The increasing complexity of heterogeneous cellular networks (HetNets) due to the irregular deployment of small cells demands significant rethinking in the way cellular networks are perceived, modeled and analyzed. In addition to threatening the relevance of classical models, this new network paradigm also raises questions regarding the feasibility of state-of-the-art simulation-based approach for system design. This dissertation proposes a fundamentally new approach based on random spatial models that is not only tractable but also captures current deployment trends fairly accurately. First, this dissertation presents a general baseline model for HetNets consisting of K different types of base stations (BSs) that may differ in terms of transmit power, deployment density and target rate. Modeling the locations of each class of BSs as an independent Poisson Point Process (PPP) allows the derivation of surprisingly simple expressions for coverage probability and average rate. One interpretation of these results is that adding more BSs or tiers does not necessarily change the coverage probability, which indicates that fears of "interference overload" in HetNets are probably overblown. Second, a flexible notion of BS load is incorporated by introducing a new idea of conditionally thinning the interference field. For this generalized model, the coverage probability is shown to increase when lightly loaded small cells are added to the existing macrocellular networks. This is due to the fact that owing to the smaller loads, small cells typically transmit less often than macrocells, thus contributing less to the interference power. The same idea of conditional thinning is also shown to be useful in modeling the non-uniform user distributions, especially when the users lie closer to the BSs. Third, the baseline model is extended to study multi-antenna HetNets, where BSs across tiers may additionally differ in terms of the number of transmit antennas, number of users served and the multi-antenna transmission strategy. Using novel tools from stochastic orders, a tractable framework is developed to compare the performance of various multi-antenna transmission strategies for a fairly general spatial model, where the BSs may follow any general stationary distribution. The analysis shows that for a given total number of transmit antennas in the network, it is preferable to spread them across many single-antenna BSs vs. fewer multi-antenna BSs. Fourth, accounting for the load on the serving BS, downlink rate distribution is derived for a generalized cell selection model, where shadowing, following any general distribution, impacts cell selection while fading does not. This generalizes the baseline model and all its extensions, which either ignore the impact of channel randomness on cell selection or lumps all the sources of randomness into a single random variable. As an application of these results, it is shown that in certain regimes, shadowing naturally balances load across various tiers and hence reduces the need for artificial cell selection bias. Fifth and last, a slightly futuristic scenario of self-powered HetNets is considered, where each BS is powered solely by a self-contained energy harvesting module that may differ across tiers in terms of the energy harvesting rate and energy storage capacity. Since a BS may not always have sufficient energy, it may not always be available to serve users. This leads to a notion of availability region, which characterizes the fraction of time each type of BS can be made available under variety of strategies. One interpretation of this result is that the self-powered BSs do not suffer performance degradation due to the unreliability associated with energy harvesting if the availability vector corresponding to the optimal system performance lies in the availability region. / text

Français:La notion de réseaux hétérogènes correspond à l’intégration de plusieurs technologies de transmission de données sans-fil dans le but d’accroitre la qualité de service des communications dans les réseaux mobiles.Historiquement, les mécanismes de sécurité des réseaux mobiles et sans-fil ont été largement focalisés sur la protection d’équipement utilisateur au niveau du dernier saut de communication et sur base d’une connectivité simple et unique. Cette connectivité, réduite à sa plus simple expression, a restraint le développement des protocoles de sécurité à des protocoles bi-parties, qui couvrent l’authentification des équipements utilisateurs et le chiffrement sur des communicationsLes mécanismes de sécurité et de cryptographie ne sont donc pas suffisants pour protéger correctement et efficacement des connections parallèles ou leur mobilité au sein de réseaux hétérogènes. Le but de cette thèse de doctorat, à travers quatre contributions personnelles, est d’apporter de nouveaux mécanismes et protocoles de sécurité afin de protéger au mieux les réseaux hétérogènes:• La première contribution se focalise sur le développement d’une nouvelle primitive cryptographique pour la protection des transmissions sans-fil. La propriété principale de celle-ci est de protéger les trames en cas de capture. Cette primitive introduit, notamment, la notion de force brute probabiliste (ce qui veut dire qu’un attaquant ne peut pas choisir parmi différentes clés équiprobables laquelle est effectivement utilisée).• La seconde contribution propose un nouveau protocole pour gérer d’une manière sure et efficace la mobilité des équipements utilisateurs entre différentes technologies au sein de réseaux hétérogènes.• La troisième contribution couvre la gestion des clés maîtres des utilisateurs, embarqués au sein des cartes SIM, utilisées au sein des réseaux d’opérateurs mobiles. Nos protocoles et mécanismes automa- tisent des changements réguliers et sûrs de la clé maître, et ajoutent de la diversité dans la gestion des clés de sessions pour minimiser l’impact en cas de révélation de ces dernières (par le biais d’un vol de base de donnée, par exemple)• La quatrième contribution introduit un nouveau paradigme de connectivité pour les réseaux mo- biles basé sur des communications 1−à−n. Le paradigme redéfinit les frontières de sécurité et place l’équipement utilisateur au centre d’un groupe authentifié mobile. Par conséquent, le changement de paradigme mène à la création de nouveaux protocoles pour l’authentification, la gestion de la mo- bilité et la négociation protégées de clés afin de fournir une protection de bout en bout entre deux équipements utilisateurs ou plus. / English:Heterogeneous Networks (HetNets) is the integration of multiple wireless technologies to increase the quality of service of the communications in mobile networks. This evolution is the next generation of Public Land Mobile Networks (PLMNs).Mobile and wireless network security mechanisms have largely focused on the protection of the User Equipment (UE) within the last mile (the last hop of the communication in the chain of connected devices) and on single connections. The single connectivity has reduced the development of the security to two party protocols, and they cover the authentication of the UE to the mobile network and the encryption on a single channel based on homogeneous communications through a unique technology.The current security and cryptographic mechanisms are not sufficient to protect correctly, and efficiently, parallel connections or their mobility in HetNets. The purpose of the PhD Thesis is to bring new security protocols and mechanisms to protect HetNets.The contributions, that are brought by the thesis, follow the evolution of HetNets through 4 contributions by starting from the wireless transmissions to the largest frame of HetNets architecture:• The first contribution focuses on the development of an new cryptographic primitives for wireless transmissions. The main property is to protect the frame from eavesdropping. The primitive introduces the notion of probabilistic brute force (meaning that an attacker cannot decide among different keys which the used one).• The second contribution proposes a new protocol to manage efficiently and securely the mobility of the UEs between different technologies inside HetNets.• The third contribution covers the management of the master secrets, embedded within the Universal Subscriber Identity Module (USIM), in large PLMNs. Our mechanisms and protocols automate regular and secure changes of the master secret, and they add diversity in the management of session keys to minimize the impact of key leakages (in case of credential database theft, for instance).• The fourth contribution introduces a new connectivity paradigm for mobile networks based on one-to- many communications. The paradigm redesigns the security borders and puts the UE in the center of a mobile authenticated group. Therefore, the paradigm shift leads to new security protocols for authentication, mobility management, and secure negotiation to provide end-to-end encryption between two or more UEs. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le réseau mobile d’Orange France comprend plus de 100 000 antennes 2G, 3G et 4G sur plusieurs bandes de fréquences sans compter les nombreuses femto-cells fournies aux clients pour résoudre les problèmes de couverture. Ces chiffres ne feront que s’accroître pour répondre à la demande sans cesse croissante des clients pour les données mobiles. Cela illustre le défi énorme que rencontrent les opérateurs de téléphonie mobile en général à savoir gérer un réseau aussi complexe tout en limitant les coûts d’opération pour rester compétitifs. Cette thèse s’attache à utiliser le concept SON (réseaux auto-organisants) pour réduire cette complexité en automatisant les tâches répétitives ou complexes. Plus spécifiquement, nous proposons des algorithmes d’optimisation automatique pour des scénarios liés à la densification par les small cells ou les antennes actives. Nous abordons les problèmes classiques d’équilibrage de charge mais avec un lien backhaul à capacité limitée et de coordination d’interférence que ce soit dans le domaine temporel (notamment avec le eICIC) ou le domaine fréquentiel. Nous proposons aussi des algorithmes d’activation optimale de certaines fonctionnalités lorsque cette activation n’est pas toujours bénéfique. Pour la formulation mathématique et la résolution de tous ces algorithmes, nous nous appuyons sur les résultats de l’approximation stochastique et de l’optimisation convexe. Nous proposons aussi une méthodologie systématique pour la coordination de multiples fonctionnalités SON qui seraient exécutées en parallèle. Cette méthodologie est basée sur les jeux concaves et l’optimisation convexe avec comme contraintes des inégalités matricielles linéaires. / The mobile network of Orange in France comprises more than 100 000 2G, 3G and 4G antennas with severalfrequency bands, not to mention many femto-cells for deep-indoor coverage. These numbers will continue toincrease in order to address the customers’ exponentially increasing need for mobile data. This is an illustrationof the challenge faced by the mobile operators for operating such a complex network with low OperationalExpenditures (OPEX) in order to stay competitive. This thesis is about leveraging the Self-Organizing Network(SON) concept to reduce this complexity by automating repetitive or complex tasks. We specifically proposeautomatic optimization algorithms for scenarios related to network densification using either small cells orActive Antenna Systems (AASs) used for Vertical Sectorization (VeSn), Virtual Sectorization (ViSn) and multilevelbeamforming. Problems such as load balancing with limited-capacity backhaul and interference coordination eitherin time-domain (eICIC) or in frequency-domain are tackled. We also propose optimal activation algorithms forVeSn and ViSn when their activation is not always beneficial. We make use of results from stochastic approximationand convex optimization for the mathematical formulation of the problems and their solutions. We also proposea generic methodology for the coordination of multiple SON algorithms running in parallel using results fromconcave game theory and Linear Matrix Inequality (LMI)-constrained optimization.