Dans cette thèse, nous enrichissons et appliquons la théorie des processus de Poisson spatiaux pour résoudre certains problèmes issus de la conception et du déploiement des réseaux cellulaire. Cette thèse comporte deux parties principales. La première partie est consacrée à la résolution de quelques problèmes de dimensionnement et de couverture des réseaux cellulaires. Nous calculons la probabilité de surcharge de systèmes OFDMA grâce aux inégalités de concentration et aux développements d'Edgeworth, pour lesquels nous prouvons des bornes d'erreur explicites, et nous l'appliquons à résoudre un problème de dimensionnement. Nous calculons également la probabilité d'outage et le taux de handover pour un utilisateur typique. La seconde partie est consacrée à l'étude de différents modèles pour la consommation d'énergie dans les réseaux cellulaires. Dans le premier modèle, l'emplacement initial des utilisateurs forme un processus de Poisson ponctuel et à chaque utilisateur est associé un processus d'activité de type ON-OFF. Dans le second modèle, l'arrivée des utilisateurs constitue un processus de Poisson en espace et en temps, une dynamique connue sous le nom de dynamique de Glauber. Nous étudions également l'impact de la mobilité des utilisateurs en supposant que les utilisateurs se déplacent de manière aléatoire pendant leur séjour. Nous nous intéressons dans toutes ces situations, à la distribution de l'énergie consommée par une station de base. Cette énergie est divisée en deux parties: la partie additive et la partie diffusive. Nous obtenons des expressions analytiques pour les moments de la partie additive ainsi que la moyenne et la variance de l'énergie totale consommée. Nous trouvons une borne d'erreur pour l'approximation gaussienne de la partie additive. Nous prouvons que la mobilité des utilisateurs a un impact positif sur la consommation d'énergie. Il n'augmente ni ne réduit l'énergie consommée en moyenne, mais réduit sa variance à $0$ en régime de mobilité élevé. Nous caractérisons aussi le taux de convergence en fonction de la vitesse des utilisateurs. / Nowadays, cellular technology is almost everywhere. It has had an explosive success over the last two decades and the volume of traffic will still increase in the near future. For this reason, it is also regarded as one cause of worldwide energy consumption, with high impact on carbon dioxide emission. On the other hand, new mathematical tools have enabled theconception of new models for cellular networks: one of these tools is stochastic geometry, or more particularly spatial Poisson point process. In the last decade, researchers have successfully used stochastic geometry to quantify outage probability, throughput or coverage of cellular networks by treating deployment of mobile stations or (and) base stations as Poisson point processes on a plane. These results also take into account to impact of mobility on the performance of such networks. In this thesis, we apply the theory of Poisson point process to solve some problems of cellular networks, in particular we analyze the energy consumption of cellular networks. This thesis has two main parts. The first part deals with some dimensioning and coverage problems in cellular network. We uses stochastic analysis to provide bounds for theoverload probability of OFDMA systems thanks to concentration inequalities and we apply it to solve a dimensioning problem. We also compute the outage probability and handover probability of a typical user. The second part is dedicated to introduce different models for energy consumption of cellular networks. In the first model, the initial location of users form a \PPP\ and each user is associated with an ON-OFF process of activity. In the second model, arrival of users forms a time-space \PPP. We also study the impact of mobility of users by assuming that users randomly move during its sojourn. We focus on the distribution of consumed energy by a base station. This consumed energy is divided into the additive part and the broadcast part. We obtain analytical expressions for the moments of the additive part as well as the mean and variance of the consumed energy. We are able to find an error bound for Gaussian approximation of the additive part. We prove that the mobility of users has a positive impact on the energy consumption. It does not increase or decrease the consumed energy in average but reduces its variance to zero in high mobility regime. We also characterize the convergent rate in function of user's speed.

L'objectif de cette thèse est l'étude de l'efficacité énergétique des communications D2D dans les réseaux hétérogènes. Nous proposons dans un premier temps d'analyser la consommation énergétique d'un réseau de trois appareils, puis introduisons une nouvelle topologie prenant en compte l'entropie de données, afin d'augmenter l'efficacité énergétique globale. Par la suite, nous étudions la consommation énergétique et l'influence des interférences sur une cellule dans le cas pratique d'une catastrophe naturelle. Nous introduisons alors un nouveau protocole d'allocation de ressources basé sur le clustering en Fuzzy C-Means. Nous utilisons ensuite des outils et métriques issus de la géométrie stochastique afin d'analyser et de comparer l'efficacité énergétique et spectrale au sein de plusieurs types de réseaux munis de communications D2D. Dans un deuxième temps, nous introduisons les notions d'antennes directionnelles avec des ondes millimétriques. Pour ce faire, nous évaluons l'influence du canal millimétrique et introduisons les concepts de blocage, et de modèles sectorisés d'antennes, à des fins mathématiques. L'utilisation d'ondes millimétriques, et plus particulièrement d'antennes directionnelles ULA, s'avère être un choix totalement opportun dans l'objectif premier de cette thèse qui est d'augmenter à la fois l'efficacité spectrale (donc le débit) et l'efficacité énergétique au sein d'un réseau hétérogène comprenant des communications D2D. / The objective of this thesis is the study of the energy efficiency of D2D communications in heterogeneous networks. We first propose to analyze the energy consumption of a three device, then introduce a new topology taking into account the data entropy, in order to increase the overall energy efficiency. Subsequently, we study the energy consumption and the influence of interference in a cell for the use case of a natural disaster. We then introduce a new resource allocation protocol based on Fuzzy C-Means clustering. We then use tools and metrics from stochastic geometry to analyze and compare energy and spectral efficiency among multiple types of networks comprising D2D communications. The first study is done on a network in which the cellular and WiFi resources are shared. In a second step, we introduce the notions of directional antennas with millimeter waves. To do this, we evaluate the influence of the mmWave channel and introduce the concepts of blocking, and sectored models of antennas, for mathematical purposes. The use of millimeter waves, and more particularly ULA directional antennas, proves to be a totally appropriate choice in the primary objective of this thesis, which is to increase both the spectral efficiency (therefore the bit rate) and the energy efficiency within a heterogeneous network including D2D communications.

Pour répondre à des besoins toujours croissants en puissance de calcul, on a vu se multiplier depuis quelques années les études concernant les architectures parallèles. Malgré la variété des solutions proposées il existe encore une classe d'applications difficiles a exécuter en parallèle. Nous proposons dans cette thèse une architecture massivement parallèle basée sur un réseau régulier de cellules, qui ont la particularité d'être totalement asynchrones et de pouvoir communiquer entre elles grâce a un mécanisme d'acheminement de messages. Chaque cellule comprend une partie de traitement composée d'un petit microprocesseur 8 bits et sa mémoire (donnée plus programme), et une partie routage permettant d'acheminer les messages. Notre second objectif consistait a imaginer puis développer une methode de programmation adaptée a la fois a notre nouvelle architecture et a la classe d'algorithmes visée. La solution étudiée consiste a placer un graphe data flow obtenu a partir du langage lustre sur notre réseau cellulaire. Un premier prototype de ce compilateur a été réalisé, il a permis d'étudier l'importance de paramètres comme la répartition de la charge de calcul entre les cellules ou l'enchainement de l'exécution de plusieurs nœuds du graphe places sur la même cellule

Depuis quelques années, l'intérêt pour les problèmes de grande complexité tels que le traitement du signal et de l'image, et la limitation de puissance due a la séquentialité des opérations des machines basées sur le modèle de Von Neumann, ont pousse les informaticiens a étudier un nouveau modèle de traitement caractérisé par l'exécution parallèle des opérations. Nous proposons dans cette thèse une architecture massivement parallèle basée sur un réseau régulier de cellules, qui ont la particularité d'être totalement asynchrones et de pouvoir communiquer entre elles grâce a un mécanisme d'acheminement de messages. Chaque cellule comprend une partie de traitement élémentaire réalisant les fonctions nécessitées par l'application et une partie routage permettant d'acheminer les messages. Nous avons valide cette architecture en développant une machine complète dédiée a la reconstruction d'images. Pour cette application particulière, chaque cellule traite une sous-image, et le réseau est utilise pour réaliser des opérations d'épandage et de projection, qui sont essentielles dans les principales méthodes de reconstruction. Les différents paramètres de la cellule sont définis en fonction des contraintes temporelles, de manière a obtenir d'excellentes performances et une bonne activité globale du réseau. L'interface dans un environnement hôte d'une telle machine a été étudiée. Nous avons réalisé un circuit intégré comprenant une cellule, afin de développer une maquette de démonstration

L'étude de dimensionnement d'un réseau cellulaire est une phase de conception qui doit permettre de déterminer les performances d'un système dans une configuration donnée. Elle inclut l'étude de couverture et l'analyse de trafic. De complexes simulations sont possibles pour connaître les paramètres de performances d'un réseau mais seules les études analytiques fournissent des résultats rapides. Par ailleurs, pour faire face à la demande de hauts débits, à la rareté du spectre fréquentiel et à l'impossibilité d'émettre à de plus fortes puissances, de nouvelles techniques de transmissions sont apparues. Nous sommes ainsi passés d'un système classique à une seule antenne à des systèmes à multiple antennes et même à des scénarios de coopération entre stations de base. Dans cette thèse, nous proposons des modèles analytiques pour l'étude des performances, notamment en termes de probabilités de coupure, de ces évolutions des réseaux cellulaires. Dans une première phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à une antenne émettrice et une antenne réceptrice (SISO). Nous proposons deux méthodes d'étude de l'impact conjoint de l'affaiblissement de parcours, de l'effet de masque et des évanouissements rapides. Nous étudions, par la suite, un système à large bande utilisant le retournement temporel comme technique de transmission. Dans une deuxième phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à antennes multiple à l'émission ou à la réception (MISO/MIMO) implémentant les schémas de diversité Alamouti et de combinaison par rapport maximal (MRC). Ensuite, nous considérons un système multicellulaire multi-utilisateurs à précodage de forçage à zéro (ZFBF).

L’étude de dimensionnement d’un réseau cellulaire est une phase de conception qui doit permettre de déterminer les performances d’un système dans une configuration donnée. Elle inclut l’étude de couverture et l’analyse de trafic. De complexes simulations sont possibles pour connaître les paramètres de performances d’un réseau mais seules les études analytiques fournissent des résultats rapides. Par ailleurs, pour faire face à la demande de hauts débits, à la rareté du spectre fréquentiel et à l’impossibilité d’émettre à de plus fortes puissances, de nouvelles techniques de transmissions sont apparues. Nous sommes ainsi passés d’un système classique à une seule antenne à des systèmes à multiple antennes et même à des scénarios de coopération entre stations de base. Dans cette thèse, nous proposons des modèles analytiques pour l’étude des performances, notamment en termes de probabilités de coupure, de ces évolutions des réseaux cellulaires. Dans une première phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à une antenne émettrice et une antenne réceptrice (SISO). Nous proposons deux méthodes d’étude de l’impact conjoint de l’affaiblissement de parcours, de l’effet de masque et des évanouissements rapides. Nous étudions, par la suite, un système à large bande utilisant le retournement temporel comme technique de transmission. Dans une deuxième phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à antennes multiple à l’émission ou à la réception (MISO/MIMO) implémentant les schémas de diversité Alamouti et de combinaison par rapport maximal (MRC). Ensuite, nous considérons un système multicellulaire multi-utilisateurs à précodage de forçage à zéro (ZFBF). / The implementation of cellular systems have aroused issues related to the design of cellular networks termed to as network dimensioning. It includes the coverage estimation and thetraffic analysis. Simple models and methods are required to reduce the time consumption of these two analysis. At the same time, the growing demand for higher data rates constrained by the scarcity of frequency spectrum, and the requirements in terms of power consumption reduction make the telecommunication community think about new transmission techniques moving from the classical single antenna systems to multiple antenna systems and even the newly envisaged cooperative systems. In this thesis, we provide analytical models to assess the performance of these different cellular network evolutions in terms of outage probabilities. In a first study, we consider multicellular single input single output (SISO) systems. First, we propose two accurate methods to study the joint impact of path-loss, shadowing and fast fading. This system has so far been studied either considering the only impact of path-loss and Rayleigh fading, or considering the same channel model as in our case but providing very complex outage probability expressions. Then, we provide an outage probability expression in a wideband communication context implementing the Time Reversal (TR) transmission technique considering the impact of fast fading. In a second study, we focus on multiple antenna systems. We study the performance of a Multiple Input Multiple Output (MIMO) system implementing a transmit and a receivediversity schemes namely the Alamouti code and the Maximum Ratio Combining (MRC).

Il existe une voie nouvelle différente du schéma de calcul, par nature séquentiel de Von Neumann: celle du parallélisme massif. Nous proposons dans cette thèse une architecture régulière hautement parallèle basée sur un réseau de cellules asynchrones communiquant par messages. Chaque cellule exécute une tache simple et intégré un mécanisme de communication lui permettant d'échanger des informations avec n'importe quelle autre cellule du réseau. Cette architecture permet d'exécuter de manière efficace bon nombre d'algorithmes très parallèles. Nous avons étudié un accélérateur de simulation logique basé sur cette architecture cellulaire. Le principe est d'associer a chaque cellule du réseau un élément logique du circuit a simuler. Contrôlée par un système-hôte, la simulation se déroule en deux temps: initialisation des cellules du réseau puis exécution de l'algorithme reparti dans les cellules. Plusieurs algorithmes de simulation ainsi que différents modes de synchronisation sont présentés. La réalisation d'un circuit intégrant un réseau 2 x 2 et ses interfaces de communication est décrite. Enfin, une machine prototype de simulation logique basée sur ce circuit utilisant un ordinateur IBM PC/AT comme système-hôte est présenté

Le développement des techniques d'intégration permet de réaliser des circuits de 10**(5) a 10**(6) transistors et, dans un futur proche, des circuits encore plus complexes. Les problèmes de CAO deviennent donc de plus en plus ardus, comme la simulation logique ou le placement. Cette même évolution nous autorise a réaliser des machines parallèles très puissantes pour résoudre ces problèmes. Nous proposons l'architecture d'un réseau cellulaire asynchrone. Ce réseau, compose de nxn cellules dont chacune est physiquement connectée à ses quatre voisines, dispose d'un mécanisme de communication permettant l'acheminement de messages d'une cellule quelconque a n'importe quelle autre. Un circuit intégré, incluant un réseau de 2 x 2 cellules dédié à la simulation logique, a été réalisé. Utilisant cette architecture cellulaire nous avons développé un placeur, qui a partir d'une configuration initiale, minimise la longueur des connexions par échanges de paires. Nous avons aborde la manière dont le placement pourrait être amélioré par la méthode de recuit simule. Ces deux applications, différentes de l'architecture cellulaire, nous permettent de constater que beaucoup de parties sont communes aux deux circuits. Nous énonçons certaines règles de façon à rendre la conception plus rapide et plus sure

Les équipements mobiles deviennent une partie intégrale de notre vie numérique. Ces équipements interagissent avec l'infrastructure des réseaux cellulaires et leur activité est enregistrée pour des buts de facturation et monitoring sous forme de données de trafic mobile. Les travaux menés dans cette thèse se focalisent sur le potentiel que portent ces données pour l'amélioration des réseaux cellulaires futurs. D'une part, on montre que les données mobiles permettent de construire des profils spatio-temporels typiques de l'utilisation des réseaux cellulaires en environnement urbain. Cette analyse permet aussi la détection des comportements atypiques dans le réseau qui sont liés à des événements spéciaux. D'autre part, on montre que les données mobiles constituent un élément méthodologique important pour l'évaluation des solutions réseaux. Dans ce sens, on propose un mécanisme pour réduire la consommation énergétique des infrastructures cellulaires, en contrôlant la puissance sur le réseau d'accès à différents moments de la journée, tout en assurant la couverture géographique du réseau. On exploite aussi ces données pour évaluer les gains apportés par une nouvelle architecture de réseau d'accès, basée sur la virtualisation d'une partie du réseau et sa centralisation dans un cloud. Nos résultats montrent que cette architecture est bénéfique du point de vue des messages de signalisation, notamment pour les utilisateurs mobiles. / Mobile devices are becoming an integral part of our everyday digitalized life. In 2014, the number of mobile devices, connected to the internet and consuming traffic, has even exceeded the number of human beings on earth. These devices constantly interact with the network infrastructure and their activity is recorded by network operators, for monitoring and billing purposes. The resulting logs, collected as mobile traffic datasets, convey important information concerning spatio-temporal traffic dynamics, relating to large populations with millions of individuals. The thesis sheds light on the potential carried by mobile traffic datasets for future cellular networks. On one hand, we target the analysis of these datasets. We propose a usage patterns characterization framework, capable of defining meaningful categories of mobile traffic profiles and classifying network usages accordingly. On the other hand, we exploit mobile traffic datasets to evaluate two dynamic networking solutions. First, we focus on the reduction of energy consumption over typical Radio Access Networks (RAN). We introduce a power control mechanism that adapts the RAN's power configuration to users demands, while maintaining a geographical coverage. We show that our scheme allows to significantly reduce power consumption over the network infrastructure. Second, we study the problem of topology management of future Cloud-RAN (C-RAN). We propose a mobility-driven dynamic association scheme of the C-RAN components, which takes into account users traffic demand. The introduced strategy is observed to lead to important savings in the network, in terms of handovers.

Cette thèse a pour but d’étudier les activités humaines à travers l’analyse du flux de signalisation du réseau cellulaire de données (GTP). Pour ce faire, nous avons mis en place un ensemble d’outils nous permettant de collecter, stocker et analyser ces données de signalisation. Ceci en se basant sur une architecture indépendante au maximum des constructeurs de matériel. À partir des données extraites par cette plateforme nous avons fait trois contributions.Dans une première contribution, nous présentons l’architecture de la plateforme de capture et d’analyse de la signalisation GTP dans un réseau d’opérateur. Ce travail a pour but de faire l’inventaire des différents éléments déclenchant des mises à jour et aussi d’estimer la précision temporelle et spatiale des données collectées. Ensuite, nous présentons une série de mesures, mettant en avant les caractéristiques principales de la mobilité humaine observées au travers de la signalisation mobile (le temps inter-arrivées des messages de mise à jour, la distance observée des sauts entre cellules lors des déplacements des clients). Finalement, nous présentons l’analyse des compromis qui ont été faits entre la rapidité d’écriture/de lecture et la facilité d’usage du format de fichier utilisé lors de l’échange d’informations entre les sondes de capture et le système stockage. Deuxièmement, nous avons été capables de mettre en place un algorithme de reconstitution de trajets. Cet algorithme permet, à partir de données éparses issues du réseau cellulaire, de forger des trajets sur les voies de transport. Il se base sur les données des trajets sous-échantillonnées et en déduit les positions du client sur les voies de communication. Nous avons mis en place un graphe de transport intermodal. Celui-ci porte sur le métro, le train et le réseau routier. Il connecte les différents points entre eux dans chacune des couches de transport et interconnecte les modes de transport entre eux, aux intersections. Notre algorithme se base sur un modèle de chaîne de Markov cachée pour placer sur le graphe les positions probables des individus entre les différentes observations. L’apport de ce travail est l’utilisation des propriétés topologiques du réseau de transport afin de renseigner les probabilités d’émission et de transition dans un modèle non supervisé. Ces travaux ont donné lieu à une publication et à un brevet. Finalement, notre dernière contribution utilise les données issues de la signalisation à des fins de dimensionnement du réseau mobile d’opérateur. Il s’agit de dimensionner dynamiquement un réseau mobile en utilisant les bandes de fréquences dites vTV-Whitespace. Ces bandes de fréquences sont libérées sous certaines conditions aux USA et soumises à vente aux enchères. Ce que nous proposons est un système basé sur un algorithme de qualité d’expérience (QoE) et sur le coût de la ressource radio afin de choisir où déployer des femtocells supplémentaires et où en supprimer en fonction des variations de population par unité d’espace. En conclusion, cette thèse offre un aperçu du potentiel de l’analyse des metadata de signalisation d’un réseau dans un contexte plus général que la simple supervision d’un réseau d’opérateur / The aim of this thesis is to study human activities through the analysis of the signaling flow in cellular data network (GTP). In order to achieve this goal, we implemented a set of tools allowing us to collect, store and analyze this signaling data. We created an architecture independent at most of hardware manufacturers and network operators. Using data extracted by this platform we made three main contributions. In our first contribution, we present the GTP capture and analysis platform in a mobile operator network. This work intends to list the different elements triggering updates and to estimate the temporal and spatial accuracy of the data collected. Next, we present a set of measures that represent the main characteristics of human mobility observed through the mobile signaling data (the inter-arrival time of update messages, the observed distances of hops from cell to cell made by moving users). Finally, we present the analysis of the compromise that was made between the writing/reading performances and the ease of use of the file format for the data storage. In our second contribution, we propose CT-Mapper, an unsupervised algorithm that enables the mapping of mobile phone traces over a multimodal transport network. One of the main strengths of CT-Mapper is its capability to map noisy sparse cellular multimodal trajectories over a multilayer transportation network where the layers have different physical properties and not only to map trajectories associated with a single layer. Such a network is modeled by a large multilayer graph in which the nodes correspond to metro/train stations or road intersections and edges correspond to connections between them. The mapping problem is modeled by an unsupervised HMM where the observations correspond to sparse user mobile trajectories and the hidden states to the multilayer graph nodes. The HMM is unsupervised as the transition and emission probabilities are inferred using respectively the physical transportation properties and the information on the spatial coverage of antenna base stations. Finally, in our last contribution we propose a method for cellular resource planning taking into account user mobility. Since users move, the bandwidth resource should move accordingly. We design a score based method using TV Whitespace, and user experience, to determine from which cell resource should be removed and to which one it should be added. Combined with traffic history it calculates scores for each cell. Bandwidth is reallocated on a half-day basis. Before that, real traces of cellular networks in urban districts are presented which confirm that static network planning is no longer optimal. A dynamic femtocell architecture is then presented. It is based on mesh interconnected elements and designed to serve the score based bandwidth allocation algorithm. The score method along with the architecture are simulated and results are presented. They confirm the expected improvement in bandwidth and delay per user while maintaining a low operation cost at the operator side. In conclusion, this thesis provides an overview of the potential of analyzing the signaling metadata of a network in a broader context that supervision of an operator network