategies when it can be computed(e.g. in constant channels scenarios), and outperform the reference heuristicsin more complex scenarios where the optimal power strategies can not be easilycomputed.In the second half of the thesis, we investigate a dual problem to the previousoptimization problem, namely, we seek to optimize the total spectral efficiencyof the system, in a constant short-term power configuration. To do so, we proposeto exploit the recent advances in interference classification. the conductedanalysis reveals that the system benefits from adapting the interference processingtechniques and spectral efficiencies used by each pair of Access Point (AP) and User Equipment (UE). The performance gains offered by interferenceclassification can also be enhanced by considering two improvements. First, wepropose to define the optimal groups of interferers: the interferers in a samegroup transmit over the same spectral resources and thus interfere, but can processinterference according to interference classification. Second, we define theconcept of ’Virtual Handover’: when interference classification is considered,the optimal Access Point for a user is not necessarily the one providing themaximal SNR. For this reason, defining the AP-UE assignments makes sensewhen interference classification is considered. The optimization process is thenthreefold: we must define the optimal i) interference processing technique andspectral efficiencies used by each AP-UE pair in the system; ii) the matching ofinterferers transmitting over the same spectral resources; and iii) define the optimalAP-UE assignments. Matching and interference classification algorithmsare extensively detailed in this thesis and numerical simulations are also provided,demonstrating the performance gain offered by the threefold optimizationprocedure compared to reference scenarios where interference is either avoidedwith orthogonalization or treated as noise exclusively.

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Le thème général du sujet tourne autour de l'optimisation inter-couche des réseaux de capteurs basés sur la technologie ultra large bande ULB (UWB, Ultra Wide Band) moyennant des solutions protocolaires permettant d'un côté de répondre au besoin de qualité de service QdS à critères multiples dans les réseaux de capteurs sans fil et d'autre côté d'assurer le partage et l'allocation efficace les ressources disponibles (spectrale et temporelle) ainsi que l'optimisation de la consommation d'énergie dans des tels réseaux. Le domaine d'application cible choisi dans le présent travail est les systèmes de suivi des patients au sein d'un réseau de capteurs déployé en hôpital intelligent (WHSN, Large-scale Wireless Hospital Sensor Network). Dans ce contexte, nous avons proposé le modèle UWBCAS pour assurer le partage des ressources spectrales entre les PANs. Puis, nous avons conçu et implémenté un protocole MAC multi-canal multi-créneau de temps avec support de qualité de service, PMCMTP, pour assurer une allocation conjointe des canaux de fréquence et des créneaux de temps au sein de chaque réseau PAN. Enfin nous avons proposé l'algorithme JSAR qui traite à la fois les problèmes d'ordonnancement des cycles d'activités des membres du réseau dans le but d'optimiser la consommation d'énergie, d'allocation efficace des canaux de fréquence et des créneaux de temps afin d'améliorer le taux d'utilisation des ressources et les performances du réseau et de routage avec support de QdS à critères multiples afin de répondre aux besoins des applications supportées / The general context of the present memory is about the cross-layer optimization of wireless sensors networks based on ultra wide band technology UWB. The proposed solutions ensure the share and the efficient allocation of spectral and temporal resources, the optimization of the energy consumption and the support of multi-constraints quality of services QoS. The most challenging issue is providing a tradeoff between the resource efficiency and the multiconstrained QoS support. For this purpose, we proposed a new Wireless Hospital Sensor Network (WHSN) three-tiered architecture in order to support large-scale deployment and to improve the network performance. Then we designed a channel allocation scheme (UWBCAS,)and a prioritized multi-channel multi-time slot MAC protocol (PMCMTP) to enhance network performance and maximize the resource utilization. Finally, we proposed a joint duty cycle scheduling, resource allocation and multi-constrained QoS routing algorithm (JSAR) which simultaneously combines, a duty cycle scheduling scheme for energy saving, a resource allocation scheme for efficient use of frequency channels and time slots, and an heuristic for multi-constrained routing protocol

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement àdeux techniques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique ou spectrale desréseaux sans fil. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons de combinerles capacités de prédictions du contexte futur de transmission au classiqueet connu tradeoff latence - efficacité énergétique, amenant à ce que l’on nommeraun réseau proactif tolérant à la latence. L’objectif dans ce genre de problèmesconsiste à définir des politiques de transmissions optimales pour un ensembled’utilisateur, qui garantissent à chacun de pouvoir accomplir une transmissionavant un certain délai, tout en minimisant la puissance totale consommée auniveau de chaque utilisateur. Nous considérons dans un premier temps le problèmemono-utilisateur, qui permet alors d’introduire les concepts de tolérance àla latence, d’optimisation et de contrôle de puissance qui sont utilisés dans lapremière partie de cette thèse. L’extension à un système multi-utilisateurs estensuite considérée. L’analyse révèle alors que l’optimisation multi-utilisateurpose problème du fait de sa complexité mathématique. Mais cette complexitépeut néanmoins être contournée grâce aux récentes avancées dans le domainede la théorie des jeux à champs moyens, théorie qui permet de transiter d’unjeu multi-utilisateur, vers un jeu à champ moyen, à plus faible complexité. Lessimulations numériques démontrent que les stratégies de puissance retournéespar l’approche jeu à champ moyen approchent notablement les stratégies optimaleslorsqu’elles peuvent être calculées, et dépassent les performances desheuristiques communes, lorsque l’optimum n’est plus calculable, comme c’est lecas lorsque le canal varie au cours du temps.Dans la seconde partie de cettethèse, nous investiguons un possible problème dual au problème précédent. Plusspécifiquement, nous considérons une approche d’optimisation d’efficacité spectrale,à configuration de puissance constante. Pour ce faire, nous proposonsalors d’étudier l’impact sur le réseau des récentes avancées en classification d’interférence.L’analyse conduite révèle que le système peut bénéficier d’uneadaptation des traitements d’interférence faits à chaque récepteur. Ces gainsobservés peuvent également être améliorés par deux altérations de la démarched’optimisation. La première propose de redéfinir les groupes d’interféreurs decellules concurrentes, supposés transmettre sur les mêmes ressources spectrales.L’objectif étant alors de former des paires d’interféreurs “amis”, capables detraiter efficacement leurs interférences réciproques. La seconde altération portele nom de “Virtual Handover” : lorsque la classification d’interférence est considérée,l’access point offrant le meilleur SNR n’est plus nécessairement le meilleuraccess point auquel assigner un utilisateur. Pour cette raison, il est donc nécessairede laisser la possibilité au système de pouvoir choisir par lui-même la façondont il procède aux assignations des utilisateurs. Le processus d’optimisationse décompose donc en trois parties : i) Définir les coalitions d’utilisateurs assignésà chaque access point ; ii) Définir les groupes d’interféreurs transmettantsur chaque ressource spectrale ; et iii) Définir les stratégies de transmissionet les traitements d’interférences optimaux. L’objectif de l’optimisationest alors de maximiser l’efficacité spectrale totale du système après traitementde l’interférence. Les différents algorithmes utilisés pour résoudre, étape parétape, l’optimisation globale du système sont détaillés. Enfin, des simulationsnumériques permettent de mettre en évidence les gains de performance potentielsofferts par notre démarche d’optimisation. / In this thesis, we investigate two techniques used for enhancing the energy orspectral efficiency of the network. In the first part of the thesis, we propose tocombine the network future context prediction capabilities with the well-knownlatency vs. energy efficiency tradeoff. In that sense, we consider a proactivedelay-tolerant scheduling problem. In this problem, the objective consists ofdefining the optimal power strategies of a set of competing users, which minimizesthe individual power consumption, while ensuring a complete requestedtransmission before a given deadline. We first investigate the single user versionof the problem, which serves as a preliminary to the concepts of delay tolerance,proactive scheduling, power control and optimization, used through the first halfof this thesis. We then investigate the extension of the problem to a multiusercontext. The conducted analysis of the multiuser optimization problem leads toa non-cooperative dynamic game, which has an inherent mathematical complexity.In order to address this complexity issue, we propose to exploit the recenttheoretical results from the Mean Field Game theory, in order to transitionto a more tractable game with lower complexity. The numerical simulationsprovided demonstrate that the power strategies returned by the Mean FieldGame closely approach the optimal power strategies when it can be computed(e.g. in constant channels scenarios), and outperform the reference heuristicsin more complex scenarios where the optimal power strategies can not be easilycomputed.In the second half of the thesis, we investigate a dual problem to the previousoptimization problem, namely, we seek to optimize the total spectral efficiencyof the system, in a constant short-term power configuration. To do so, we proposeto exploit the recent advances in interference classification. the conductedanalysis reveals that the system benefits from adapting the interference processingtechniques and spectral efficiencies used by each pair of Access Point (AP) and User Equipment (UE). The performance gains offered by interferenceclassification can also be enhanced by considering two improvements. First, wepropose to define the optimal groups of interferers: the interferers in a samegroup transmit over the same spectral resources and thus interfere, but can processinterference according to interference classification. Second, we define theconcept of ’Virtual Handover’: when interference classification is considered,the optimal Access Point for a user is not necessarily the one providing themaximal SNR. For this reason, defining the AP-UE assignments makes sensewhen interference classification is considered. The optimization process is thenthreefold: we must define the optimal i) interference processing technique andspectral efficiencies used by each AP-UE pair in the system; ii) the matching ofinterferers transmitting over the same spectral resources; and iii) define the optimalAP-UE assignments. Matching and interference classification algorithmsare extensively detailed in this thesis and numerical simulations are also provided,demonstrating the performance gain offered by the threefold optimizationprocedure compared to reference scenarios where interference is either avoidedwith orthogonalization or treated as noise exclusively.