Grâce aux avancées technologiques dans le domaine des réseaux cellulaires et des équipements mobiles, le nombre d'applications multimédia à haut débit dans les réseaux mobiles ne cesse d'augmenter. On prévoit que le trafic de données dans les réseaux mobiles en 2017 sera 13 fois plus important que celui en 2012. Pour satisfaire aux besoins des équipements mobiles, de nouvelles approches pour la gestion des ressources radio et des puissances de transmission sont requises.Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse à proposer des solutions pour remédier aux problèmes des interférences intercellulaires dans les réseaux mobiles de dernière génération. Nous enquêtons d'une manière exhaustive les différentes techniques de coordination des interférences intercellulaires existantes. Ces techniques sont qualitativement comparées, puis classées selon le taux de coopération requis entre les différentes stations de base, mais aussi selon leurs principes de fonctionnement. Nous abordons également le problème multicellulaire d'allocation des ressources et des puissances de transmission d'une manière centralisée. Nous formulons ce problème d'optimisation centralisé, puis nous le décomposons en deux sous-problèmes indépendants : l'allocation de ressources et l'allocation des puissances de transmission. De plus, une approche distribuée basée sur la théorie des jeux est proposée pour l'allocation des puissances de transmission. Les techniques centralisées de minimisation des interférences intercellulaires offrent la solution optimale au prix d'une grande charge de signalisation. Par contre, les solutions décentralisées réduisent le trafic de signalisation sans garantir l'optimalité de la solution obtenue. Nous proposons ensuite une heuristique de contrôle de puissance qui modifie localement l'allocation des puissances de transmission de manière à éviter le gaspillage d'énergie et pour réduire les interférences ressenties par les utilisateurs des stations de base voisines. Nous proposons également une technique autonome qui gère la distribution des ressources radio entre les différentes zones de chaque cellule. Cette technique répond aux besoins des utilisateurs dans chaque zone en adaptant la distribution des ressources d'une manière dynamique. Nous abordons aussi le compromis entre les techniques de gestion d'interférences intercellulaires centralisées et décentralisées. Nous proposons une approche hybride où l'allocation des ressources radio et des puissances de transmission est faite d'une manière coopérative entre les différentes cellules. Dans un premier lieu, les cellules voisines collaborent afin d'ajuster les puissances de transmission allouées aux ressources radio. Ensuite, la distribution des ressources entre les différentes zones de chaque cellule est modifiée localement, selon les besoins des utilisateurs dans chaque zone. / The exponentially increasing demand for mobile broadband communications have led to the dense deployment of cellular networks with aggressive frequency reuse patterns. The future Fifth Generation (5G) networks are expected to overcome capacity and throughput challenges by adopting a multi-tier architecture where several low-power Base Stations (BSs) are deployed within the coverage area of the macro cell. However, Inter-Cell Interference (ICI) caused by the simultaneous usage of the same spectrum in different cells, creates severe problems. ICI reduces system throughput and network capacity, and has a negative impact on cell-edge User Equipment (UE) performance. Therefore, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) techniques are required to mitigate the impact of ICI on system performance. In this thesis, we address the resource and power allocation problem in multiuser Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) networks such as LTE/LTE-A networks and dense small cell networks. We start by overviewing the state-of-the-art schemes, and provide an exhaustive classification of the existing ICIC approaches. This qualitative classification is followed by a quantitative investigation of several interference mitigation techniques. Then, we formulate a centralized multi-cell joint resource and power allocation problem, and prove that this problem is separable into two independent convex optimization problems. The objective function of the formulated problem consists in maximizing system throughput while guaranteeing throughput fairness between UEs. ICI is taken into account, and resource and power allocation is managed accordingly in a centralized manner. Furthermore, we introduce a decentralized game-theoretical method to solve the power allocation problem without the need to exchange signaling messages between the different cells. We also propose a decentralized heuristic power control algorithm based on the received Channel Quality Indication (CQI) feedbacks. The intuition behind this algorithm is to avoid power wastage for UEs that are close to the serving cell, and reducing ICI for UEs in the neighboring cells. An autonomous ICIC scheme that aims at satisfying throughput demands in each cell zone is also introduced. The obtained results show that this technique improves UE throughput fairness, and it reduces the percentage of unsatisfied UEs without generating additional signaling messages. Lastly, we provide a hybrid ICIC scheme as a compromise between the centralized and the decentralized approaches. For a cluster of adjacent cells, resource and power allocation decisions are made in a collaborative manner. First, the transmission power is adjusted after receiving the necessary information from the neighboring cells. Second, resource allocation between cell zones is locally modified, according to throughput demands in each zone.

Les années récentes ont vu l’explosion du trafic sur les réseaux mobiles depuis l’apparition de nouveaux terminaux (smartphones, tablettes) et des usages qu’ils permettent, en particulier les données multimédia, le trafic voix restant sensiblement constant. Une conséquence est le besoin de plus de spectre, ou la nécessité de mieux utiliser le spectre déjà alloué. Comme il n’y a pas de coordination entre les utilisateurs secondaire(s) et primaire, avant toute transmission les premiers doivent mettre en œuvre des traitements pour détecter les périodes dans lesquelles l’utilisateur primaire transmet, ce qui est le scénario considéré dans cette thèse. Nous considérons donc une autre approche, reposant sur l’utilisation de codes correcteurs d’effacements en mode paquet. La dernière partie de la thèse aborde un scénario dans lequel il n’y a plus d’utilisateur primaire, tous les utilisateurs ayant le même droit à transmettre dans le canal. Nous décrivons une modification de la couche MAC du 802.11 consistant à réduire les différents temps consacrés à attendre (SIFS, DIFS, backoff, . . .) afin d’accéder plus souvent au canal, au prix de quelques collisions supplémentaires qu’il est possible de récupérer en mettant en œuvre des codes correcteurs d’effacements. / The emergence of new devices especially the smartphones and tablets having a lot of new applications have rocketed the wireless traffic in recent years and this is the cause of main surge in the demand of radio spectrum. There is a need of either more spectrum or to use existing spectrum more efficiently due to dramatic increase in the demand of limited spectrum. Among the new dynamic access schemes designed to use the spectrum more efficiently opportunistic spectrum access (OSA) is currently addressed when one or more secondary users (SU) are allowed to access the channel when the PU is not transmitting. The erasure correcting codes are therefore envisioned to recover the lost data due to sensing impairments. We define the parameter efficiency of SU and optimize it in-terms of spectrum utilization keeping into account sensing impairments, code parameters and the activity of PU. Finally, the spectrum access for multiple secondary users is addressed when there is no primary and each user has equal right to access the channel. The interesting scenarios are Cognitive radio networks and WiFi where 802.11 protocol gives the specification for MAC layer. The throughput curvesachieved by retransmission and using various erasure correcting codes are compared. This modification in MAC layer will reduce the long waiting time to access the channel, as the number of users are increased.

Dans cette thèse, les techniques de coopération ont été étudiées pour un canal multi-accès multi-relais composé d'au moins deux sources qui communiquent avec une seule destination à l'aide d'au moins deux nœuds de relayage en mode semi-duplex. Le multiplexage par répartition dans le temps est supposé. Tout d'abord, l’algorithme d’adaptation de lien est exécuté par l'ordonnanceur centralisé. Durant la première phase de transmission, les sources transmettent chacune à leur tour leur message respectif pendant des intervalles de temps consécutifs. Dans chaque intervalle de temps dans la deuxième phase, la destination planifie un nœud pour transmettre les redondances, mettant en œuvre un protocole coopératif d'Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ), où les canaux de contrôle limités bidirectionnels sont disponibles depuis les sources et les relais vers la destination. Dans la première partie de la thèse, les stratégies de sélection des nœuds centralisé sont proposées pour la deuxième phase de transmission. Les décisions d’ordonnancement sont prises en fonction de la connaissance des ensembles de sources correctement décodées par chaque noeud et ayant comme objectif de maximiser l’efficacité spectrale moyenne. L'analyse de la probabilité de coupure de l'information ainsi que les simulations Monte-Carlo (MC) sont effectués afin de valider ces stratégies. Dans la seconde partie, un algorithme d’adaptation de lien lent est proposé afin de maximiser l’efficacité spectrale moyenne sous contrainte de vérification d'une qualité de service individuelle cible pour une famille donnée de schémas de modulation et de codage, réposant sur l'information sur la distribution des canaux signalée. Les débits des sources discrets sont déterminés en utilisant l’approche "Genie-Aided" suivie d’un algorithme itératif de correction de débit. Les simulations MC montrent que l’algorithme d’adaptation de lien proposé offre des performances proches de celles de la recherche exhaustive. Dans la troisième partie, les performances de protocole HARQ à redondance incrémentale (IR) avec codage mono et multi-utilisateur, ainsi que l'HARQ de type Chase Combining avec codage mono-utilisateur sont comparées. Les simulations MC montrent que l'IR-HARQ avec codage mono-utilisateur offre le meilleur compromis entre performance et complexité pour le scénario de petit nombre de sources. Un schéma de codage pratique est proposé et validé à l'aide de simulations MC. / In this thesis, cooperation techniques have been studied for Multiple Access Multiple Relay Channel, consisted of at least two sources which communicate with a single destination with the help of at least two half-duplex relaying nodes. Time Division Multiplexing is assumed. First, the link adaptation algorithm is performed at the centralised scheduler. Sources transmit in turns in consecutive time slots during the first transmission phase. In each time slot of the second phase, the destination schedules a node to transmit redundancies, implementing a cooperative Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) protocol, where bidirectional limited control channels are available from sources and relays towards the destination. In the first part of the thesis, centralized node selection strategies are proposed for the second phase. The scheduling decisions are made based on the knowledge of the correctly decoded source sets of each node, with the goal to maximize the average spectral efficiency. An information outage analysis is conducted and Monte-Carlo (MC) simulations are performed to evaluate their performance. In the second part, a slow-link adaptation algorithm is proposed which aims at maximizing the average spectral efficiency under individual QoS targets for a given modulation and coding scheme family relying on the reported Channel Distribution Information of all channels. Discrete source rates are first determined using the "Genie-Aided" assumption, which is followed by an iterative rate correction algorithm. The resulting link adaptation algorithm yields performance close to the exhaustive search approach as demonstrated by MC simulations. In the third part, performances of Incremental Redundancy (IR) HARQ with Single and Multi User encoding, as well as the Chase Combining HARQ with Single User encoding are compared. MC simulations demonstrate that IR-HARQ with Single User encoding offers the best trade-off between performance and complexity for a small number of sources in our setting. Practical coding scheme is proposed and validated using MC simulations.

Les travaux présentés dans cette thèse proposent des solutions à forte efficacité spectrale pour les communications mobiles multi-antennes et multiporteuses, particulièrement optimisées pour la voie descendante des systèmes hertziens. Cette étude s'inscrit dans un contexte fortement concurrentiel pour l'accès de masse au haut-débit sans fil, et contribue à l'effort collectivement mené au sein des projets européens sur les systèmes dits de 4e génération (4G). La première partie du document cadre l'étude en identifiant les contraintes physiques, technologiques et financières, ainsi que les exigences des systèmes 4G en termes de services, débit et mobilité. En particulier, une complexité raisonnable au récepteur mobile est requise en voie descendante pour honorer coût et consommation. Dans un souci de réalisme, le canal de propagation radio-mobile large-bande MIMO est caractérisé. Les corrélations en temps/fréquence/espace induisent le dimensionnement du système de communication numérique proposé. La deuxième partie du document est consacrée à l'étude des systèmes multi-porteuses, multi-utilisateurs, et multi-antennes, afin d'unifier l'approche et d'explorer plusieurs axes en utilisant au mieux les propriétés du canal. Tout d'abord, le choix de l'accès large-bande multi-utilisateurs s'est porté sur la combinaison de l'OFDM et d'étalement en accès multiple CDMA, afin de discuter du compromis diversité/orthogonalité suivant les algorithmes de chip-mapping et de détection employés. Ensuite, pour exploiter les gains de réseau d'antennes, diversité et multiplexage offerts par le canal MIMO en fonction du contexte, un état de l'art des techniques multi-antennes est dressé. La classification proposée permet d'établir une stratégie tout en conservant une faible complexité de détection. Nous détaillons les systèmes les plus réalistes en contexte mobile et en voie descendante, n'ayant pas connaissance du canal en émission. La chaîne de communication MIMO-OFDM-CDMA complète est finalement présentée en insistant sur la flexibilité des algorithmes linéaires adoptés. La troisième partie du document s'attache à optimiser les combinaisons précédentes en contexte réaliste, et propose des techniques de codage et d'estimation temps/fréquence/espace innovantes. Tout d'abord, une approche pragmatique amène à considérer des solutions exploitant la diversité qui assurent robustesse, détection simple et compatibilité avec l'ensemble des terminaux. Nous privilégions un codage spatial de rendement unitaire, et proposons d'agir sur les trajets multiples grâce aux antennes supplémentaires. Des axes d'optimisation sont fournis au niveau codage, chip-mapping, détection et propagation de fiabilités. Comparé aux méthodes OSTBC ou CDD, des gains sont illustrés en performance, répartition de puissance, potentiel d'adaptabilité et de robustesse... Ensuite, en relâchant légèrement les contraintes de complexité et d'orthogonalité spatiale, nous proposons de nouvelles solutions en contexte plus favorable. Même avec une simple détection linéaire MMSE, ces techniques offrent un potentiel supérieur en haut-débit mobile dès que le nombre d'antennes augmente. Enfin, nous introduisons des méthodes d'estimation du canal MIMO adaptées aux systèmes précédents, utilisant des symboles pilotes répartis et éventuellement les données décodées de manière itérative afin de répondre à un ensemble de compromis sur des récepteurs variés. Les nombreux résultats obtenus démontrent la pertinence des solutions développées.