Dans cette thèse, nous étudions plusieurs scénarios de communication pour les futurs réseaux sans fil. Plus particulièrement, cette thèse porte son attention sur comment la communication directe entre équipements mobiles (D2D) peut améliorer les performances des technologies existantes dans les systèmes sans fil. Le premier scénario étudié durant cette thèse est celui de la communication par multidiffusion d’un message commun entre un émetteur et plusieurs récepteurs. Il peut être illustré par le streaming vidéo, les messages d’alerte à destination de la police ou des pompiers ou des ambulanciers. Le second scénario étudié est celui d’une transmission à contraintes critiques en latence et en fiabilité. Ce dernier est illustré par son implication primordiale dans les futures technologies telles que les voitures connectées, avec pour but d’éviter des accidents, ou bien les machines connectées pour améliorer les services hospitaliers tels que la télé-chirurgie entre autres. Le dernier scénario étudié est celui de la localisation d’un groupe d’équipement dans un réseau densément peuplé tel qu’on peut trouver dans le contexte des objets connectés en masse. En général les objets communiquent entre eux à un niveau local et sont intéressés par des services communs et locaux. Plus concrètement, dans cette thèse, nous montrons les bienfaits de la communication D2D dans les trois scénarios précédents. Dans le cas du premier scénario de multidiffusion, contrairement à la tendance habituelle d’avoir un taux de transmission qui diminue en fonction du nombre d’équipements mobiles (en particulier, car l’équipement émetteur doit adapter sa transmission à l’équipement récepteur en plus mauvaise condition), en ajoutant la communication D2D, on observe que ce même taux de transmission augmente en fonction du nombre d’équipements mobiles présents. Dans le deuxième scénario où la communication est soumise à des contraintes de fiabilité et de latence exigeantes, nous déduisons une politique de retransmission optimale et proposons une autre politique semi-optimale qui est beaucoup moins gourmande en temps et qui a prouvé son optimalité dans plusieurs cas pratiques. Enfin dans le dernier scénario, nous proposons une méthode de localisation d’équipements mobile et l’étudions dans plusieurs environnements (avec et sans visibilité directe dans les cas intra-muros et extérieurs). L’identification de ces zones est ensuite utilisée pour créer de petites cellules virtuelles adaptatives aux situations changeantes et non prédictibles, dans le but de réduire les coûts liés aux infrastructures actuelles. / This thesis studies D2D communication in realistic and challenging scenarios for future wireless systems. In particular, the thesis focuses on how may D2D communication help other technologies to enhance their performance. The first wireless scenario is the one of multicasting, used for example in video streaming or common alert message transmission for police, firefighters or ambulances. The second wireless scenario is the critical one of URLLC expected to be used to avoid cars crashes in the upcoming V2X context, and also when connecting machines together in environments like connected hospitals, airports, factories (industry 4.0), and last but not least in e-health context in order to enhance medical tele-surgery. The last wireless scenario is the one of UE group localization in the context of massive IoT, where devices are interacting with each other and are mostly confined in local groups, needing local services. In the multicast channel scenario, where a transmitter wishes to convey a common message to many receivers, it is known that the multicast rate decrease as the number of UEs increases. This vanishing behavior changes drastically when enabling the receivers to cooperate with each other via D2D. Indeed, the multicast rate increases with high probability when the number of receivers increases. This chapter also analyzes the outage rate of the proposed scheme in the same setting. Extensions regarding firstly resource utilization and secondly considering the use of HARQ are also analyzed. Next chapter addresses one of the major challenges for future networks, named URLLC. Specifically, the chapter studies the problem of HARQ with delayed feedback, where the transmitter is informed after some delay on whether or not his transmission was successful. The goal is to minimize the expected number of retransmissions subject to a reliability constraint within a delay budget. This problem is studied at two levels: (i) a single transmitter faced with a stochastic i.i.d. noisy environment and (ii) a group of transmitters whom shares a collision channel. Then the chapter that follows provides a cooperative UE mapping method that is highly accurate. Four different channel models are studied in this chapter: LOS and NLOS for indoor and outdoor environments. The results show significant improvement compared to already existing methods. Identifying the dense local areas in real time and informing the network allows the Base Station (BS) to increase the capacity through highly directive beams, and therefore, avoids the deployment cost of new infrastructure.

Le système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilise plusieurs sous-porteuses pour transmettre de l'information. Comparé à un schéma mono-porteuse, la modulation multi-porteuses OFDM permet d'obtenir facilement des réglages optimaux (au sens de la capacité de Shannon) pour une transmission à haut débit sur un canal sélectif en fréquence. En ce sens, on peut alors garantir une transmission fiable et une meilleure gestion de l'énergie utilisée. Lors de la transmission avec une modulation OFDM, les sous-porteuses utilisent des canaux différents qui n'ont pas forcement la même atténuation. Allouer le même niveau de puissance à chaque sous-porteuse ne garantit pas une capacité optimale dans une liaison point à point. Une allocation dynamique de la puissance (c'est-à-dire attribuer différents niveaux de puissance aux sous-porteuses en fonction du canal) donne de meilleures performances. Par contre, dans une situation de diffusion (broadcast), l'émetteur ne connaît pas les canaux vers tous les utilisateurs, et la meilleure stratégie consiste à émettre avec la même puissance sur toutes les sous-porteuses. Cette thèse a pour objectif d'explorer les situations intermédiaires, et de proposer les outils d'allocation de puissance appropriés. Cette situation intermédiaire est appelée " multicast ", ou " multidiffusion " : l'émetteur envoie les signaux vers un nombre fini (pas trop grand) d'utilisateurs, dont il connaît les paramètres de canaux, et il peut adapter son émission à cette connaissance des canaux. On est donc dans une situation intermédiaire entre le " point à point " et la " diffusion ". L'objectif final de ce travail est d'évaluer le gain apporté par la connaissance des canaux en situation de multicast par rapport à la même communication effectuée comme si on était en diffusion. Bien évidemment, quand le nombre de destinataires est très grand, les gains seront négligeables, car le signal rencontre un nombre très élevé de canaux, et une allocation de puissance uniforme sera quasi optimale. Quand le nombre est très faible, on sera proche du point à point et les gains devraient être sensibles. Nous proposons des outils pour quantifier ces améliorations dans les cas de systèmes ayant une antenne à l'émission et une antenne à la réception, dit SISO (Single Input Single Output) et de systèmes avec plusieurs antennes, dits MIMO (Multiple Input Multiple Output). Les étapes nécessaires pour réaliser ce travail sont : 1) En supposant une connaissance préalable de l'état des canaux (entre station de base et terminaux), mettre en œuvre les outils de la théorie de l'information pour effectuer l'allocation de puissance et évaluer les capacités des systèmes étudiés. 2) Pour le système multi-utilisateur SISO-OFDM, nous proposons un algorithme d'allocation de puissance sur chaque sous porteuse dans une situation de multicast. 3) Pour le système multi-utilisateur MIMO-OFDM, nous proposons un algorithme qui exploite les caractéristiques du précodage "zero forcing". L'objectif est alors de partager la puissance disponible entre toutes les sous-porteuses et toutes les antennes. 4) Enfin, dans une dernière étape nous nous intéressons à une conception efficace de la situation de diffusion, afin de déterminer à l'aide d'outils de géométrie stochastique quelle zone peut être couverte afin qu'un pourcentage donné d'utilisateurs reçoivent une quantité d'information déterminée à l'avance. Ceci permet de déterminer la zone de couverture sans mettre en œuvre des simulations intensives. La combinaison de ces outils permet un choix efficace des situations qui relèvent de la " diffusion ", du " multicast " et du " point à point ".

La présente thèse s’intéresse aux communications descendantes, plus spécifiquement aux canaux de multidiffusion, pour lesquels un émetteur diffuse un message commun destiné à tous les utilisateurs d’un groupe. Pour que le débit ne soit pas limité par le plus faible utilisateur en terme de qualité de canal, différentes solutions reposant sur des techniques entrées multiples sorties multiples massives ou multi-débit ont été proposées dans la littérature. Cependant, si tous les utilisateurs souhaitaient obtenir le même niveau de qualité, le plus faible utilisateur établirait le débit et/ou nécessiterait une quantité de ressources démesurée, ce qui impacterait tout le groupe. Les études récentes portant sur les communications d’appareil à appareil ouvrent la voie à la coopération entre utilisateurs proches, ce qui pourrait bénéficier à tous les utilisateurs, en garantissant le même niveau de qualité tout en maintenant un faible coût en ressource et en énergie. C’est pour ces raisons que cette thèse s’intéresse aux canaux de multidiffusion avec coopération entre récepteurs. La théorie de l’information formalise l’étude de ces réseaux et fournit des bornes universelles portant sur le débit transmissible. Le schéma de coopération proposé se base sur une superposition appropriée d’opérations de compresse-relaie (CF) et décode-relaie (DF), et il est prouvé que ses performances surpasse celles des schémas de coopérations non-interactifs pour le scénario à deux récepteurs. Les propriétés de la coopération interactive émergent de l’asymétrie de construction du schéma de coopération, ce qui permet d’adapter l’ordre des CFs et DFs en fonction de la qualité du canal. L’idée derrière cette interaction, les intuitions concernant les points clés de la construction, et des résultats numériques sont donnés pour des réseaux de petites tailles. Des simulations au niveau du système illustrent le gain potentiel que la coopération entre récepteurs pourrait apporter pour des réseaux de plus grandes tailles. / The present thesis concentrates on downlink communications. In order to tackle one part of this challenging problem, we focus on the multicast channel in which one transmitter broadcasts a common message intended to a whole group of users. To ensure that the transmission rate is not limited by the weakest user in terms of channel quality, different solutions using massive multiple-input multiple-output or multirate strategies have been proposed in the literature. However, if all users wish to obtain the same content quality, the weakest user would set the rate and/or require a disproportionate amount of resource, and thus impact the whole group. With the recent study of device-to-device mechanisms, user cooperation in close proximity becomes possible and would benefit to all users by ensuring the same content quality while maintaining a low cost in terms of amount of resource and energy. Consequently, this thesis is centered around the multicast network with receiver cooperation. Information-theoretic tools formalize the study of the network considered and provide general bounds on the achievable transmission rate. The proposed cooperation scheme is based on an appropriate superposition of compress-forward (CF) and decode-forward (DF) operations, and provenly outperform non-interactive schemes in the two-receiver scenario. Properties of the interactive cooperation emerge from the asymmetric construction of the scheme which permits to adapt the order of CFs and DFs according to the channel condition. The core idea of the interaction, some insights on key construction points, and numerical results are given for small size networks. System level simulations illustrate the potential gain of receiver cooperation for larger networks.

Le système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilise plusieurs sous-porteuses pour transmettre de l’information. Comparé à un schéma mono-porteuse, la modulation multi-porteuses OFDM permet d’obtenir facilement des réglages optimaux (au sens de la capacité de Shannon) pour une transmission à haut débit sur un canal sélectif en fréquence. En ce sens, on peut alors garantir une transmission fiable et une meilleure gestion de l'énergie utilisée. Lors de la transmission avec une modulation OFDM, les sous-porteuses utilisent des canaux différents qui n’ont pas forcement la même atténuation. Allouer le même niveau de puissance à chaque sous-porteuse ne garantit pas une capacité optimale dans une liaison point à point. Une allocation dynamique de la puissance (c’est-à-dire attribuer différents niveaux de puissance aux sous-porteuses en fonction du canal) donne de meilleures performances. Par contre, dans une situation de diffusion (broadcast), l’émetteur ne connaît pas les canaux vers tous les utilisateurs, et la meilleure stratégie consiste à émettre avec la même puissance sur toutes les sous-porteuses. Cette thèse a pour objectif d’explorer les situations intermédiaires, et de proposer les outils d’allocation de puissance appropriés. Cette situation intermédiaire est appelée « multicast », ou « multidiffusion » : l’émetteur envoie les signaux vers un nombre fini (pas trop grand) d’utilisateurs, dont il connaît les paramètres de canaux, et il peut adapter son émission à cette connaissance des canaux. On est donc dans une situation intermédiaire entre le « point à point » et la « diffusion ». L’objectif final de ce travail est d’évaluer le gain apporté par la connaissance des canaux en situation de multicast par rapport à la même communication effectuée comme si on était en diffusion. Bien évidemment, quand le nombre de destinataires est très grand, les gains seront négligeables, car le signal rencontre un nombre très élevé de canaux, et une allocation de puissance uniforme sera quasi optimale. Quand le nombre est très faible, on sera proche du point à point et les gains devraient être sensibles. Nous proposons des outils pour quantifier ces améliorations dans les cas de systèmes ayant une antenne à l'émission et une antenne à la réception, dit SISO (Single Input Single Output) et de systèmes avec plusieurs antennes, dits MIMO (Multiple Input Multiple Output). Les étapes nécessaires pour réaliser ce travail sont : 1) En supposant une connaissance préalable de l’état des canaux (entre station de base et terminaux), mettre en œuvre les outils de la théorie de l'information pour effectuer l’allocation de puissance et évaluer les capacités des systèmes étudiés. 2) Pour le système multi-utilisateur SISO-OFDM, nous proposons un algorithme d'allocation de puissance sur chaque sous porteuse dans une situation de multicast. 3) Pour le système multi-utilisateur MIMO-OFDM, nous proposons un algorithme qui exploite les caractéristiques du précodage "zero forcing". L'objectif est alors de partager la puissance disponible entre toutes les sous-porteuses et toutes les antennes. 4) Enfin, dans une dernière étape nous nous intéressons à une conception efficace de la situation de diffusion, afin de déterminer à l’aide d’outils de géométrie stochastique quelle zone peut être couverte afin qu’un pourcentage donné d’utilisateurs reçoivent une quantité d’information déterminée à l’avance. Ceci permet de déterminer la zone de couverture sans mettre en œuvre des simulations intensives. La combinaison de ces outils permet un choix efficace des situations qui relèvent de la « diffusion », du « multicast » et du « point à point ». / The OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) system uses multiple sub-carriers for data transmission. Compared to the single-carrier scheme, the OFDM technique allows optimal settings for high data rate transmission over a frequency selective channel (from the Shannon’s capacity point of view). We can, by this way, ensure reliable communication and efficient energy use. When we use OFDM, the sub-carriers use different channels with different attenuations as well. The equal power allocation on each sub-carrier does not ensure an optimal capacity in a peer to peer link. Dynamic power allocation (i.e., assign different amount of power to subcarriers according to the channel) gives better results, assuming that the channel state information is available at the transmitter. Nevertheless, the transmitter does not know the channels to all users when broadcast transmission are used, and the best strategy is to transmit with the same power on all subcarriers. This thesis aims to explore the intermediate situations, and propose appropriate power allocation tools. This intermediate situation is called "multicast": the transmitter, which knows the channel parameters, sends signals to a finite number of users, and it can adapt the transmission using this knowledge. It is an intermediate position between the "peer to peer" and the "broadcast. The goal of this work is to evaluate the gain brought by the knowledge of the channel state information in multicast situation beside the broadcast situation. Obviously, when the number of receivers is very large, the gain will not be appreciable because the signal found on its path a very large number of channels, and a uniform power allocation is near optimal. When the number of users is very low, we will be close to the peer to peer transmission and gains should be more appreciable. We propose some tools to quantify these improvements in the case where the systems have one antenna at the transmitter and the receiver, this case named SISO (Single Input Single Output). We also propose those tools on systems with multiple antennas, called MIMO (Multiple Input Multiple Output). The steps required to do this work are: 1) Assuming that the channel state information of the users are known at the base station, we implement tools, using information theory, to perform power allocation and evaluate the capacities of the systems under study. 2) For multi-user SISO-OFDM scheme, we propose a power allocation algorithm on each subcarrier on multicast situation. 3) For multi-user MIMO-OFDM, we propose an algorithm that exploits the characteristics of the "zero forcing" precoding. The objective is to share the available power among all subcarriers and all antennas. 4) Finally, in a last step we focus on an efficient design of the broadcast situation. We use tools from stochastic geometry to determine which area can be covered, with the aim that a percentage of users can receive a predetermined amount of information. This determines the coverage area without implementing long period simulations. The combination of these tools allows an effective choice between the situations that fall under the "broadcast", "multicast" and "peer to peer" transmissions.

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Multi-parti de conférence multimédia est le type le plus compliqué de la communication mais aussi le service principalement utilisé sur Internet. Il est aussi la killer application sur les réseaux 4G. Dans cette recherche, nous nous concentrons sur trois parties principales du service de téléconférence: L'architecture de distribution de médias, le codage vidéo, ainsi que l'intégration du service dans les infrastructures sans fil 4G. Nous proposons un algorithme d'application nouvelle couche de multidiffusion utilisant une architecture de services distribués. L'algorithme proposé estime que les limites de la perception humaine, tout en participant à une conférence vidéo afin de minimiser le trafic qui n'est pas nécessaire pour la session de communication. Riche des modèles théoriques de la perception basée proposé architecture distribuée, l'architecture traditionnelle centralisée et basée sur la perception architecture centralisée ont été construits en utilisant la théorie d'attente afin de refléter le trafic généré, transmises et traitées à l'pairs distribués, les dirigeants et le serveur centralisé. La performance des architectures a été pris en compte dans les différents aspects de la durée totale d'attente, le retard de point à point et le taux de service requis pour le débit total. Ces résultats aident le lecteur à avoir une vue globale des performances de la proposition dans une comparaison équitable avec les méthodes conventionnelles. Pour construire l'arbre de distribution des médias pour l'architecture distribuée, une fonction de coût nouvelle application-aware multi-variable est proposée. Il tient compte des besoins variables des applications et des mises à jour dynamiquement les ressources disponibles nécessaires pour parvenir à un nœud particulier sur l'arbre de distribution de l'ALM. Codage vidéo scalable est utilisé comme le principal multi-couche codec à la conférence. Afin d'évaluer la performance de la fonction de coût multi-variable nouvellement proposées dans une application dynamique et avancé environnement réseau sans fil, codage vidéo scalable (SVC) des transmissions sur un réseau overlay ALM construite sur un réseau sous-4G/WiMAX réelles ont été utilisées. Nous avons développé EvalSVC et l'utiliser comme plate-forme principale pour évaluer la fonction de coût proposé. Comme un problème commun, l'architecture distribuée nécessite que les pairs contribuent une partie de leur bande passante et capacité de calcul afin de maintenir la superposition mutuelle inter-connexion. Cette exigence se développe en un grave problème pour les utilisateurs mobiles et l'infrastructure sans fil, comme la ressource radio de ce réseau est extrêmement coûteux, et est l'une des raisons pour lesquelles l'architecture distribuée n'a pas été largement appliquée dans la prochaine génération (4G) des réseaux. C'est aussi la raison principale pour laquelle les services multimédias tels que vidéo-conférence doivent s'appuyer sur une architecture centralisée coûteuse construite sur un des contrôleurs des médias coûteux fonction des ressources (CRFM), via l'IMS (IP Multimedia Subsystem). Ce travail de recherche propose une nouvelle architecture distribuée utilisant la capacité de renseignement et extra, actuellement disponibles sur le LTE et stations de base WiMAX de réduire le besoin des débits que chacun a à fournir par les pairs afin de maintenir le réseau overlay. Cette réduction permet d'économiser des ressources précieuses et de radio permet une architecture distribuée pour fournir des services de visioconférence sur les réseaux 4G, avec tous les avantages d'une architecture distribuée, comme la flexibilité, l'évolutivité, les petits retards et à moindre coût. De plus, cela peut être mis en œuvre avec une modification minimale de la plate-forme standardisée IMS et les infrastructures 4G, économisant ainsi les opérateurs et les fournisseurs de services d'investissements excessifs. [...] / Multimedia services are the killer applications on next generation convergent networks. Video contents are the most resource consuming part of a multimedia flux. Video transmission, video multicast and video conferencing services are the most popular types of video communication with increasing difficulty levels. Four main parts of the distributed cross-layer scalable multimedia services over next generation convergent networks are considered in this research work, both from the architecture and performance point of views. Firstly, we evaluate the performance of scalable multimedia transmissions over an overlay network. For that, we evaluate the performance of scalable video end-to-end transmissions over EvalSVC. It is capable of evaluating the end-to-end transmission of SVC bit-streams. The output results are both objective and subjective metrics of the video transmission. Through the interfaces with real networks and an overlay simulation platform, the transmission performance of different types of SVC scalability and AVC bit-streams on a bottle-neck and an overlay network will be evaluated. This evaluation is new because it is conducted on the end-to-end transmission of SVC contents and not on the coding performance. Next, we will study the multicast mechanism for multimedia content over an overlay network in the following part of this PhD thesis. Secondly, we tackle the problems of the distributed cross-layer scalable multimedia multicast over the next generation convergent networks. For that, we propose a new application-network cross layer multi-variable cost function for application layer multicast of multimedia delivery over convergent networks. It optimizes the variable requirements and available resources from both the application and the network layers. It can dynamically update the available resources required for reaching a particular node on the ALM's media distribution tree. Mathematical derivation and theoretical analysis have been provided for the newly proposed cost function so that it can be applied in more general cases of different contexts. An evaluation platform of an overlay network built over a convergent underlay network comprised of a simulated Internet topology and a real 4G mobile WiMAX IEEE802.16e wireless network is constructed. If multicast is the one-to-many mechanism to distribute the multimedia content, a deeper study on the many-to-many mechanism will be done in the next part of the thesis through a new architecture for video conferencing services. Thirdly, we study the distributed cross-layer scalable video conferencing services over the overlay network. For that, an enriched human perception-based distributed architecture for scalable video conferencing services is proposed with theoretical models and performance analysis. Rich theoretical models of the three different architectures: the proposed perception-based distributed architecture, the conventional centralized architecture and perception-based centralized architecture have been constructed by using queuing theory to reflect the traffic generated, transmitted and processed at the perception-based distributed leaders, the perception-based centralized top leader, and the centralized server. The performance of these three different architectures has been considered in 4 different aspects. While the distributed architecture is better than the centralized architecture for a scalable multimedia conferencing service, it brings many problems to users who are using a wireless network to participate into the conferencing service. A special solution should be found out for mobile users in the next part of the thesis. Lastly, the distributed cross-layer scalable video conferencing services over the next generation convergent network is enabled. For that, an IMS-based distributed multimedia conferencing services for Next Generation Convergent Networks is proposed. [...]