Les réseaux de 5ème génération se caractérisent par la communication directe entre machines (M2M) et l’Internet des Objets, un réseau unifié d’objets connectés. Dans ce contexte, les appareils communicants sont des décideurs autonomes qui coopérent, coordonnent leurs actions et se reconfigurent de manière dynamique enfonction de leur environnement. L’enjeu est de développer des algorithmes efficaces pour coordonner les actions des appareils autonomes constituant le réseau.La théorie de l’information nous permet d’étudier le comportement de long-terme des appareils grâce aux distributions de probabilité conjointes. En particulier, nous sommes intéressés par la coordination forte, qui exige que la distribution induite sur les suites d’actions converge en distance L^1 vers une distribution i.i.d. cible.Nous considérons un model point-à-point composé d’une source d’information, d’un encodeur, d’un canal bruité, d’un décodeur, d’une information commune et nous cherchons à coordonner les signaux en entrée et en sortie du canal avec la source et sa reconstruction.Nos premiers résultats sont des bornes intérieures et extérieure pour la région de coordination forte, c’est-à-dire l’ensemble des distributions de probabilité conjointes réalisables et la quantité d’information commune requise.Ensuite, nous caractérisons cette région de coordination forte dans trois cas particuliers: lorsque le canal est parfait, lorsque le décodeur est sans perte et lorsque les variables aléatoires du canal sont indépendantes des variables aléatoires de la source. L’étude de ce dernier cas nous permet de remettre en cause le principe de séparation source-canal pour la coordination forte. Nous démontrons également que la coordination forte offre “gratuitement” des garanties de sécurité au niveau de la couche physique.Par ailleurs, nous étudions la coordination sous l’angle du codage polaire afin de développer des algorithmes de codage implémentables. Nous appliquons la polarisation de la source de manière à créer un schéma de codage explicite qui offre une alternative constructive aux preuves de codage aléatoires. / 5G networks will be characterized by machine to machine communication and the Internet of Things, a unified network of connected objects. In this context, communicating devices are autonomous decision-makers that cooperate, coordinate their actions, and reconfigure dynamically according to changes in the environment.To do this, it is essential to develop effective techniques for coordinating the actions of the nodes in the network.Information theory allows us to study the long-term behavior of the devices through the analysis of the joint probability distribution of their actions. In particular, we are interested in strong coordination, which requires the joint distribution of sequences of actions to converge to an i.i.d. target distribution in L^1 distance.We consider a two-node network comprised of an information source and a noisy channel, and we require the coordination of the signals at the input and at the output of the channel with the source and the reconstruction. We assume that the encoder and decoder share a common source of randomness and we introduce a state capturing theeffect of the environment.The first objective of this work is to characterize the strong coordination region, i.e. the set of achievable joint behaviors and the required minimal rates of common randomness. We prove inner and outer bounds for this region. Then, we characterize the exact coordination region in three particular cases: when the channel is perfect, when the decoder is lossless and when the random variables of the channel are separated from the random variables of the source.The study of the latter case allows us to show that the joint source-channel separation principle does not hold for strong coordination. Moreover, we prove that strong coordination offers “free” security guarantees at the physical layer.The second objective of this work is to develop practical codes for coordination: by exploiting the technique of source polarization, we design an explicit coding scheme for coordination, providing a constructive alternative to random coding proofs.

Abstract The aim of this thesis is to devise coordination and adaptation techniques that enable the wireless devices operating in a cognitive network to utilize their available resources efficiently. The first part of this thesis considers the case where multiple autonomous devices sense the frequency channels sequentially in some sensing order for spectrum opportunities. In particular, the first part is interested in the scenario where devices with false alarms autonomously select the sensing orders in which they visit channels, without coordination from a centralized entity. An adaptive persistent sensing order selection strategy that allows autonomous adaptations to collision-free sensing orders is proposed and evaluated. It is shown that the proposed strategy converges and maximizes cognitive network throughput compared to a random selection of sensing orders. The second part of this thesis considers the case where distributed devices interact with one another to cooperate to fulfill tasks or to improve the efficiency of network resource usage. Tools from coalition formation game theory are adopted to devise dynamic cooperative strategies for distributed devices. Dynamic coalition formation methods, are proposed for two different network scenarios: 1) Distributed devices operating in an interference channel; 2) Distributed devices performing spectrum sensing. It is observed that in distributed spectrum sensing if the devices pursue their goals selfishly then coalition formation may lead to a suboptimal equilibrium where devices, through their interactions, reach an undesirable coalition structure from a network point of view. The proposed selfish model of dynamic coalition formation is then extended to determine whether and how the coalitional behavior of devices will change if coalition formation is ''not entirely selfish''. It is observed that for the problem of distributed spectrum sensing, average throughput per device is increased when devices cooperate to maximize the overall gains of the group as compared to when they cooperate to increase their individual gains. Finally, in the last part of the thesis, to reduce spectrum sensing overhead and total energy consumption of a cognitive radio network, the problem of sensor selection is considered. Different techniques for selecting devices with the best detection performance are proposed, and it is shown that the proposed device selection methods are able to offer significant gains in terms of system performance as compared to a random selection of devices. / Tiivistelmä Tämän työn tavoitteena oli kehittää koordinointi- ja adaptointimenetelmiä, jotka mahdollistavat langattomien laitteiden toiminnan kognitiivisessa verkossa ja tarjolla olevien resurssien tehokkaan käytön. Työn ensimmäisessä osassa käsitellään tapausta, jossa useat itsenäiset laitteet havainnoivat taajuuskanavien spektriominaisuuksia sekventiaalisesti jossakin järjestyksessä. Ensimmäisessä osassa ollaan erityisesti kiinnostuneita skenaariosta, jossa virheellisen hälytyksen antava laite automaattisesti valitsee kanavien havainnointijärjestyksen, joka tapahtuu ilman keskusyksikön koordinointia. Tässä työssä ehdotetaan ja evaluoidaan adaptiivinen jatkuva havainnointijärjestyksen valintastrategia, joka sallii itsenäisen sopeutumisen törmäysvapaaseen havainnointijärjestykseen. Osoitetaan, että ehdotettu strategia suppenee ja maksimoi kognitiivisen verkon kapasiteetin verrattuna satunnaiseen havainnointijärjestysten valintaan. Työn toisessa osassa pohditaan tilannetta, jossa hajautetut laitteet vuorovaikuttavat keskenään yhteistyössä suorittaakseen tehtäviään tai parantaakseen verkon resurssien käytön tehokkuutta. Peliteoreettisia työkaluja koalitioiden muodostamiseen mukautetaan dynaamisten yhteistoiminnallisten strategioiden laatimiseen hajautetuille laitteille. Dynaamisia koalitioiden muodostamismenetelmiä ehdotetaan kahteen erilaiseen verkkoskenaarioon: 1) hajautetut laitteet toimivat häiriöllisessä kanavassa, 2) hajautetut laitteet suorittavat spektrin havainnointia. Havaitaan, että jos hajautetussa spektrin havainnoinnissa laitteet tavoittelevat päämääriään itsekkäästi, niin koalitioiden muodostaminen voi johtaa alioptimaaliseen tasapainotilaan, jossa laitteet keskinäisen vaikutuksensa kautta saavuttavat verkon näkökulmasta epätoivotun koalitiorakenteen. Ehdotettua itsekästä mallia dynaamiseen koalitioiden muodostamiseen laajennetaan ottamaan selville, miten laitteiden koalitiokäyttäytyminen muuttuu, jos koalitioiden muodostaminen ei ole täydellisen itsekästä. Havaitaan, että hajautetun spektrin havainnoinnin probleemassa, keskimääräinen laitekohtainen kapasiteetti kasvaa kun laitteet tekevät yhteistyötä maksimoidakseen ryhmän kokonaishyödyn verrattuna siihen, jos ne tekevät yhteistyötä lisätäkseen yksittäisiä etujaan. Työn viimeisessä osassa pohditaan sensorien valintaongelmaa. Siinä ehdotetaan erilaisia menetelmiä, jotka valitsevat parhaan suorituskyvyn omaavat laitteet ja näytetään, että ehdotetut laitteiden valintamenetelmät pystyvät tarjoamaan merkittäviä suorituskykyetuja verrattuna satunnaiseen laitteiden valintaan.

The thesis deals with the design of a small-volume four-stroke internal combustion engine with a maximum displacement of 10 cc and a power of 1 kW for autonomous devices of smaller dimensions. In addition to the analysis of individual propulsions for small aircraft, there is also a chapter with the comparison of an internal combustion engine and an electric motor with similar power. Another part of the work is the creation of a thermodynamic model in the GT Power program and its subsequent optimization to increase the overall efficiency of the engine.