Au cours de cette dernière dizaine d’années, l’intérêt pour la diffusion en temps réel de séquences vidéo sur réseaux sans fil ad-hoc a grandi sans cesse, en raison de l'attrayante propriété d’être capable de déployer un système de communication visuelle à tout moment et en tout lieu, sans la nécessité d'une infrastructure préexistante. Une large gamme d'applications des opérations militaires et de sauvetage, jusqu'aux applications commerciales, éducatives, récréatives, a été envisagée, ce qui a crée un grand intérêt pour toutes les technologies concernées. L'objectif de cette thèse est de fournir un service efficace et robuste de diffusion vidéo en temps réel sur réseaux mobiles ad-hoc, avec un aperçu des solutions disponibles à ce moment, et de proposer de nouvelles solutions qui permettraient de surmonter les limites de celles actuelles. Nos contributions touchent à plusieurs aspects du paradigme mobile vidéo streaming : une nouvelle technique de codage vidéo par descriptions multiples, qui fournit une qualité vidéo acceptable, même en présence d'un taux élevé de pertes ; un protocole cross-layer pour la création et le maintien d'un réseau de overlay, qui, avec un échange de messages limité, géré de façon repartie un ensemble d'arbres de multicast, un pour chaque description du flux ; un cadre original de fonctions distribuées pour l'optimisation congestion-distorsion, qui, grâce à une représentation compacte des informations de topologie, permet aux nœuds d'apprendre la structure du overlay et d'optimiser leur comportement en conséquence ; et enfin, une intégration avec le paradigme émergent du codage réseau. / During the last decade, real-time video streaming over ad-hoc networks has gathered an increasing interest, because of the attractive property of being able to deploy a visual communication system anytime and anywhere, without the need for a pre-existing infrastructure. A wide range of target applications, from military and rescue operations, to business, educational, and recreational scenarios, has been envisaged, which has created great expectations with respect to the involved technologies. The goal of this thesis is to provide an efficient and robust real-time video streaming system over mobile ad-hoc networks, proposing cross-layer solutions that overcome the limitations of both the application and network solutions available at this time. Our contributions cover several aspects of the mobile video streaming paradigm: a new multiple description video coding technique, which provides an acceptable video quality even in presence of high loss rates; a novel cross-layer design for an overlay creation and maintenance protocol, which, with a low overhead, distributedly manages a set of multicast trees, one for each description of the stream; an original distributed congestion-distortion optimisation framework, which, through a compact representation of the topology information, enables the nodes to learn the structure of the overlay and optimise their behaviour accordingly; and, finally, an integration with the emerging network coding paradigm.

Cette thèse est une contribution au traitement du problème de conception et de pilotage d'une chaîne logistique dans un réseau d'entreprises. Elle examine plus spécifiquement le cas d'un réseau coopératif où tous les partenaires jouissent des mêmes privilèges (il n'y a pas de partenaire leader). Compte tenu des différents problèmes inhérents à ce type d'organisations, une démarche d'aide à la décision basée sur les concepts d'optimisation multicritère a été proposée. Cette démarche consiste à répartir les activités entre membres du réseau en deux étapes. Elle permet de satisfaire simultanément les objectifs de performance à court terme et d'évolution de compétences à long terme au sein du réseau. Par ailleurs, elle intègre l'aspect stochastique qui peut affecter la performance globale de ce type d'organisations et ce à travers un modèle basé sur les concepts de fiabilité. La thèse a débouché sur des contributions pour la conception et la gestion d'un réseau coopératif. Ces contributions favorisent une meilleure compétitivité aussi bien du réseau que des partenaires qui le constituent.

Au cours de cette dernière dizaine d'années, l'intérêt pour la diffusion en temps réel de séquences vidéo sur réseaux sans fil ad-hoc a grandi sans cesse, en raison de l'attrayante propriété d'être capable de déployer un système de communication visuelle à tout moment et en tout lieu, sans la nécessité d'une infrastructure préexistante. Une large gamme d'applications des opérations militaires et de sauvetage, jusqu'aux applications commerciales, éducatives, récréatives, a été envisagée, ce qui a crée un grand intérêt pour toutes les technologies concernées. L'objectif de cette thèse est de fournir un service efficace et robuste de diffusion vidéo en temps réel sur réseaux mobiles ad-hoc, avec un aperçu des solutions disponibles à ce moment, et de proposer de nouvelles solutions qui permettraient de surmonter les limites de celles actuelles. Nos contributions touchent à plusieurs aspects du paradigme mobile vidéo streaming : une nouvelle technique de codage vidéo par descriptions multiples, qui fournit une qualité vidéo acceptable, même en présence d'un taux élevé de pertes ; un protocole cross-layer pour la création et le maintien d'un réseau de overlay, qui, avec un échange de messages limité, géré de façon repartie un ensemble d'arbres de multicast, un pour chaque description du flux ; un cadre original de fonctions distribuées pour l'optimisation congestion-distorsion, qui, grâce à une représentation compacte des informations de topologie, permet aux nœuds d'apprendre la structure du overlay et d'optimiser leur comportement en conséquence ; et enfin, une intégration avec le paradigme émergent du codage réseau.

Dans les systèmes de communications sans fil, la transmission de grandes quantités d'information et à faible coût énergétique sont les deux principales questions qui n'ont jamais cessé d'attirer l'attention de la communauté scientifique au cours de la dernière décennie. Récemment, il a été démontré que la communication coopérative est une technique intéressante notamment parce qu'elle permet d'exploiter la diversité spatiale dans le canal sans fil. Cette technique assure une communication robuste et fiable, une meilleure qualité de service (QoS) et rend le concept de coopération prometteur pour les futurs générations de systèmes cellulaires. Typiquement, les QoS sont le taux d'erreurs paquet, le débit et le délai. Ces métriques sont impactées par le délai, induit par les mécanismes de retransmission Hybrid-Automatic Repeat-Request (HARQ) inhérents à la réception d'un paquet erroné et qui a un retard sur la QoS demandée. En revanche, les mécanismes HARQ créent une diversité temporelle. Par conséquent, l'adoption conjointe de la communication coopérative et des protocoles HARQ pourrait s'avérer avantageux pour la conception de schémas cross-layer. Nous proposons tout d'abord une stratégie de maximisation de débit total dans un réseau cellulaire hétérogène. Nous introduisons un algorithme qui alloue la puissance optimale à la station de base (BS) et aux relais, qui à chaque utilisateur attribue de manière optimale les sous-porteuses et les relais. Nous calculons le débit maximal atteignable ainsi que le taux d'utilisateurs sans ressources dans le réseau lorsque le nombre d'utilisateurs actifs varie. Nous comparons les performances de notre algorithme à ceux de la littérature existante, et montrons qu'un gain significatif est atteint sur la capacité globale. Dans un second temps, nous analysons théoriquement le taux d'erreurs paquet, le délai ainsi que l'efficacité de débit des réseaux HARQ coopératifs, dans le canal à évanouissements par blocs. Dans le cas des canaux à évanouissement lents, le délai moyen du mécanisme HARQ n'est pas pertinent à cause de la non-ergodicité du processus. Ainsi, nous nous intéressons plutôt à la probabilité de coupure de délai en présence d'évanouissements lents. La probabilité de coupure de délai est de première importance pour les applications sensibles au délai. Nous proposons une forme analytique de la probabilité de coupure permettant de se passer de longues simulations. Dans la suite de notre travail, nous analysons théoriquement l'efficacité énergétique (bits/joule) dans les réseaux HARQ coopératifs. Nous résolvons ensuite un problème de minimisation de l'énergie dans les réseaux coopératifs en liaison descendante. Dans ce problème, chaque utilisateur possède une contrainte de délai moyen à satisfaire de telle sorte que la contrainte sur la puissance totale du système soit respectée. L'algorithme de minimisation permet d'attribuer à chaque utilisateur la station-relai optimale et sa puissance ainsi que la puissance optimale de la BS afin de satisfaire les contraintes de délai. Les simulations montrent qu'en termes de consommation d'énergie, les techniques assistées par relais prédominent nettement les transmissions directes, dans tout système limité en délai. En conclusion, les travaux proposés dans cette thèse peuvent promettre d'établir des règles fiables pour l'ingénierie et la conception des futures générations de systèmes cellulaires énergétiquement efficaces. / In wireless systems, transmitting large amounts of information with low energetic cost are two main issues that have never stopped drawing the attention of the scientific community during the past decade. Later, it has been shown that cooperative communication is an appealing technique that exploits spatial diversity in wireless channel. Therefore, this technique certainly promises a robust and reliable communications, higher quality-of-service (QoS) and makes the cooperation concept attractive for future cellular systems. Typically, the QoS requirements are the packet error rate, throughput and delay. These metrics are affected by the delay, where each erroneous packet is retransmitted several times according to Hybrid-Automatic Repeat-Request (HARQ) mechanism inducing a delay on the demanded QoS but a temporal diversity is created. Therefore, adopting jointly cooperative communications and HARQ mechanisms could be beneficial for designing cross-layer schemes. First, a new rate maximization strategy, under heterogeneous data rate constraints among users is proposed. We propose an algorithm that allocates the optimal power at the base station (BS) and relays, assigns subcarriers and selects relays. The achievable data rate is investigated as well as the average starvation rate in the network when the load, i.e. the number of active users in the network, is increasing. It showed a significant gain in terms of global capacity compared to literature. Second, in block fading channel, theoretical analyses of the packet error rate, delay and throughput efficiency in relayassisted HARQ networks are provided. In slow fading channels, the average delay of HARQ mechanisms w.r.t. the fading states is not relevant due to the non-ergodic process of the fading channel. The delay outage is hence invoked to deal with the slow fading channel and is defined as the probability that the average delay w.r.t. AWGN channel exceeds a predefined threshold. This criterion has never been studied in literature, although being of importance for delay sensitive applications in slow fading channels. Then, an analytical form of the delay outage probability is proposed which might be useful to avoid lengthy simulations. These analyses consider a finite packet length and a given modulation and coding scheme (MCS) which leads to study the performance of practical systems. Third, a theoretical analysis of the energy efficiency (bits/joule) in relay-assisted HARQ networks is provided. Based on this analysis, an energy minimization problem in multiuser relayassisted downlink cellular networks is investigated. Each user has an average delay constraint to be satisfied such that a total power constraint in the system is respected. The BS is assumed to have only knowledge about the average channel statistics but no instantaneous channel state information (CSI). Finally, an algorithm that jointly allocates the optimal power at BS, the relay stations and selects the optimal relay in order to satisfy the delay constrains of users is proposed. The simulations show the improvement in terms of energy consumption of relay-assisted techniques compared to nonaided transmission in delay-constrained systems. Hence, the work proposed in this thesis can give useful insights for engineering rules in the design of the next generation energyefficient cellular systems.

Dans cette thèse, les réseaux coopératifs sont étudiés sous cette hypothèse que la source est incertain par rapport le canal en opération. Dans le premier chapitre, des stratégies coopératives sont développées pour les canaux à relais simultanés (SRC) lesquelles se composent d'un ensemble de deux canaux à relais parmi lesquels le canal en opération est choisi. Cela est équivalent au canal de diffusion à relais (BRC). Les bornes sur la région de capacité de BRC général sont dérivées. Les résultats de capacité sont obtenus pour les cas particuliers du canal à relais simultané semi-dégradé et dégradé Gaussien. Dans le deuxième chapitre, le canal à relais composite est considéré où le canal est tiré aléatoirement d'un ensemble de la distribution conditionnelle. Le débit est fixé en dépit du canal actuel et la probabilité d'erreur (EP) asymptotique est caractérisée. Une nouvelle stratégie de codage sélectif (SCS) est introduit permettant aux relais de choisir -selon leur mesurage du canal - la meilleur schéma de codage entre Décoder-et-Transmettre (DF) et Comprimer-et-Transmettre (CF). Les théorèmes de codage de réseau bruit généralisées sont démontrés pour le cas de réseau unicast général où les relais utilisent soit DF soit CF. Dans le troisième chapitre, le spectre asymptotique de EP est introduit en tant que nouvelle mesure de performance pour réseaux composites. Il est démontré que chaque code avec le débit hors de la borne cut-set, abouti à EP égal à un et le spectre asymptotique de EP coïncide avec la probabilité d'outage pour les réseaux satisfaisant la converse forte.

Dans cette thèse, les réseaux coopératifs sont étudiés sous cette hypothèse que la source est incertain par rapport le canal en opération. Dans le premier chapitre, des stratégies coopératives sont développées pour les canaux à relais simultanés (SRC) lesquelles se composent d'un ensemble de deux canaux à relais parmi lesquels le canal en opération est choisi. Cela est équivalent au canal de diffusion à relais (BRC). Les bornes sur la région de capacité de BRC général sont dérivées. Les résultats de capacité sont obtenus pour les cas particuliers du canal à relais simultané semi-dégradé et dégradé Gaussien. Dans le deuxième chapitre, le canal à relais composite est considéré où le canal est tiré aléatoirement d'un ensemble de la distribution conditionnelle. Le débit est fixé en dépit du canal actuel et la probabilité d'erreur (EP) asymptotique est caractérisée. Une nouvelle stratégie de codage sélectif (SCS) est introduit permettant aux relais de choisir -selon leur mesurage du canal – la meilleur schéma de codage entre Décoder-et-Transmettre (DF) et Comprimer-et-Transmettre (CF). Les théorèmes de codage de réseau bruit généralisées sont démontrés pour le cas de réseau unicast général où les relais utilisent soit DF soit CF. Dans le troisième chapitre, le spectre asymptotique de EP est introduit en tant que nouvelle mesure de performance pour réseaux composites. Il est démontré que chaque code avec le débit hors de la borne cut-set, abouti à EP égal à un et le spectre asymptotique de EP coïncide avec la probabilité d'outage pour les réseaux satisfaisant la converse forte. / In this thesis, cooperative networks are studied under the assumption that the source is uncertain about the channel in operation. In the first chapter, cooperative strategies are developed for simultaneous relay channels (SRC) which consist of a set of two single relay channels out of which the channel in operation is chosen. This is equivalent to the broadcast relay channel (BRC). Bounds on the capacity region of the general BRC with two helper relays are derived. Capacity results are obtained for specific cases of semi-degraded and degraded Gaussian simultaneous relay channels. In the second chapter, the composite relay channel is considered where the channel is randomly drawn from a set of conditional distributions according to a given distribution. The transmission rate is fixed regardless of the current channel and the asymptotic error probability (EP) is characterized. A novel selective coding strategy (SCS) is introduced which enables relays to select –based on their channel measurement– the best coding scheme between Compress-and-Forward (CF) and Decode-and-Forward (DF). Generalized Noisy Network Coding theorems are shown for the case of unicast general networks where the relays use either DF or CF scheme. In the third chapter, the asymptotic behavior of EP is studied for composite multiterminal networks. The asymptotic spectrum of EP is introduced as a novel performance measure for composite networks. It is shown that every code with rate outside cut-set bound, yields EP equal to one and for the networks satisfying strong converse condition, the asymptotic spectrum of EP coincides with the outage probability.

Nombre d'applications récentes trouvent leur fondement dans une capacité présumée des systèmes de communication à délivrer des informations précises de localisation. Dans ce contexte, les propriétés intrinsèques de la technologie radio impulsionnelle Ultra-Large Bande (ULB) peuvent être mises à profit : résolution des trajets multiples, précision temporelle autorisant la mesure de temps de vol et la synchronisation fine des terminaux, etc. Les solutions ULB laissent par ailleurs présager l'émergence de réseaux d'un nouveau genre, tels que les réseaux ad hoc, mobiles, distribués et dépourvus d'infrastructure. Dans le cadre de l'élaboration du standard WPAN bas-débit IEEE 802.15.4a (jusqu'à 1Mbps), la possibilité de localiser des dispositifs ULB bas-coût et à faible consommation constitue un apport déterminant au regard des solutions existantes (e.g. Zigbee...). Les travaux présentés se proposent d'appréhender dans sa globalité la problématique de localisation ULB au sein des réseaux sans-fil. Quelques idées-forces sont alors mises en lumière, telles que la nécessité d'injecter une forme de connaissance a priori propre à la couche physique ULB dans le problème de localisation, la mise à profit de la diversité multi-trajets autorisée par la résolution ULB, ou bien encore l'exploitation des formes nouvelles adoptées par les réseaux (tant du point de vue du protocole que de la topologie). Dans un premier temps, nous caractérisons et modélisons les erreurs susceptibles d'affecter des métriques de base (temps ou différences de temps d'arrivée), qu'elles soient « indépendantes » de la couche physique (dérives d'horloge, modes d'échange, etc.) ou directement imputables au canal de propagation ULB (e.g. non-visibilité). Nous évaluons ensuite les performances de détection d'architectures de récepteurs ULB (e.g. échantillonnage direct sur 1 bit) pour des environnements indoor réalistes. Nous préconisons également différentes stratégies de positionnement (maximisation distribuée de la log-vraisemblance des distances mesurées, reconnaissance d'empreintes ULB, traitement déterministe des biais dans le cas de trajets réfractés, etc.) et de poursuite (techniques Bayésiennes avancées de filtrage), adaptées aux situations de non-visibilité. Enfin, quelques résultats d'expérimentations conduites dans la bande basse ([0.5:1]GHz) nous permettent d'illustrer certains des points abordés.

Le premier chapitre de ce manuscrit correspond au CV long de l'auteur (établi en mai 2010). Le second chapitre décrit ses contributions scientifiques pour les réseaux sans fils équipés de terminaux multi-dimensionnels. Le troisième chapitre est dédié aux contributions de l'auteur aux réseaux sans fils équipés de terminaux-relais. Le quatrième chapitre correspond lui aux réseaux sans fils équipés de terminaux autonomes décisionnellement (réseaux sans fils distribués). Le manuscrit est conclu par les perspectives de l'auteur.