Cette thèse à pour but d'étudier des alternatives à l’augmentation des faisceaux dans des systèmes satellite THD deprochaine génération, évaluant des stratégies pour augmenter de manière significative la capacité totale du système. Dansce contexte, les schémas de réutilisation de fréquence (FR) agressives viennent naturellement dans l'esprit afin d'augmenterles ressources globales en bande passante et, par conséquent, augmenter la capacité globale du système. Cependant, cesschémas mènent à une augmentation des interférences co-canal, rendant l'utilisation du spectre supplémentaire pastellement efficace. Visant à trouver une solution à ce défi, des techniques basées sur des interférences ont été évaluées dans un contexte satellitaire réaliste, correspondant au précodage linéaire et la réutilisation fréquentielle fractionnelle (FFR). Le précodage linéaire est une technique MIMO qui permet l’application des schémas de réutilisation plus agressifs en traitantconjointement les signaux transmis afin de pré-compenser les interférences co-canal. Cette technique a été étudiée dans lecadre des systèmes THD et sa performance dérivé en considérant une caractérisation réaliste antenne, prouvantl'importante amélioration dans la capacité totale du système. Des stratégies de scheduling ont été également étudiées etdes algorithmes évalués, prouvant que d'autres améliorations peuvent être réalisées considérant mécanismes intelligentsde scheduling. Une autre voie d'augmenter les ressources spectrales par faisceau a été étudiée considérant des schémasFFR, utilisés en grande partie dans les réseaux mobiles terrestres (c.-à-d. WiMax, LTE…). / The purpose of this Ph.D. thesis has been to investigate alternatives to the beam scaling in NG-HTS systems, assessingadvanced strategies to significantly increase total system capacity, without further exploding the number of beams. In thiscontext, aggressive frequency reutilization (FR) strategies come naturally into mind as a potential mean to increase overallbandwidth resources and therefore, boost system capacity. However, it leads to an increase on co-channel interferences,rendering the usage of additional spectrum not as efficient. Aiming to find a solution to this challenge, advancedinterference-based system techniques have been assessed in a realistic NG-HTS context, corresponding to Linear Precodingand Fractional FR (FFR) schemes. Linear Precoding is a MIMO-based technique which allows considering more aggressiveFR schemes by jointly processing the transmitted signals in order to pre-compensate co-channel interferences. Thistechnique has been studied in the frame of NG-HTS systems and their performances derived considering realistic antennacharacterization, proving significant improvement in total system capacity. Scheduling strategies have been alsoinvestigated and schedule algorithms assessed, showing further improvements can be achieved considering smartscheduling mechanisms. Another way to increase spectral resources per beam has been then investigated considering FFR schemes, used mostly in mobile terrestrial networks (i.e. WiMAX, LTE…). FFR scheme application has been characterized and adapted to the particularities of a realistic HTS satellite context and its gains in total capacity have been derived. A natural synergy between Linear Precoding and FFR has been then studied, leading to further improvements on total system capacity.

The demand for higher data rates for indoor and cell-edge users led to evolution of small cells. LTE femtocells, one of the small cell categories, are low-power low-cost mobile base stations, which are deployed within the coverage area of the traditional macro base station. The cross-tier and co-tier interferences occur only when the macrocell and femtocell share the same frequency channels. Open access (OSG), closed access (CSG), and hybrid access are the three existing access-control methods that decide users' connectivity to the femtocell access point (FAP). We define a network performance function, network productivity, to measure the traffic that is carried successfully. In this dissertation, we evaluate call mobility in LTE integrated network and determine optimized network productivity with variable call arrival rate in given LTE deployment with femtocell access modes (OSG, CSG, HYBRID) for a given call blocking vector. The solution to the optimization is maximum network productivity and call arrival rates for all cells. In the second scenario, we evaluate call mobility in LTE integrated network with increasing femtocells and maximize network productivity with variable femtocells distribution per macrocell with constant call arrival rate in uniform LTE deployment with femtocell access modes (OSG, CSG, HYBRID) for a given call blocking vector. The solution to the optimization is maximum network productivity and call arrival rates for all cells for network deployment where peak productivity is identified. We analyze the effects of call mobility on network productivity by simulating low, high, and no mobility scenarios and study the impact based on offered load, handover traffic and blocking probabilities. Finally, we evaluate and optimize performance of fractional frequency reuse (FFR) mechanism and study the impact of proposed metric weighted user satisfaction with sectorized FFR configuration.

Les technologies mobiles terrestre et satellite sont naturellement complémentaires. Les réseaux cellulaires terrestres sont adaptés aux villes où la densité d'utilisateurs est maximale mais perdent leur rentabilité dans les zones peu peuplées. A l'inverse, les systèmes mobile satellite permettent de couvrir de vastes zones à moindre coût mais n'assurent pas la couverture dans les zones urbaines car le signal est bloqué par les constructions. En les combinant pour assurer la couverture en ville par le réseau terrestre et dans les zones moins denses avec le satellite, on obtient un système à la couverture totale pour un coût optimal. Nous appelons un tel système intégrant une composante satellite et une composante terrestres un "système intégré" satellite/terrestre. Nul doute que d'ici quelques années, le rêve de la communauté satellite de rendre tous les terminaux mobiles capables de se connecter à un satellite sera accessible. Le satellite pourra ainsi être vu par les utilisateurs de terminaux portables comme une énième technologie d'accès à un système "intégré", aux côtés du Bluetooth, du Wifi et des technologies cellulaires (GSM, UMTS, LTE). La réutilisation du spectre satellite par les systèmes terrestres est un facteur déterminant dans le succès de cette intégration car elle permet de justifier les investissements dans le système satellite qui ne peut être rentabilisé par les abonnements seuls. Toutefois sa mise en œuvre pose de nombreux problèmes : règlementaires, commerciaux et bien entendu techniques. Cette thèse apporte des solutions sur ce dernier point et j'espère qu'elle contribuera ainsi à rendre possible ce rêve d'intégration. Nous avons adopté une approche descendante du problème du partage de spectre dans les systèmes mobiles satellite-terrestre. Nous avons tout d'abord établi une synthèse sur les aspects recouverts par l'intégration des systèmes mobiles satellite et terrestre. Nous avons ensuite dressé l'état de l'art sur la problématique de la réutilisation du spectre satellite par les systèmes terrestres, que nous avons complété par nos analyses. Nous avons décidé dans cette thèse de nous focaliser sur un des problèmes majeurs soulevés par cette réutilisation : les interférences co-fréquence du système terrestre sur le lien montant satellite. A partir de l'analyse d'une solution de partage statique de spectre par coordination des plans de fréquence (principe de zone d'exclusion), nous avons élaboré puis analysé les performances de mécanismes innovants d'allocation de ressources dans le système terrestre qui permettent de réduire de façon importante les interférences. De plus, nous proposons une méthode pour garantir au système satellite que les interférences subies sur son lien montant soient inférieures à une valeur limite. Enfin, nous définissons une architecture et les mécanismes associés qui permettent l'implantation des solutions proposées dans un système satellite-terrestre fondé sur la technologie LTE. L'étude du sujet de partage de spectre dans les systèmes mobiles satellite-terrestre est relativement nouvelle et cette thèse constitue donc un travail novateur important qui pourra être utilisé comme base à de futurs travaux. / Terrestrial and satellite mobile technologies are naturally complementary. Terrestrial cellular systems are adapted to urban areas where the user density is maximal but their cost-effectiveness is much lower in sparsely populated areas. On the contrary, mobile satellite systems cover large zones at a relatively low cost but they cannot ensure coverage in urban areas because of signal blockage due to buildings. By combining both systems for ensuring coverage in cities with terrestrial networks and in less dense areas with the satellite, we obtain a system with complete coverage for an optimal cost. Such a system is called mobile terrestrial and satellite "integrated system". It is likely that in a few years, the dream of enabling satellite connectivity on all mobile terminals will be within reach. The satellite will then be perceived for mobile terminal users as an additional access technology to an "integrated network" comparable to Wifi, Bluetooth or cellular technologies (GSM, UMTS, LTE). The spectrum reuse by terrestrial systems is a key for the success of this integration because it justifies part of the investments in the satellite systems that cannot be supported by user subscriptions only. However, implementation of spectrum sharing generates many issues: regulatory, commercial and obviously technical. This thesis brings answers on the latter and I hope it will contribute to make this dream of integration become reality. We used a descending approach of the issue of spectrum sharing in terrestrial and satellite mobile systems. First, we establish a synthesis of all the aspects covered by the integration of mobile satellite and terrestrial systems. Then, we made the state of the art on the issue of satellite spectrum reuse by terrestrial systems and we completed it with our analysis. We decided to focus our work on one of the major issues raised by this reuse: co-frequency interference generated by the terrestrial system on the satellite uplink. From the analysis of a solution proposing a static spectrum sharing by coordination of frequency plans (the exclusion zone principle), we elaborated and analyzed performances of innovative mechanisms of resources allocation in the terrestrial system that allows to reduce significantly the interferences. Moreover, we proposed a method for guaranteeing to the satellite system that interferences from the terrestrial system will not exceed a given threshold. At last, we define an architecture and the associated mechanism that allow the implementation of our solution in an integrated terrestrial-satellite systems based on LTE technology. The study of spectrum sharing in terrestrial-satellite mobile systems is rather new and this thesis represents an innovative work that may serve as a basis for future studies on this issue.

This thesis presents the results of the development of a user-friendly computer code (in MATLAB) that can be used to calculate co-channel interferences, both in the downlink and in the uplink of a single satellite/space-based mobile communications system, due to the reuse of frequencies in spot beams or coverage cells. The analysis and computer code can be applied to any type of satellite or platform elevated at any height above earth. The cells or beams are defined in the angular domain, as measured from the satellite or the elevated platform, and cell centers are arranged in a hexagonal lattice. The calculation is only for a given instant of time for which the system parameters are input into the program. The results obtained in one program run are for the overall carrier to interference ratio (CIR) along with CIR for both the uplink and downlink paths. An overall carrier to noise plus interference ratio (CNIR) is also calculated, which exemplifies the degradation in the carrier to noise ratio (CNR) of the system. Comparisons for systems with differing system scenarios are also made. For example, overall CIRs are compared for different reuse numbers (3, 4, 7, and 13) in LEO and GEO satellite systems. In conclusion, as expected, it is observed that the co-channel interference generally increases as we decrease the reuse number employed for the frequency reuse in the cells. It is also observed that co-channel interference can cause substantial degradation to the overall CNR of a system. / Master of Science

L'industrie des télécommunications sans fil fait actuellement face à une croissance considérable pour des débits toujours plus hauts, stimulée par le développement des services mobiles de données. Ce développement rend le spectre disponible de plus en plus rare et nécessite des solutions afin d'optimiser l'usage de ses ressources limitées.Le principal défi auquel les réseaux sans fils font face est de maximiser la disponibilité, la résilience et la qualité de service, tout en minimisant les coûts et en assurant entre les utilisateurs une allocation de ressources équitable. Cette thèse tente de présenter des solutions à ces problèmes et se focalise sur trois thèmes.Sur le premier thème, le but est de trouver la topologie en anneau qui optimise la disponibilité. Il est montré que les algorithmes développés dans le cadre de la théorie des graphes peuvent être utilisés de manière efficace pour définir en temps polynomial la topologie en anneau optimale si les anneaux sont petits (deux nœuds en plus du nœud d'agrégation). Pour les anneaux plus grands, le problème est NP-hard.Le deuxième thème concerne la polarisation. Nous proposons une solution innovante qui peut améliorer efficacité spectrale jusqu'à 50% par comparaison avec l'état de l'art. Le paradigme proposé introduit de nouvelles perspectives au sujet de l'optimisation de la topologie et de l'allocation de canal.Le troisième thème concerne l'allocation de ressources. Nous remettons en question l'approche présente, basée sur l'optimisation de l'efficacité du réseau. Nous montrons que cette approche est similaire au modèle d'utilité espérée de Bernoulli, qui a été réfuté par les paradoxes d'Allais. C'est pourquoi nous introduisons le concept d'aversion au manque d'équité et considérons la question d'allocation de ressources comme un compromis entre efficacité du réseau et équité. / The wireless telecommunication sector is presently facing a tremendous growth of demand for higher data rates, driven by the development of mobile data services. This development makes the available spectrum scarcer and scarcer and requires solutions in order to optimize the use of its limited resources.The main challenge wireless networks are facing is to maximize availability, resiliency and Quality of Service, while minimizing costs and ensuring fair resource allocation among users.The present thesis will try to present solutions to these issues and will focus on three topics.On the first topic, the purpose is to find the ring-based topology which optimizes availability. It will be shown that algorithms which have been developed in the field of graph theory can be used efficiently to define in polynomial time the optimal ring network topology if the rings are small (two nodes in addition to the aggregation node). For bigger rings, the problem will be NP-hard. The second topic deals with polarization. We propose an innovative solution which can improve spectral efficiency in wireless ring networks by up to 50% in comparison with the state of the art. The proposed paradigm brings new perspectives regarding topology optimization and channel allocation.The third topic deals with resource allocation. We question the present approach based on optimization of network effciency. We show that this approach is similar to Bernoulli's expected utility model, which has been disproved by Allais' paradoxes. For this reason, we introduce the concept of unfairness aversion and consider the question of resource allocation as a trade-off between network efficiency and fairness.

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Les systèmes cellulaires modiles WiMAX ont pour objectif de fournir des services multimédias à haut débit à n'importe quel moment, n'importe quel endroit avec un prix abordable. La combinaison d'orthogonale accès multiples (OFDMA) et le relais en Wimax donnent plusieurs opportunités pour des réseaux moins coûteux et plus performances. La norme Wimax 802.16j élargit non seulement la couverture de la cellule, mais aussi augmente le débit moyen des utilisateurs. Plusieurs recherches de cette norme ont été publiées afin d'optimiser la performance du réseau. Cependant, lorsque nous étudions les architectures existantes du Wimax 802.16j standard et leur rendement, nous nous sommes aperçus que le débit du système pourrait être encore amélioré à l'aide de la réutilisation de fréquence. Dans la première partie de ce travail de recherche, nous avons examiné l'architecture existante de la norme 802.16j. Le débit total du système est légèrement plus élevé dans ces architectures que dans la norme sans relais. Afin d'améliorer le rendement du système de cette norme, nous avons proposé une nouvelle architecture de cette norme avec réutilisation de fréquence et de la technique de sectorisation. Le débit total augmente fortement dans notre approche comparant aux études existantes. Dans la deuxième partie, nous avons étudié l'impact de l'interférence dans notre modèle de relais. Les résultats de simulation montrent que les SINR de station mobile augmentent très légèrement. Cet impact d'interférence est assez faible et pourrait être négligeable. Nous concluons que notre proposition fournit toujours une meilleure performance. Dans la troisième partie, nous avons proposé une nouvelle approche d'allocation de ressources en liaison descendante afin de garantir les mêmes qualités de service pour les utilisateurs en maintenant un haut débit total. Les résultats de simulation montrent qu'il existe un compromis entre l'équité de la qualité de service et le débit total du système.