Dissertations / Theses on the topic '5G Communication'

In recent years, the interest around Intelligent Transportation Systems (ITSs) has rapidly increased, and they are currently being deployed in commercial, industrial and residential domains. The Next-Generation Cooperative ITSs (C-ITSs) are expected to bring the paradigm of Mobility-as-a-Service (MaaS) to a whole new level. A crucial role to this is attributed to Connected and Autonomous Vehicles (CAVs), as the focus is steered from being autonomous systems to becoming cooperative entities. The cooperation between them is mainly enabled by sharing sensor data and manoeuvring intentions in a Vehicle-to-Everything (V2X) fashion. Thus, an efficient, reliable and robust communication plane between CAVs and the infrastructure network, able to accommodate the demanding exchange of sensor data, is of paramount importance. This thesis presents the author's work and contributions in the field of connectivity for CAVs within the scope of an ITS. As connectivity is a broad term, it can be examined from different perspectives. This thesis focuses on the design of a novel heterogeneous C-ITS framework that can handle scalable city-wide ITS application data streams. Later, it identifies the various drawbacks and limitations of the current Radio Access Technologies (RATs), and investigates ways to overcome them and improve the system performance. The contributions of this thesis commence with the introduction of a conceptual design of a city-scale C-ITS implementation. Briefly, this proposed system operates as a heterogeneous network, maps different application data streams on to different V2X layers, and employs different RATs to deliver each stream in a V2X manner. Based on this fundamental concept, various drawbacks are primarily identified on existing simulation models and tools for IEEE 802.11p. Later, the existing limitations are addressed by designing an experimental testbed and conducting a sizeable experimental campaign. This not only helps with the accurate calibration of the existing models, but also provides a deep comprehension of how a real-world large-scale implementation works. In the later parts of this thesis, the focus is directed towards Millimetre Waves (mmWaves), as is a competent technology for accommodating significant amounts of exchanged sensor data. At first,the beamforming problems in mobile environments are identified. They are approached through an intelligent MAC-layer solution for V2X beam steering. Furthermore, the resource allocation problem at the highly dynamic network topology of CAVs is investigated, designing a multi-link association scheme for V2V mmWave communications. Finally, the last research effort of this thesis, is related to the city-scale positioning of the mmWave Road-Side Units (RSUs), where an optimal automated procedure within an urban scenario is proposed. The thesis is concluded with the critical review of the research activities mentioned above as well as some ideas for future research.

The increasing demand for connectivity and broadband wireless access is leading to the fifth generation (5G) of cellular networks. The overall scope of 5G is greater in client width and diversity than in previous generations, requiring substantial changes to network topologies and air interfaces. This divergence from existing network designs is prompting a massive growth in research, with the U.S. government alone investing $400 million in advanced wireless technologies. 5G is projected to enable the connectivity of 20 billion devices by 2020, and dominate such areas as vehicular networking and the Internet of Things. However, many challenges exist to enable large scale deployment and general adoption of the cellular industries. In this dissertation, we propose three new additions to the literature to further the progression 5G development. These additions approach 5G from top down and bottom up perspectives considering interference modeling and physical layer prototyping. Heterogeneous deployments are considered from a purely analytical perspective, modeling co-channel interference between and among both macrocell and femtocell tiers. We further enhance these models with parameterized directional antennas and integrate them into a novel mixed point process study of the network. At the air interface, we examine Software-Defined Radio (SDR) development of physical link level simulations. First, we introduce a new algorithm acceleration framework for MATLAB, enabling real-time and concurrent applications. Extensible beyond SDR alone, this dataflow framework can provide application speedup for stream-based or data dependent processing. Furthermore, using SDRs we develop a localization testbed for dense deployments of 5G smallcells. Providing real-time tracking of targets using foundational direction of arrival estimation techniques, including a new OFDM based correlation implementation.

Avec la croissance rapide de la demande de trafic de données des clients, l'amélioration de la capacité du système et l'augmentation du débit des utilisateurs sont devenues des préoccupations essentielles pour le futur réseau de communication sans fil de cinquième génération. Dans ce contexte, la communication terminal-à-terminal (Device-to-Device D2D) et le Full Duplex (FD) sont proposés comme solutions potentielles pour augmenter l’efficacité spectrale et le débit des utilisateurs dans un réseau cellulaire. Le D2D permet à deux périphériques proches de communiquer sans participation de la station de base ou avec une participation limitée. D'autre part, la communication en FD permet une transmission et une réception simultanées dans la même bande de fréquence. En raison de la propriété de distance courte des liaisons D2D, exploiter la technologie FD dans la communication D2D est un excellent choix pour améliorer encore plus l’efficacité spectrale cellulaire et le débit des utilisateurs. Cependant, les émetteurs-récepteurs FD constituent de nouveau défis pour la communication D2D. Par exemple, en FD les émetteurs-récepteurs ne peuvent pas supprimer d’une manière parfaite l’auto-interférence (SI) générée au niveau des récepteurs lors de la transmission des données (par le propre émetteur du dispositif cellulaire). Ainsi, l’auto-interférence résiduelle qui est étroitement liée à la valeur de la puissance de l’émetteur affecte fortement les performances de la transmission FD. De plus, la technique en FD crée des interférences supplémentaires dans le réseau, ce qui peut dégrader ses performances par rapport à la transmission en semi-duplex (Half-duplex HD). Ainsi, une bonne gestion des ressources radio est nécessaire pour exploiter les avantages de la FD et garantir la qualité de service (QoS) des utilisateurs. Les travaux de cette thèse portent sur l'allocation de puissance et l'attribution de canaux d'un réseau FD-D2D. En particulier, cette thèse aborde d’abord le problème de l’allocation de puissance et propose une méthode d'allocation de puissance (PA) optimale centralisée simple mais efficace, puis développe le schéma optimal conjoint d’AP et d’AC pour un réseau FD-D2D. Un algorithme de complexité réduite CATPA, basé sur une allocation CA suivie d'une allocation PA, est aussi développée et proposé. La thèse présente à la fin une stratégie efficace d'AP décentralisée en utilisant les outils de la théorie des jeux
With the rapidly growing of the customers' data traffic demand, improving the system capacity and increasing the user throughput have become essential concerns for the future 5G wireless communication network. In this context, D2D communication and FD are proposed as potential solutions to increase the spatial spectrum utilization and the user rate in a cellular network. D2D allows two nearby devices to communicate without BS participation or with limited participation. On the other hand, FD communication enables simultaneous transmission and reception in the same frequency band. Due to the short distance property of D2D links, exploiting the FD technology in D2D communication is an excellent choice to further improve the cellular spectrum efficiency and the users’ throughput. However, practical FD transceivers add new challenges for D2D communication. For instance, the existing FD devices cannot perfectly eliminate the SI imposed on the receiver by the node’s own transmitter. Thus, the RSI which is tightly related to the transmitter power value highly affects the performance of FD transmission. Moreover, the FD technique creates additional interference in the network which may degrade its performance when compared with the half-duplex transmission. Thus, proper radio resource management is needed to exploit the benefits of FD and guarantee the QoS of the users. The works in this dissertation focus on the PA and CA of a FD-D2D network. In particular, this thesis first addresses the PA problem and proposes a simple yet efficient centralized optimal PA framework, and next, it derives the optimal joint PA and CA scheme for an FD-D2D network. A simple sub-optimal algorithm for resource allocation named CATPA, based on CA followed by PA, is also derived and proposed. This dissertation also develops, in the end, an efficient decentralized PA using game theory tools that will be an essential part of future works in the context of distributed radio resource management

Researchers all over the world are looking for ways of continuing the evolution of mobile communication technology to its fifth generation (5G). Providing high data rate information transfer to highly mobile users over time varying communication channels remains a shared obstacle. In this thesis, we contribute to these global efforts by providing further fundamental understanding of time varying channels in 5G mobile communication systems and overcome the obstacle. First, we reopen the door of research in the field of time varying communication channels. The door has almost been closed before by a well-accepted conclusion related to the types of channels. It was ‘proven’ that mutual information rate of the uniformly symmetric variable noise finite state Markov channel (USVNFSMC) was maximized by input signals of maximum information entropy. The result means time varying channels and time invariable channels are identical, regarding information rate maximization over input signal probability distribution. We provide evidence that assumptions for the results are not valid for time varying channels and replace them with more practical ones. We confirm, via input signals of non-uniform independent distribution and first order Markov chain, that the mutual information rate of the USVN-FSMC is maximized by input signals with information redundancy. Second, we provide a solution which dramatically reduces the waste of communication resources in estimating channel state information of time varying mobile communication channels. The orthodox method in dealing with time varying channels is that, the channel is “cut” to pieces in time domain to look like a sequence of time invariable channels for the purpose of state estimation. By doing this the capacity loss is staggering for n-times higher carrier frequency channels and n-dimensional multiple input and multiple output channels, eliminating almost entirely the capacity gain of these two most promising capacity-increasing techniques for 5G. We define the simplest finite state Markov model for time varying channels to explain the essential difference between information processing of time varying channels and time invariable channels. We prove that the full information capacity of the model can be achieved by the differential type encoding/decoding scheme without employing any conventional channel state estimator.

Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) wireless communication systems, equipped with tens or even hundreds of antennas, emerge as a promising technology for the Fifth Generation (5G) wireless communication networks. To design and evaluate the performance of massive MIMO wireless communication systems, it is essential to develop accurate, flexible, and efficient channel models which fully reflect the characteristics of massive MIMO channels. In this thesis, four massive MIMO channel models have been proposed. First, a novel non-stationary wideband multi-confocal ellipse Two-Dimensional (2-D) Geometry Based Stochastic Model (GBSM) for massive MIMO channels is proposed. Spherical wavefront is assumed in the proposed channel model, instead of the plane wavefront assumption used in conventional MIMO channel models. In addition, the Birth-Death (BD) process is incorporated into the proposed model to capture the dynamic properties of clusters on both the array and time axes. Second, we propose a novel theoretical non-stationary Three-Dimensional (3-D) wideband twin-cluster channel model for massive MIMO communication systems with carrier frequencies in the order of gigahertz (GHz). As the dimension of antenna arrays cannot be ignored for massive MIMO, nearfield effects instead of farfield effects are considered in the proposed model. These include the spherical wavefront assumption and a BD process to model non-stationary properties of clusters such as cluster appearance and disappearance on both the array and time axes. Third, a novel Kronecker Based Stochastic Model (KBSM) for massive MIMO channels is proposed. The proposed KBSM can not only capture antenna correlations but also the evolution of scatterer sets on the array axis. In addition, upper and lower bounds of KBSM channel capacities in both the high and low Signal-to-Noise Ratio (SNR) regimes are derived when the numbers of transmit and receive antennas are increasing unboundedly with a constant ratio. Finally, a novel unified framework of GBSMs for 5G wireless channels is proposed. The proposed 5G channel model framework aims at capturing key channel characteristics of certain 5G communication scenarios, such as massive MIMO systems, High Speed Train (HST) communications, Machine-to-Machine (M2M) communications, and Milli-meter Wave (mmWave) communications.

From the first generation, 1G, to the fourth generation, 4G, the development and technological advancements in telecommunications network systems have been remarkable. Faster and better connections have opened up for new markets, ideas and possibilities, to that extent that there now is a demand that surpasses the supply. Despite all these advancements made in the mobile communications field most of the concept of how the technology works and its infrastructure has remained the same. This however, is about to change with the introduction of the fifth generation (5G) mobile communication. With the introduction of 5G much of the technology introduced will be different from that of previous generations. This change extends to include the entire infrastructure of the mobile communications system. With these major changes, many of the tools available today for telecommunications network evaluation do not really suffice to include the 5G network standard. For this reason, there is a need to develop a new kind of tool that will be able to include the changes brought by this new network standard. In this thesis a simulation framework adapted for the next generation telecommunication standard 5G is set to be developed. This framework should include many of the characteristics that set 5G aside from previous generations.

Enhancement of QoS in PS network as 5G communication network is non trivial endeavour which faces a host of new challenges beyond 3G and 4G communication networks. The number of nodes, the homogeneity of the access technologies, the conflicting network management objectives, resource usage minimization, and the division between limited physical resources and elastic virtual resources is driving a complete change in the vision and methodologies for efficient management of the available network resources. QoS is the measure of the reliability and performance of the networks' nodes and links, particularly as perceived by the end users of the services and application that are transported via PS network. Furthermore, QoS is a composite metric as it based on a number of multiple factors, which indicate the E2E characteristics and performance of the network condition, applications and services. Hence, reductions or improvements in the QoS level can brought about through a number of combined factors. This thesis tries to introduce a vision of Quality of Service (QoS) enhancement and management based on the 5th generation network requirements and solutions by: Firstly: Proposing a traffic flow management policy, which allocates and organises Machine Type Communication (MTC) traffic flow's network resources sharing within Evolved Packet System (EPS), with an access element as a Wireless Sensor Network (WSN) gateway for providing an overlaying access channel between the Machine Type Devices (MTDs) and EPS. This proposal addresses the effect and interaction in the heterogeneity of applications, services and terminal devices and the related QoS issues among them. The introduced work in this proposal overcomes the problems of network resource starvation by preventing deterioration of network performance. The scheme is validated through simulation, which indicates the proposed traffic flow management policy outperforms the current traffic management policy. Specifically, simulation results show that the proposed model achieves an enhancement in QoS performance for the MTC traffic flows, including a decrease of 99.45% in Packet Loss Rate (PLR), a decrease of 99.89% in packet End to End (E2E) delay, a decrease of 99.21% in Packet Delay Variation (PDV). Furthermore, it retains the perceived Quality of Experience (QoE) of the real time application users within high satisfaction levels, such as the Voice over Long Term Evolution (VoLTE) service possessing a Mean Opinion Score (MOS)of 4.349 and enhancing the QoS of a video conference service within the standardised values of a 3GPP body, with a decrease of 85.28% in PLR, a decrease of 85% in packet E2E delay and a decrease of 88.5% in PDV. Secondly: Proposing an approach for allocating existing 4G installed network radio access nodes to multiple Base Band Unit (BBU) pools, which is proposed to deploy 5G Cloud-Radio Access Network (C-RAN) and improve the offered Network QoS (NQoS). The proposed approach involves performing radio access nodes clustering based on the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, model selection Bayesian Information Criterion (BIC), Measure of spread technique and Voronoi tessellation. The proposed scheme is used to consider a Dynamic C-RAN (DC-RAN) operation, that adaptively adjusts the main Radio Remote Head (RRH) coverage range according to the traffic load requirement as well as considering energy saving. The numerical results of the approach show that the optimized partition of the proposed network model is 41 BBU pools, with an average density of RRHs per pool area, which matches the primary average density of the radio access nodes per network area. Thirdly: Developing mathematical framework that investigates the Power Consumption (PC) profile for the interaction of Internet of Thing (IoT) Application QoS (AQoS) with NQoS in wireless Software Defined Network (SDN) as SDN for WIreless SEnsor network (SDN-WISE). This profile model offers flexibility for managing the structure of the Machine to Machine (M2M) system in IoT. It enables controlling the provided NQoS, precisely the achieved PHY layer transmission link throughput, combined with the AQoS, represented by IoT data stream payload size. The investigation is composed of two essential SDN traffic parts, they are control plane signalling and data plane traffic PCs and their relevance with QoS. The results show that 98% PC in data plane companion with a control plane PC of 2% in overall of the proposed system power, these figures were achieved with control plane signalling Transmission Time Interval (TTI) of 5 sec and a maximum data plane payload size of 92 Bytes as a worst case scenario.

Dans un monde où les flux de données sont toujours plus intenses et omniprésents, les codes correcteurs d’erreurs constituent une composante essentielle aux systèmes de télécommunications, en permettant de compenser l’altération inévitable du message lors de la transmission, grâce à l’ajout de redondance. Dernière famille de codes à avoir été découverte, en 2008, les codes polaires ont rapidement attiré l’attention des chercheurs par leur aptitude à garantir une probabilité d’erreur arbitrairement faible pour tout rendement inférieur ou égal à la capacité du canal de propagation – la limite théorique, définie par Shannon en 1948. Tout récemment, ces codes ont été adoptés pour être utilisés dans la Cinquième génération de standards pour la téléphonie mobile 5G. Cette thèse porte sur l’étude de cette famille de codes face aux contraintes applicatives rencontrées en pratiques, et notamment dans la 5G, à travers les deux axes principaux que sont la construction des codes et leur décodage en longueur finie.Après avoir passé en revue la définition et la caractérisation des codes polaires, ainsi que les aspects relatifs au spectre des distances, cette thèse explore la question de la flexibilité des codes en termes de longueurs, à l’aide des techniques de poinçonnage et de raccourcissement, et développe une méthodes pour optimiser le choix des motifs de sorte à minimiser le taux d’erreur pour le décodeur par annulation successive (SC, pour successive cancellation, en anglais). Dans un deuxième temps, un nouvel algorithme de décodage à inversion est introduit, permettant une amélioration significative des performances par rapport à l’état de l’art pour une complexité moyenne réduite et proche de celle du simple décodeur SC. Finalement, la question de l’utilisation des codes polaires avec les modulations d’ordre supérieur est abordée. Tout d’abord, les deux principales approches de modulations codées utilisant un code binaire, à savoir la modulation à entrelacement de bit et la modulation multi-niveaux, sont considérées, et il est mis en évidence le net avantage de la deuxième citée. Par suite, l’utilisation de codes polaires non-binaires est envisagée et il est montré qu’au prix d’une complexité de décodage supérieure, ceux-ci sont en mesure de surpasser leurs homologues binaires
In a world of intensive and widespread numeric datafow, the use of error correcting codes has become an essential aspect of telecommunication systems, by allowing to compensate the unavoidable alteration of the messages during the transmission, by means of additionnal redundancy to the initial message. Last family of codes to be discovered, in 2008, polar codes have soon experienced a large interest of the community, due to their ability to achieve the Shannon capacity, namely the theoretical limit of the information rate, defned by Shannon in 1948. Very recently, these codes have been adopted in the fifth generation of cellular mobile communications 5G. This thesis concentrates on the analysis of this family of codes regarding constraints of practical systems, including in 5G, through the two major isues of the construction of the code and the decoding in finite length.After reviewing the definition and the caracterisation of polar codes, and addressing the question of the spectrum distance, this thesis considers the issue of the flexibility of the codes as function of the codelength, using either puncturing or shortening techniques, andd escribes a new method to select the pattern so as to minimize the error rate under succssive cancellation decoding (SC). Secondly, a new bit-fipping decoding algorithm is proposed, improving signifcantly the performance compared to state-of-the-art approach,while offering a reduced average complexity, which stays close to the one of the SC decoder. Thirdly, the issue of the use of polar codes with high order modulation is considered. On the one hand, the case of coded modulations, where a high order modulation is combined with binary codes, is considered throughthe bit-interleaved coded modulation and the multilevel coded modulation, and it is shown that the second one is very well suitable for polar codes. On the other hand, the case of non-binary codes, which can be mapped directly to the constellation, are considered and it is revealed they are able to surpass their binary counterpart at the cost of additionnal decoding complexity

The explosive growth of data traffic demands, emanating from smart mobile devices and bandwidth-consuming applications on the cellular network poses the need to drastically modify the cellular network architecture. A challenge faced by the network operators is the inability of the finite spectral resources to support the growing data traffic. The Next Generation Network (NGN) is expected to meet defined requirements such as massively connecting billions of devices with heterogeneous applications and services through enhanced mobile broadband networks, which provides higher data rates with improved network reliability and availability, lower end-to-end latency and increased energy efficiency. Device-to-Device (D2D) communication is one of the several emerging technologies that has been proposed to support NGN in meeting these aforementioned requirements. D2D communication leverages the proximity of users to provide direct communication with or without traversing the base station. Hence, the integration of D2D communication into cellular networks provides potential gains in terms of throughput, energy efficiency, network capacity and spectrum efficiency. D2D communication underlaying a cellular network provides efficient utilisation of the scarce spectral resources, however, there is an introduction of interference emanating from the reuse of cellular channels by D2D pairs. Hence, this dissertation focuses on the technical challenge with regards to interference management in underlay D2D communication. In order to tackle this challenge to be able to exploit the potentials of D2D communication, there is the need to answer some important research questions concerning the problem. Thus, the study aims to find out how cellular channels can be efficiently allocated to D2D pairs for reuse as an underlay to cellular network, and how mode selection and power control approaches influence the degree of interference caused by D2D pairs to cellular users. Also, the research study continues to determine how the quality of D2D communication can be maintained with factors such as bad channel quality or increased distance. In addressing these research questions, resource management techniques of mode selection, power control, relay selection and channel allocation are applied to minimise the interference caused by D2D pairs when reusing cellular channels to guarantee the Quality of Service (QoS) of cellular users, while optimally improving the number of permitted D2D pairs to reuse channels. The concept of Open loop power control scheme is examined in D2D communication underlaying cellular network. The performance of the fractional open loop power control components on SINR is studied. The simulation results portrayed that the conventional open loop power control method provides increased compensation for the path loss with higher D2D transmit power when compared with the fractional open loop power control method. Furthermore, the problem of channel allocation to minimise interference is modelled in two system model scenarios, consisting of cellular users coexisting with D2D pairs with or without relay assistance. The channel allocation problem is solved as an assignment problem by using a proposed heuristic channel allocation, random channel allocation, Kuhn-Munkres (KM) and Gale-Shapley (GS) algorithms. A comparative performance evaluation for the algorithms are carried out in the two system model scenarios, and the results indicated that D2D communication with relay assistance outperformed the conventional D2D communication without relay assistance. This concludes that the introduction of relay-assisted D2D communication can improve the quality of a network while utilising the available spectral resources without additional infrastructure deployment costs. The research work can be extended to apply an effective relay selection approach for a user mobility scenario.

Providing mobile broadband (MBB) coverage to passengers in planes (and other yingobjects) has been one of the very important requirements by airline industry for sometime. With the emergence of high-capacity wireless network concepts, there is a renewedeort in dening systems based on 5G (also dened as NR, new radio) for air-to-ground(A2G) communication. When passenger planes have been taken into consideration, a fewhundreds of passengers may need to be supported, thus requiring a high-capacity backhaullink. When 5G is used for such A2G link, beamforming and other advanced physicallayer techniques can be used between the ground stations and ying objects to obtainhigh-data rate and reliable new radio link. This masters thesis work includes link andsystem level evaluations of such NR systems when beamforming, large bandwidth, higherantenna gains, coordination between ground stations, etc., are deployed. The evaluationswere carried out in Ericsson's internal state-of-the-art simulators. The study providesbaseline for system design principles for future A2G system based on NR. Also a properpropagation model for A2G communication has been identied and beamforming solutionwith other related techniques that could be used in A2G scenario have been investigated.
Att tillhandahålla mobil bredbandstäckning till passagerare i flygplan (samt andraluftburna föremål) har varit ett viktigt krav från flygsindustrin på senare tid. Medframväxten av trådlösa nätverkskoncept med hög kapacitet har en förnyad insats uppståttför att definiera system baserade på 5G (också kallat New Radio (NR)) för Airplane-to-Ground (A2G) kommunikation. För passagerarplan så kan hundratals passagerare behövatäckning, vilket kräver en backhaul-länk med hög kapacitet. När 5G används för en sådanA2G-länk så kan såkallad lobformning och andra avancerade tekniker användas mellanmarkstationerna och flygande objekt för att erhålla hög datahastighet och tillförlitlig radiolänk. I denna uppsats ingår länk- och systemnivåutvärderningar av sådana NR-systemnär lobformning, stor bandbredd, antenn-amplifikation, koordinering mellan markstationeretc utplaceras. Utvärderingarna genomfördes i Ericssons interna simulatorer. Studienger vägledning för principer inom systemdesign för framtida A2G-system baserat på NR.En lämplig utbredningsmodell för radiovågor för A2G-kommunikation har identifieratsoch en metod för lobformning och andra relaterade tekniker som kan användas i A2Gscenariothar också undersökts.

Dans ce travail de thèse, on se proposait d’explorer les synergies inhérentes entre services de radiolocalisation et de communication au sein de systèmes sans fil en bandes millimétriques (mm-Wave). Ces derniers sont actuellement pressentis pour couvrir les besoins de la cinquième génération (5G) de réseaux en termes de débits et de charges utiles. Un objectif général consistait alors à montrer comment ces deux fonctions pouvaient s’avérer mutuellement bénéfiques. Tout d'abord, nous avons étudié comment la formation de faisceau (au sens du pré-codage) pouvait contribuer à améliorer les performances de localisation, pour des systèmes multi-porteuses mono- et multi-utilisateurs. En particulier, en s’appuyant sur les performances théoriques de localisation au sens de la limite inférieure de Cramér-Rao (CRLB), nous avons montré qu'il était possible, au moyen d’une formation de faisceau optimisée, d’améliorer l'estimation de variables radio intermédiaires, telles que le délai, l'angle de départ (AoD) et/ou l'angle d'arrivée (AoA) du signal transmis, et in fine, l’estimation de la position et/ou de l’orientation du mobile. Nous avons ensuite considéré le problème de la coexistence des deux services, en envisageant différentes stratégies de budgétisation et de partage de ressources, en temps et en fréquence. A cette occasion, nous avons illustré la présence de compromis non-triviaux entre les performances de localisation et de communication. Nous avons alors proposé des schémas d’allocation de ressources et d’optimisation des faisceaux (en termes de largeur et/ou d’alignement), permettant d’assurer conjointement le meilleur niveau de performances pour les deux services. Nous avons enfin étudié la possibilité d’exploiter explicitement l’information de localisation ainsi acquise, en particulier pour l'accès initial, l’estimation de canaux multi-trajets, ou encore la localisation et la cartographie simultanées (SLAM). En comparaison d’approches plus conventionnelles, nous avons montré comment les performances de telles applications pouvaient être améliorées en termes de précision, de latence et/ou de complexité calculatoire
In this thesis, we investigate different facets of localization and communication services motivated by the symbiosis between them in the millimeter wave (mm-Wave) context for the fifth generation (5G) of wireless communications. Our aim is twofold: first, show that this duality is mutually beneficial to both services, and second, aim towards a co-existence to capture these benefits in order to bring forth mm-Wave as a strong contender for 5G. First, we look into how beamforming, an integral part of mm-Wave communications, can aid in improving the localization performance. After characterizing the localization performance in terms of Cramer-Rao lower bound (CRLB), we show that with optimized beamforming, the estimation of localization variables (delay, angle of departure (AoD) and angle of arrival (AoA)) improves. Then we consider the problem of co-existence of the two services together in the same system while sharing time and frequency resources. We study the non-trivial trade-off between the performances of the two services during this resource budgeting. Then, relying on this trade-off, we design an optimal resource allocation scheme while also optimizing the beamwidth in order to ascertain high performance in terms of both localization and communication. In the same context, we also look into different applications of this improved location information namely initial access, channel estimation and simultaneous localization and communication (SLAM). We show that the related performances improve in terms of quality, latency and/or complexity in comparison to the conventional methods

Antennas enable wireless communication by transmission and reception of electromagnetic (EM) signals, which carry information is space. Signal reception and hence the quality of service depends significantly on the antenna properties, e.g. radiation pattern, operational frequency, and polarization. Legacy antennas, with their fixed properties, fail to adapt to the changing environment and degrade signal quality. Reconfigurable antennas (Ras) capable of changing their properties dynamically increase the capacity and data rate of wireless systems while offering a compact design. However, these advantages come at the cost of increased complexity compared to legacy antennas. Therefore it is important to design Ras with minimal complexity. To that end, this dissertation focuses on the development of a novel approach, three different Ras operation at three different frequency bands have been designed, fabricated and characterized. First RA works at the 5GHz band (4.9-5.1GHz) and obtains on current beam steering and 3-dB beam width variability. An algorithm to choose the optimum mode of operation has also been developed. The design approach introduced in first RA has been exploited to design the second RA, which achieves beam steering and beam width variability for two polarizations and operates a the 28 GHz band (27.5-28.3 GHz). The third RA operates at the 3GHz band and simultaneously reconfigures impedance and radiation patterns.

In recent years, multiple input multiple output system has raised intensive researchinterests for its huge potentials to achieve higher spectral efficiency anddata rate. However, transmitting multiple data streams through the same timeand frequency resources simultaneously leads to severe interference betweentransmitted signals. In order to solve this problem, lattice reduction is proposedas a suboptimal maximum likelihood algorithm. It aims at finding aset of better basis vectors for the channel matrix and results in satisfactoryperformance improvements compared to conventional linear detectors. But theaverage complexity of lattice reduction algorithm is too high for practical uses.This thesis studies conventional linear detection algorithms and lattice reductionaided detection algorithms for uplink receiver design. Further an iterativelattice reduction algorithm is proposed by exploiting the frequency coherence inan orthogonal frequency division multiplexing system to achieve low complexity.In this thesis, algorithm performances are verified in various scenarios throughsimulations. Results show promising performance improvements for presentedlattice reduction detection algorithms, at the cost of an acceptable complexityincrease.
Under de senaste åren har MIMO system fått ökat intensiva forskningsintressenför sina stora möjligheter att uppnå högre spektral effektivitet och datahastighet.Överföring av era dataströmmar i samma tid och frekvensresurser lederemellertid samtidigt till allvarlig störning mellan sända signaler. För att lösadetta problem föreslås lattice reduction som en suboptimal maximal likelihoodalgorithm. Det syftar till att hitta en uppsättning bättre basviktorer för kanalmatrisenoch resultera i tillfredsställande prestandaförbättringar jämfört medkonventionella linjära detektorer. Men den genomsnittliga komplexiteten hoslattice reduction är för hög för praktiska användningsområden. Denna avhandlingstuderar konventionella linjära detekteringsalgoritmer och lattice reductiondetekteringsalgoritmer för uplink-mottagare. Vidare föreslås en iterativ latticereduction algoritm genom utnyttjande av frekvenssamhäftningen i ett OFDMsystem.I denna avhandling verifieras utförandet av olika algoritmer i olika scenariergenom simulering. Resultat visar lovande prestandaförbättringar för presenteradecc reduction detekteringsalgoritmer, till kostnaden för en acceptabelkomplexitetsökning.

Les stations de base à petite échelle (picocellules et femtocellules) seront un des leviers principaux qui permettront d'atteindre l'objectif 1000X, objectif fixé par les grands acteurs du domaine des télécommunications visant à augmenter la capacité des réseaux mobiles sans fil 5G d'un facteur 1000 par rapport aux réseaux 4G. Dans ce type de réseau, l'amplificateur de puissance (PA) est responsable de la majorité de la consommation de puissance de la station de base. Pour minimiser sa consommation de puissance, le PA est polarisé proche de sont point de compression mais avec l'augmentation des largeurs de bande, ce dernier subit des effets de mémoire accrus qui viennent s'ajouter aux problèmes classiques de non-linéarités. Les systèmes de prédistorsion numérique (DPD), et analogique/RF(ARFPD) peuvent être utilisés pour améliorer le compromis linéarité / efficacité des PAs. Cependant pour les pico-cellules et femto-cellules utilisées dans le standard 5G, les prédistorseurs conventionnels ne sont adaptés pour des raisons de complexité et de consommation de puissance.Le modèle "Memory Polynomilal" (MP) est l'un des modèles de prédistorsion les plus attractifs pour modéliser les PAs, fournissant des performances intéressantes avec peu de coefficients. Cependant, la précision de ce modèle se dégrade pour les signaux large bance. Pour palier ce problème, nous proposons un nouveau modèle, le FIR-MP qui combine un filtre FIR au modèle MP classique. Pour valider et quantifier la précision du modèle proposé, nous avons effectué des simulations avec un modèle extrait par mesure de l'amplificateur sur étagère ADL5606 (GaAs 1W HBT PA). Les résultats de ces simulations présentent des améliorations du taux de fuite des canaux adjacents (ACLR) de 7,2 dB et 15,6 dB, respectivement, pour des signaux à 20 MHz et 80 MHz par rapport au modèle MP classique. Le FIR-MP a été également synthétisé en technologie CMOS FDSOI 28 nm. Les résultats de la synthèse ont donné une puissance globale de 9,18 mW and 116,2 mW, respectivement, pour les signaux de 20 MHz and 80 MHz.Basé sur le modèle proposé de FIR-MP, une nouvelle approche à signaux mixtes pour linéariser les PAs a été aussi étudiée. En fait, le filtre numérique FIR améliore la performance de correction de la mémoire sans aucune expansion de la bande passante et la linéarisation en bande de base permet d'éviter l'utilisation de composants RF dans la linéariseur. Ainsi, les contraintes en bande passante requises pour le DAC, les filtres de reconstruction et les blocs RF de l'émetteur sont relâchées comparés aux techniques conventionnelles de linéarisation numériques et RF. Nous avons ainsi étudié l'impact des diverses non-idéalités en utilisant un signal modulé à 80 MHz afin de dériver les exigences pour la mise en œuvre du circuit. Les simulations ont montré qu'une résolution de 8 bits pour les coefficients et un SNR de 60 dB sont nécessaires pour atteindre un ACLR1 supérieur à 45 dBc. Ces résultats constituent un premier signe favorable dans l'optique d'une implémentation matérielle de la solution proposée, étape indispensable pour évaluer précisément sa consommation de puissance et sa complexité pour pouvoir la comparer à l'état de l'art des linéariseurs
Small-cell base stations (picocells and femtocells) handling high bandwidths (> 100 MHz) will play a vital role in realizing the 1000X network capacity objective of the future 5G wireless networks. Power Amplifier (PA) consumes the majority of the base station power, whose linearity comes at the cost of efficiency. With the increase in bandwidths, PA also suffers from increased memory effects. Digital predistortion (DPD) and analog RF predistortion (ARFPD) tries to solve the linearity/efficiency trade-off. In the context of 5G small-cell base stations, the use of conventional predistorters becomes prohibitively power-hungry.Memory polynomial (MP) model is one of the most attractive predistortion models, providing significant performance with very few coefficients. We propose a novel FIR memory polynomial (FIR-MP) model which significantly augments the performance of the conventional memory polynomial predistorter. Simulations with models extracted on ADL5606 which is a 1 W GaAs HBT PA show improvements in adjacent channel leakage ratio (ACLR) of 7.2 dB and 15.6 dB, respectively, for 20 MHz and 80 MHz signals, in comparison with MP predistorter. Digital implementation of the proposed FIR-MP model has been carried out in 28 nm FDSOI CMOS technology. With a fraction of the power and die area of that of the MP a huge improvement in ACLR is attained.An overall estimated power consumption of 9.18 mW and 116.2 mW, respectively, for 20 MHz and 80 MHz signals is obtained.Based on the proposed FIR-MP model a novel low-power mixed-signal approach to linearize RF power amplifiers (PAs) is presented. The digital FIR filter improves the memory correction performance without any bandwidth expansion and the MP predistorter in analog baseband provides superior linearization. MSPD avoids 5X bandwidth requirement for the DAC and reconstruction filters of the transmitter and the power-hungry RF components when compared to DPD and ARFPD, respectively.The impact of various non-idealities is simulated with ADL5606 (1 W GaAs HBT PA) MP PA model using 80 MHz modulated signal to derive the requirements for the integrated circuit implementation. A resolution of 8 bits for the coefficients and a signal path SNR of 60 dB is required to achieve ACLR1 above 45 dBc, with as little as 9 coefficients in the analog domain. Discussion on the potential circuit architectures of subsystems is provided. It results that an analog implementation is feasible. It will be worth in the future to continue the design of this architecture up to a silicon prototype to evaluate its performance and power consumption

La croissance rapide du trafic de données sans fil et des services intensifs en bande passante (voix sur IP, streaming vidéo, live streaming, etc.) nécessite de trouver des solutions viables pour améliorer la qualité de service et maximiser les performances du réseau. Pour s'adapter à ces applications intensives en bande passante, les réseaux cellulaires hétérogènes (HetNets) ont été introduits dans le 3GPP comme l'une des principales caractéristiques pour répondre à ces exigences avancées.Maintenant, en raison de la différence de charges de trafic de liaison montante (UL) et de liaison descendante (DL) attendues dans les prochaines générations HetNets, il devient essentiel d'ajuster dynamiquement les ressources UL/DL. Pour soutenir cette nouvelle approche, le duplexage temporel (TDD) dynamique a été proposé. Néanmoins, l'importance d'UL se pose avec l'évolution des réseaux sociaux et des solutions cloud. Par conséquent, il est très intéressant d’introduire de nouvelles techniques qui atténuent les interférences de l’UL, améliorent les débits UL et DL et permettent également une meilleure utilisation des ressources radio en fournissant un équilibrage de charge adéquat entre UL et DL. Une telle caractéristique supplémentaire est le découplage accès UL/DL.Dans notre travail, nous développons d'abord un modèle TDD dans HetNets. Dans ce modèle, nous dérivons des expressions analytiques pour la distribution de l'emplacement du brouilleur considérant tous les scénarios d’interférences possibles qui pourraient se produire dans les réseaux basés sur TDD, tout en tenant compte de l'impact nocif de cette interférence.Basé sur ce dernier résultat, nous dérivons la fonction de distribution et de génération de moment (MGF) de l’interférence intercellulaire montante et descendante considérant un réseau composé d'une macro-cellule et d'une petite cellule. Nous nous appuyons sur les expressions dérivées pour analyser la capacité moyenne de la cellule de référence dans les transmissions en liaison montante et en liaison descendante.Deuxièmement, nous développons un modèle statistique conjoint TDD/découplage pour mettre en évidence les avantages que le mode d'accès de découplage peut apporter à un système basé sur HetNet TDD. L'introduction du mode de découplage nécessite une analyse approfondie de l’étude de comparaison avec le mode d'accès couplé UL/DL conventionnel. Par conséquent, nous dérivons les statistiques du signal d'interférence et du signal d'intérêt des deux modes, puis analysons leur impact sur le performance du système.Ce travail a été étendu pour inclure le déploiement de plusieurs petites cellules, où des aperçus supplémentaires sur les avantages du mode de découplage sont fournies en termes de gains de découplage UL et DL. Suite à la mise en œuvre du modèle développé, il est démontré que le cas de découplage apporte de plus grands avantages dans la liaison montante et maintient la même amélioration dans la liaison descendante pour diverses valeurs de décalage et, ainsi, améliore les performances globales du système lorsqu'il est associé avec une technologie TDD dynamique. Il est en outre démontré que notre réseau modélisé peut être optimisé en adoptant la combinaison optimale à la fois du facteur de décalage des petites cellules et de la distance entre les petites cellules.D'un autre côté, l'évaluation des avantages d'un TDD adaptatif et du découplage dans un système basé sur HetNet en fonction des charges de trafic variant dans le temps, nécessite de trouver un simulateur de niveau système où nous pouvons présenter le motif derrière l' adoption de découplage et de TDD dynamique. À partir des scénarios de simulation mise en œuvre, il est observé que l'algorithme adaptatif proposé apporte des améliorations de performances significatives dans le débit UL et DL par rapport à un certain nombre de schémas conventionnels, principalement dans les systèmes fortement chargés
The rapid growth in wireless data traffic and bandwidth intensive services (voice over IP, video streaming, livestreaming, etc.) necessitates finding viable solutions to improve service quality and maximize thenetwork performance. To accommodate these bandwidth intensive applications, heterogeneous cellular networks (HetNets) were introduced in 3GPP as one of the main features to meet these advanced requirements. Yet, because of the difference in uplink (UL) and downlink (DL) traffic loads expected in the next HetNetsgeneration, it becomes essential to dynamically adjust UL/DL resources. To support this newapproach, dynamic time-division duplexing (TDD) has been proposed. Nevertheless, the importance of UL arises along with the evolution of social networking and cloudsolutions. Therefore, it is of great interest to introduce novel techniques that mitigate ULinterferences, improve UL and DL throughputs and allow as well, a better use of radio resources byproviding adequate load balancing among UL and DL. Such an additional feature is the decoupledUL/DL access.In our work, we first develop a TDD model in HetNets. Under this model, we derive analytical expressions for the distribution of the interferer location considering all possible interference scenarios that could occur in TDD-based networks, while taking into account the harmful impact of interference.Based on the latter result, we derive the distribution and moment generating function (MGF) of the uplink and downlinkinter-cell interference considering a network consisting of one macro cell and one small cell. We build on the derivedexpressions to analyze the average capacity of the reference cell in both uplink and downlink transmissions.Second, we develop a joint TDD/decoupling statistical model to highlight the benefits thatthe decoupling access mode can bring to a HetNet TDD based system, in terms of UL and DL spectral efficiencies and throughputs. Introducing the decoupling mode necessitates a thoroughcomparison study with the conventional coupled UL/DL access mode. Therefore, we derive the statistics of the interference signal and the signal of interest of both modes and then analyze their impact on the system performance.This work was extended to include multiple small cells deployment, where more insight into the benefits of decoupling mode is provided in terms of UL and DL decoupling gains. Further to the implementation of the developed model, it is shown that the decoupling case brings greater benefits in the uplink and maintains the same improvement in the downlink for various offset values and thus, improves the overall system performance when being combined with a dynamic TDD technology. It is further shown that our modeled network can be optimized by adopting the optimal combination of both the small cell offset factor and the distance between small cells.On the other hand, evaluating the benefits of an adaptive TDD and decoupling in a HetNet based system according to time-variant traffic loads, necessitates findinga system level simulator where we can present the motivation and accurately assess the role of both decoupling and dynamic TDD techniques in the UL/DL optimization problem. From the applied simulation scenarios, it is observed that the proposed adaptive algorithm (dynamic TDD with decoupling policies) yields significant performance improvements in UL and DL throughput compared to a number of conventional schemes, mainly in dense HetNet deployment and in highly loaded systems

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

This dissertation is directed towards improving the performance of 5G Wireless Fronthaul Networks and Wireless Sensor Networks, as measured by reliability, fault recovery time, energy consumption, efficiency, and security of transmissions, beyond what is achievable with conventional error control technology. To achieve these ambitious goals, the research is focused on novel applications of networking techniques, such as Diversity Coding, where a feedforward network design uses forward error control across spatially diverse paths to enable reliable wireless networking with minimal delay, in a wide variety of application scenarios. These applications include Cloud-Radio Access Networks (C-RANs), which is an emerging 5G wireless network architecture, where Remote Radio Heads (RRHs) are connected to the centralized Baseband Unit (BBU) via fronthaul networks, to enable near-instantaneous recovery from link/node failures. In addition, the ability of Diversity Coding to recover from multiple simultaneous link failures is demonstrated in many network scenarios. Furthermore, the ability of Diversity Coding to enable significantly simpler and thus lower-cost routing than other types of restoration techniques is demonstrated. Achieving high throughput for broadcasting/multicasting applications, with the required level of reliability is critical for the efficient operation of 5G wireless infrastructure networks. To improve the performance of C-RAN networks, a novel technology, Diversity and Network Coding (DC-NC), which synergistically combines Diversity Coding and Network Coding, is introduced. Application of DC-NC to several 5G fronthaul networks, enables these networks to provide high throughput and near-instant recovery in the presence of link and node failures. Also, the application of DC-NC coding to enhance the performance of downlink Joint Transmission-Coordinated Multi Point (JT-CoMP) in 5G wireless fronthaul C-RANs is demonstrated. In all these scenarios, it is shown that DC-NC coding can provide efficient transmission and reduce the resource consumption in the network by about one-third for broadcasting/multicasting applications, while simultaneously enabling near-instantaneous latency in recovery from multiple link/node failures in fronthaul networks. In addition, it is shown by applying the DC-NC coding, the number of redundant links that uses to provide the required level of reliability, which is an important metric to evaluate any protection system, is reduced by about 30%-40% when compared to that of Diversity Coding. With the additional goal of further reducing of the recovery time from multiple link/node failures and maximizing the network reliability, DC-NC coding is further improved to be able to tolerate multiple, simultaneous link failures with less computational complexity and lower energy consumption. This is accomplished by modifying Triangular Network Coding (TNC) and synergistically combining TNC with Diversity Coding to create enhanced DC-NC (eDC-NC), that is applied to Fog computing-based Radio Access Networks (F-RAN) and Wireless Sensor Networks (WSN). Furthermore, it is demonstrated that the redundancy percentage for protecting against n link failures is inversely related to the number of source data streams, which illustrates the scalability of eDC-NC coding. Solutions to enable synchronized broadcasting are proposed for different situations. The ability of eDC-NC coding scheme to provide efficient and secure broadcasting for 5G wireless F-RAN fronthaul networks is also demonstrated. The security of the broadcasting data streams can be obtained more efficiently than standardized methods such as Secure Multicasting using Secret (Shared) Key Cryptography.

Les futurs réseaux sans fil devront être conçus pour répondre aux besoins hétérogènes de systèmes entièrement différents. De nouveaux services soumis à des contraintes variées coexisteront avec les utilisateurs actuels sur la même bande de fréquences. L'OFDM, la couche physique utilisée par les systèmes actuels, souffre d’un mauvais confinement spectral et ne permet pas cette coexistence. De nombreuses nouvelles formes d'onde avec une localisation spectrale améliorée ont donc été proposées. Nous étudions la coexistence de nouveaux systèmes basés sur ces formes d'onde avec des utilisateurs OFDM préexistant. Nous fournissons la première analyse théorique et expérimentale de l'interférence inter-système qui se produit dans ces scenarios. Nous appliquons ensuite cette analyse pour évaluer les performances de différentes formes d'ondes avancées et nous étudions finalement les performances d'un réseau où des utilisateurs cellulaires OFDM coexistent avec des paires D2D utilisant l'une des formes d'ondes améliorées étudiées
Future wireless networks are envisioned to accommodate the heterogeneous needs of entirely different systems. New services obeying various constraints will coexist with legacy cellular users in the same frequency band. This coexistence is hardly achievable with OFDM, the physical layer used by current systems, because of its poor spectral containment. Thus, a myriad of multi-carrier waveforms with enhanced spectral localization have been proposed for future wireless devices. In this thesis, we investigate the coexistence of new systems based on these waveforms with legacy OFDM users. We provide the first theoretical and experimental analysis of the inter-system interference that arises in those scenarii. Then, we apply this analysis to evaluate the merits of different enhanced waveforms and we finally investigate the performance achievable by a network composed of legacy OFDM cellular users and D2D pairs using one of the studied enhanced waveforms

In order to support the new paradigm shift in fifth generation (5G) mobile communication, radically different network architectures, associated technologies and network operation algorithms, need to be developed compared to existing fourth generation (4G) cellular solutions. The evolution toward 5G mobile networks will be characterized by an increasing number of wireless devices, increasing device and service complexity, and the requirement to access mobile services ubiquitously. To realise the dramatic increase in data rates in particular, research is focused on improving the capacity of current, Long Term Evolution (LTE)-based, 4G network standards, before radical changes are exploited which could include acquiring additional spectrum. The LTE network has a reuse factor of one; hence neighbouring cells/sectors use the same spectrum, therefore making the cell-edge users vulnerable to heavy inter cell interference in addition to the other factors such as fading and path-loss. In this direction, this thesis focuses on improving the performance of cell-edge users in LTE and LTE-Advanced networks by initially implementing a new Coordinated Multi-Point (CoMP) technique to support future 5G networks using smart antennas to mitigate cell-edge user interference in uplink. Successively a novel cooperative uplink inter-cell interference mitigation algorithm based on joint reception at the base station using receiver adaptive beamforming is investigated. Subsequently interference mitigation in a heterogeneous environment for inter Device-to-Device (D2D) communication underlaying cellular network is investigated as the enabling technology for maximising resource block (RB) utilisation in emerging 5G networks. The proximity of users in a network, achieving higher data rates with maximum RB utilisation (as the technology reuses the cellular RB simultaneously), while taking some load off the evolved Node B (eNodeB) i.e. by direct communication between User Equipment (UE), has been explored. Simulation results show that the proximity and transmission power of D2D transmission yields high performance gains for D2D receivers, which was demonstrated to be better than that of cellular UEs with better channel conditions or in close proximity to the eNodeB in the network. It is finally demonstrated that the application, as an extension to the above, of a novel receiver beamforming technique to reduce interference from D2D users, can further enhance network performance. To be able to develop the aforementioned technologies and evaluate the performance of new algorithms in emerging network scenarios, a beyond the-state-of-the-art LTE system-level-simulator (SLS) was implemented. The new simulator includes Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna functionalities, comprehensive channel models (such as Wireless World initiative New Radio II i.e. WINNER II) and adaptive modulation and coding schemes to accurately emulate the LTE and LTE-A network standards.

The advent of the fifth generation mobile networks (5G) presents many new challenges to satisfy the requirements of the upcoming standards. The 5G Radio Access Network (RAN) has several functions which must be highly optimized to keep up with increasing performance requirements. One such function is the Packet Processing Function (PPF) which must process network packets with high throughput and low latency. A major factor in the pursuit of higher throughput and lower latency is adaptability of 5G technology. For this reason, Ericsson has developed a prototype 5G RAN PPF as a Virtualized Network Function (VNF) using an extended version of the Data Plane Development Kit’s Eventdev framework, which can be run on a general purpose computer. This thesis project optimizes the throughput and latency of a 5G RAN PPF prototype using a set of benchmarking and code profiling tools to find bottlenecks within the packet processing path, and then mitigates the effects of these bottlenecks by changing the configuration of the PPF. Experiments were performed using IxNetwork to generate 2 flows with GTP-u/UDP/IPv4 packets for the PPF to process. IxNetwork was also used to measure throughput and latency of the PPF. The results show that the maximum throughput of the PPF prototype could be increased by 40.52% with an average cut-through latency of 97.59% compared to the default configuration in the evaluated test case, by reassigning the CPU cores, performing the packet processing work in fewer pipeline stages, and patching the RSS function of the packet reception (Rx) driver.
Med den annalkande femte generationen av mobila nätverk (5G) följer en rad utmaningar för att uppnå de krav som ställs av kommande standarder. Den femte generationens Radioaccessnätverk (RAN) har flera funktioner som måste vara väloptimerade för att prestera enligt ökade krav. En sådan funktion är Packet Processing-funktionen (PPF), vilken måste kunna bearbeta paket med hög genomströmning och låg latens. En avgörande faktor i jakten på högre genomströmning och lägre latens är anpassningsbarhet hos 5Gteknologin.  Ericsson har därför utvecklat en prototyp av en PPF för 5G RAN som en virtuell nätverksfunktion (VNF) med hjälp av DPDK:s Eventdev-ramverk, som kan köras på en dator avsedd för allmän användning. I detta projekt optimeras genomströmningen och latensen hos Ericssons 5G RAN PPF-prototyp med hjälp av ett antal verktyg för prestandamätning och kodprofilering för att hitta flaskhalsar i pakethanteringsvägen, och därefter minska flaskhalsarnas negativa effekt på PPFens prestanda genom att ändra dess konfiguration. I experimenten användes IxNetwork för att generera 2 flöden med GTP-u/UDP/IPv4-paket som bearbetades av PPFen. IxNetwork användes även för att mäta genomströmning och latens. Resultaten visade att den maximala genomströmningen kunde ökas med 40.52% med en genomsnittlig latens på 97.59% jämfört med den ursprungliga PPF-prototypkonfigurationen i testfallet, genom att omfördela processorkärnor, sammanslå paketbearbetningssteg, och att patcha RSS-funktionen hos mottagardrivaren.

The number of wireless connected devices are growing exponentially and the importance of this research area is growing as well to meet the known and looming challenges and expectations. The 5:th Generation telecommunications standard is partly embodied by the Machine-to-Machine (M2M) and Internet of Things (IoT) technologies and standards to handle a big part of these devices and connections. An example within the IoT paradigm is military training systems where each system can consist of thousands of battery operated mobile devices and their shifting requirements shall be fullled in an energy-aware manner to increase battery operating times. Military training radio networks enables realistic combat training. The services and features provided in commercial telecommunications networks are desirable in these often proprietary and task specic networks, increasing capabilities and functionalities. To facilitate the current and future R&D of LTE based networks for adoption in military training networks and services this doctoral thesis intends to provide the starting ground for the energy-aware LTE based wireless communications. The thesis first presents general solutions on how to meet traffic deadlines in wireless networks for large number of nodes, and then continues with solutions for energy-aware LTE-based communications for the User Equipments (UEs). The work builds on the problem formulation how to provide energy-aware resource handling for LTE-based military training networks from where three research questions are derived. From the research questions we derive different hypotheses and then test these within the investigated area to answer the research questions. The contributions of this work are within areas of resource handling and power saving for mobile devices. In the first area an admission control using deterministic analysis is proposed fullling traffic requirements for military training mobile nodes. This admission control is enhanced for multiple-channel base stations, and evaluated using mobile nodes with different heterogeneous traffic requirements. In the second part energy-awareness is in focus for LTE/LTE-A based networks. The main power saving method for LTE/LTE-A UEs, Discontinuous Reception (DRX) mechanism, is evaluated and models for DRX in Idle and Connected state are proposed including metrics for wake-up delay and power saving. Additionally a mean queuing delay analysis is proposed for a variant of the Connected state DRX. Using these models and metrics, practical design guidelines for tuning of DRX parameters are proposed, including optimization of DRX parameters for either minimizing delay or maximizing power saving.

Multiple antennas at each side of the communication channel seem to be vital for future wireless communication systems. Multi-antenna communication provides throughput gains roughly proportional to the smallest number of antennas at the communicating terminals. On the other hand, multiple antennas at a terminal inevitably increase the hardware complexity of the latter. For efficient design of such systems relevant mathematical tools, capable of capturing the most significant features of the wireless multi-antenna channel - such as fading, spatial correlation, interference - are essential. This thesis, based on the asymptotic methods from statistical physics and random matrix theory, develops a series of asymptotic approximations for various metrics characterizing the performance of multi-antenna systems in different settings. The approximations become increasingly precise as the number of antennas at each terminal grows large and are shown to significantly simplify the performance analysis. This, in turn, enables efficient performance optimization, which would otherwise be intractable. After a general introduction, provided in Chapter 2, this thesis provides four different applications of large-system analysis. Thus, Chapter 3 analyzes multi-antenna multiple-access channel in the presence of non-Gaussian interference. The obtained large-system approximation of the sum rate is further used to carry out the precoder optimization routine for both Gaussian and finite-alphabet types of inputs. Meanwhile, Chapter 4 carries out the large-system analysis for a multi-hop relay channel with an arbitrary number of hops. Suboptimality of some conventional detectors has been captured through the concept of generalized posterior mean estimate. The obtained decoupling principle allows performance evaluation for a number of conventional detection schemes in terms of achievable rates and bit error rate. Chapter 5, in turn, studies achievable secrecy rates of multi-antenna wiretap channels in three different scenarios. In the quasi-static scenario, an alternating-optimization algorithm for the non-convex precoder optimization problem is proposed. The algorithm is shown to outperform the existing solutions, and it is conjectured to provide a secrecy capacity-achieving precoder. In the uncorrelated ergodic scenario, a large-system analysis is carried out for the ergodic secrecy capacity yielding a closed-form expression. In the correlated ergodic scenario, the obtained large-system approximation is used to address the corresponding problem of precoder optimization. Finally, Chapter6 addresses a practical case of random network topology for two scenarios: i) cellular mobile networks with randomly placed mobile users and ii) wiretap channel with randomly located eavesdroppers. Large-system approximations for the achievable sum rates are derived for each scenario, yielding simplified precoder optimization procedures for various system parameters.

QC 20140901

To enable wireless control of factories, such that sensor measurements can be sent wirelessly to an actuator, the probability to receive data correctly must be very high and the time it takes to the deliver the data from the sensor to the actuator must be very low. Earlier, these requirements have only been met by cables, but in the fifth generation mobile network this is one of the imagined use cases and work is undergoing to create a system capable of wireless control of factories. One of the problems in this scenario is when all data in a packet cannot be sent in one transmission while ensuring the very high probability of reception of the transmission. This thesis studies this problem in detail by proposing methods to cope with the problem and evaluating these methods in a simulator. The thesis shows that splitting the data into multiple segments and transmitting each at an even higher probability of reception is a good candidate, especially when there is time for a retransmission. When there is only one transmission available, a better candidate is to send the same packet twice. Even if the first packet cannot achieve the very high probability of reception, the combination of the first and second packet might be able to.
För att möjliggöra trådlös kontroll av fabriker, till exempel trådlös sändning av data uppmätt av en sensor till ett ställdon som agerar på den emottagna signalen, så måste sannolikheten att ta emot datan korrekt vara väldigt hög och tiden det tar att leverera data från sensorn till ställdonet vara mycket kort. Tidigare har endast kablar klarat av dessa krav men i den femte generationens mobila nätverk är trådlös kontroll av fabriker ett av användningsområdena och arbete pågår för att skapa ett system som klarar av det. Ett av problemen i detta användningsområde är när all data i ett paket inte kan skickas i en sändning och klara av den väldigt höga sannolikheten för mottagning. Denna uppsats studerar detta problem i detalj och föreslår metoder för att hantera problemet samt utvärderar dessa metoder i en simulator. Uppsatsen visar att delning av ett paket i flera segment och sändning av varje segment med en ännu högre sannolikhet för mottagning är en bra kandidat, speciellt när det finns tid för en omsändning. När det endast finns tid för en sändning verkar det bättre att skicka samma paket två gånger. Även om det första paketet inte kan uppnå den höga sannolikheten för mottagning så kan kanske kombinationen av det första och andra paketet göra det.

Abstract Future cellular networks need to support the ever-increasing demand of bandwidth-intensive applications and interconnection of people, devices, and vehicles. Small cell network (SCN)-based communication together with proximity- and social-aware connectivity is conceived as a vital component of these networks to enhancing spectral efficiency, system capacity, and quality-of-experience (QoE). To cope with diverse application needs for the heterogeneous ecosystem, radio resource management (RRM) is one of the key research areas for the fifth-generation (5G) network. The key goals of this thesis are to develop novel, self-organizing, and low-complexity resource management algorithms for emerging device-to-device (D2D) and vehicle-to-vehicle (V2V) wireless systems while explicitly modeling and factoring network contextual information to satisfy the increasingly stringent requirements. Towards achieving this goal, this dissertation makes a number of key contributions. First, the thesis focuses on interference management techniques for D2D-enabled macro network and D2D-enabled SCNs in the downlink, while leveraging users’ social-ties, dynamic clustering, and user association mechanisms for network capacity maximization. A flexible social-aware user association technique is proposed to maximize network capacity. The second contribution focuses on ultra-reliable low-latency communication (URLLC) in vehicular networks in which interference management and resource allocation techniques are investigated, taking into account traffic and network dynamics. A joint power control and resource allocation mechanism is proposed to minimize the total transmission power while satisfying URLLC constraints. To overcome these challenges, novel algorithms are developed by combining several methodologies from graph theory, matching theory and Lyapunov optimization. Extensive simulations validate the performance of the proposed approaches, outperforming state-of-the-art solutions. Notably, the results yield significant performance gains in terms of capacity, delay reductions, and improved reliability as compared with conventional approaches
Tiivistelmä Tulevaisuuden solukkoverkkojen pitää pystyä tukemaan yhä suurempaa kaistanleveyttä vaativia sovelluksia sekä yhteyksiä ihmisten, laitteiden ja ajoneuvojen välillä. Piensoluverkkoihin (SCN) pohjautuvaa tietoliikennettä yhdistettynä paikka- ja sosiaalisen tietoisuuden huomioiviin verkkoratkaisuihin pidetään yhtenä elintärkeänä osana tulevaisuuden solukkoverkkoja, joilla pyritään tehostamaan spektrinkäytön tehokkuutta, järjestelmän kapasiteettia sekä kokemuksen laatua (QoE). Radioresurssien hallinta (RRM) on eräs keskeisistä viidennen sukupolven (5G) verkkoihin liittyvistä tutkimusalueista, joilla pyritään hallitsemaan heterogeenisen ekosysteemin vaihtelevia sovellustarpeita. Tämän väitöstyön keskeisinä tavoitteina on kehittää uudenlaisia itseorganisoituvia ja vähäisen kompleksisuuden resurssienhallinta-algoritmeja laitteesta-laitteeseen (D2D) ja ajoneuvosta-ajoneuvoon (V2V) toimiville uusille langattomille järjestelmille, sekä samalla mallintaa ja tuottaa verkon kontekstikohtaista tietoa vastaamaan koko ajan tiukentuviin vaatimuksiin. Tämä väitöskirja edistää näiden tavoitteiden saavuttamista usealla keskeisellä tuloksella. Aluksi väitöstyössä keskitytään häiriönhallinnan tekniikoihin D2D:tä tukevissa makroverkoissa ja laskevan siirtotien piensoluverkoissa. Käyttäjän sosiaalisia yhteyksiä, dynaamisia ryhmiä sekä osallistamismekanismeja hyödynnetään verkon kapasiteetin maksimointiin. Verkon kapasiteettia voidaan kasvattaa käyttämällä joustavaa sosiaaliseen tietoisuuteen perustuvaa osallistamista. Toinen merkittävä tulos keskittyy huippuluotettavaan lyhyen viiveen kommunikaatioon (URLLC) ajoneuvojen verkoissa, joissa tehtävää resurssien allokointia ja häiriönhallintaa tutkitaan liikenteen ja verkon dynamiikka huomioiden. Yhteistä tehonsäädön ja resurssien allokoinnin mekanismia ehdotetaan kokonaislähetystehon minimoimiseksi samalla, kun URLLC rajoitteita noudatetaan. Jotta esitettyihin haasteisiin voidaan vastata, väitöstyössä on kehitetty uudenlaisia algoritmeja yhdistämällä graafi- ja sovitusteorioiden sekä Lyapunovin optimoinnin menetelmiä. Laajat tietokonesimuloinnit vahvistavat ehdotettujen lähestymistapojen suorituskyvyn, joka on parempi kuin uusimmilla nykyisillä ratkaisuilla. Tulokset tuovat merkittäviä suorituskyvyn parannuksia erityisesti kapasiteetin lisäämisen, viiveiden vähentämisen ja parantuneen luotettavuuden suhteen verrattuna perinteisiin lähestymistapoihin

Au cours des dernières décennies, la croissance des statistiques d’utilisation de réseau exige une technologique évolutive. Une question naturelle surgit dans nos esprits: que sera la 5G? Pour répondre à cette question, l’architecture 5G doit être conçue avec un certain niveau de flexibilité via l’intégration des principes de softwarization et virtualisation. Le réseau peut être utilisé de manière efficace et indépendante via la création de plusieurs espaces séparées logiquement, appelés tranches de réseau. De plus, chaque réseau logique peut déployer ses fonctions de réseau dans un environnement de nuage avec la flexibilité d’exécution. À cette fin, l’objectif de cette thèse est d’étudier ces deux techniques: (a) C-RAN et (b) découpage de RAN. Dans la première partie, nous étudions C-RAN, dans lequel les stations de base monolithiques sont remplacées par (1) les éléments radio distribués et (2) les pools centralisés pour des unités de traitement en bande de base. Le concept C-RAN est toujours confronté à des exigences sévères en matière de capacité et de latence de l’interface fronthaul qui connecte l’unité de radio distante distribuée à l’unité de traitement en bande de base centralisée. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur le découpage RAN non seulement pour permettre des différents niveaux d’isolation et de partage à chaque tranche de réseau, mais également pour customiser le plan de contrôle, le plan utilisateur et la logique de contrôle de réseau virtualisé. Par conséquent, nous proposons un environnement d’exécution flexible pour le système de slicing, nommé «RAN Runtime» pour héberger les instances de service sur chacun des modules RAN sous-jacents
Over the past few decades, the continuing growth of network statistics requires a constantly evolving technology. Therefore, a natural question arises in our minds: what will 5G be? To answer this question, the 5G architecture must be designed with a certain level of flexibility through the integration of softwarization and virtualization principles. Therefore, we can see that 5G will provide a paradigm shift beyond radio access technology in order to establish an agile and sophisticated communication system. The network can be used efficiently and independently by creating multiple logically separated spaces, called network slices. In addition, each logical network can deploy its network functions in a flexible cloud environment. To this end, the goal of this thesis is to study these two techniques: (a) Cloud-RAN and (b) RAN splitting. In the first part, our focus is on the C-RAN concept, in which monolithic base stations are replaced by (1) distributed radio elements and (2) centralized pools for baseband processing units. The C-RAN notion is still confronted with stringent capacity and latency requirements of the fronthaul interface that connects the distributed remote radio unit to the centralized baseband processing unit. In the second part, we focus on RAN cutting not only to allow different levels of isolation and sharing at each slice of network, but also to customize the control plane, user plane and control logic. Therefore, we provide a flexible runtime environment for the "RAN Runtime" slicing system to host service instances on each of the underlying RAN modules

La quinta generación de redes móviles (5G) se encuentra a la vuelta de la esquina. Se espera provea de beneficios extraordinarios a la población y que resuelva la mayoría de los problemas de las redes 4G actuales. El éxito de 5G, cuya primera fase de estandarización ha sido completada, depende de tres pilares: comunicaciones tipo-máquina masivas, banda ancha móvil mejorada y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (mMTC, eMBB y URLLC, respectivamente). En esta tesis nos enfocamos en el primer pilar de 5G, mMTC, pero también proveemos una solución para lograr eMBB en escenarios de distribución masiva de contenidos. Específicamente, las principales contribuciones son en las áreas de: 1) soporte eficiente de mMTC en redes celulares; 2) acceso aleatorio para el reporte de eventos en redes inalámbricas de sensores (WSNs); y 3) cooperación para la distribución masiva de contenidos en redes celulares. En el apartado de mMTC en redes celulares, esta tesis provee un análisis profundo del desempeño del procedimiento de acceso aleatorio, que es la forma mediante la cual los dispositivos móviles acceden a la red. Estos análisis fueron inicialmente llevados a cabo por simulaciones y, posteriormente, por medio de un modelo analítico. Ambos modelos fueron desarrollados específicamente para este propósito e incluyen uno de los esquemas de control de acceso más prometedores: access class barring (ACB). Nuestro modelo es uno de los más precisos que se pueden encontrar en la literatura y el único que incorpora el esquema de ACB. Los resultados obtenidos por medio de este modelo y por simulación son claros: los accesos altamente sincronizados que ocurren en aplicaciones de mMTC pueden causar congestión severa en el canal de acceso. Por otro lado, también son claros en que esta congestión se puede prevenir con una adecuada configuración del ACB. Sin embargo, los parámetros de configuración del ACB deben ser continuamente adaptados a la intensidad de accesos para poder obtener un desempeño óptimo. En la tesis se propone una solución práctica a este problema en la forma de un esquema de configuración automática para el ACB; lo llamamos ACBC. Los resultados muestran que nuestro esquema puede lograr un desempeño muy cercano al óptimo sin importar la intensidad de los accesos. Asimismo, puede ser directamente implementado en redes celulares para soportar el tráfico mMTC, ya que ha sido diseñado teniendo en cuenta los estándares del 3GPP. Además de los análisis descritos anteriormente para redes celulares, se realiza un análisis general para aplicaciones de contadores inteligentes. Es decir, estudiamos un escenario de mMTC desde la perspectiva de las WSNs. Específicamente, desarrollamos un modelo híbrido para el análisis de desempeño y la optimización de protocolos de WSNs de acceso aleatorio y basados en cluster. Los resultados muestran la utilidad de escuchar el medio inalámbrico para minimizar el número de transmisiones y también de modificar las probabilidades de transmisión después de una colisión. En lo que respecta a eMBB, nos enfocamos en un escenario de distribución masiva de contenidos, en el que un mismo contenido es enviado de forma simultánea a un gran número de usuarios móviles. Este escenario es problemático, ya que las estaciones base de la red celular no cuentan con mecanismos eficientes de multicast o broadcast. Por lo tanto, la solución que se adopta comúnmente es la de replicar e contenido para cada uno de los usuarios que lo soliciten; está claro que esto es altamente ineficiente. Para resolver este problema, proponemos el uso de esquemas de network coding y de arquitecturas cooperativas llamadas nubes móviles. En concreto, desarrollamos un protocolo para la distribución masiva de contenidos, junto con un modelo analítico para su optimización. Los resultados demuestran que el modelo propuesto es simple y preciso, y que el protocolo puede reducir el con
La cinquena generació de xarxes mòbils (5G) es troba molt a la vora. S'espera que proveïsca de beneficis extraordinaris a la població i que resolga la majoria dels problemes de les xarxes 4G actuals. L'èxit de 5G, per a la qual ja ha sigut completada la primera fase del qual d'estandardització, depén de tres pilars: comunicacions tipus-màquina massives, banda ampla mòbil millorada, i comunicacions ultra fiables i de baixa latència (mMTC, eMBB i URLLC, respectivament, per les seues sigles en anglés). En aquesta tesi ens enfoquem en el primer pilar de 5G, mMTC, però també proveïm una solució per a aconseguir eMBB en escenaris de distribució massiva de continguts. Específicament, les principals contribucions són en les àrees de: 1) suport eficient de mMTC en xarxes cel·lulars; 2) accés aleatori per al report d'esdeveniments en xarxes sense fils de sensors (WSNs); i 3) cooperació per a la distribució massiva de continguts en xarxes cel·lulars. En l'apartat de mMTC en xarxes cel·lulars, aquesta tesi realitza una anàlisi profunda de l'acompliment del procediment d'accés aleatori, que és la forma mitjançant la qual els dispositius mòbils accedeixen a la xarxa. Aquestes anàlisis van ser inicialment dutes per mitjà de simulacions i, posteriorment, per mitjà d'un model analític. Els models van ser desenvolupats específicament per a aquest propòsit i inclouen un dels esquemes de control d'accés més prometedors: el access class barring (ACB). El nostre model és un dels més precisos que es poden trobar i l'únic que incorpora l'esquema d'ACB. Els resultats obtinguts per mitjà d'aquest model i per simulació són clars: els accessos altament sincronitzats que ocorren en aplicacions de mMTC poden causar congestió severa en el canal d'accés. D'altra banda, també són clars en què aquesta congestió es pot previndre amb una adequada configuració de l'ACB. No obstant això, els paràmetres de configuració de l'ACB han de ser contínuament adaptats a la intensitat d'accessos per a poder obtindre unes prestacions òptimes. En la tesi es proposa una solució pràctica a aquest problema en la forma d'un esquema de configuració automàtica per a l'ACB; l'anomenem ACBC. Els resultats mostren que el nostre esquema pot aconseguir un acompliment molt proper a l'òptim sense importar la intensitat dels accessos. Així mateix, pot ser directament implementat en xarxes cel·lulars per a suportar el trànsit mMTC, ja que ha sigut dissenyat tenint en compte els estàndards del 3GPP. A més de les anàlisis descrites anteriorment per a xarxes cel·lulars, es realitza una anàlisi general per a aplicacions de comptadors intel·ligents. És a dir, estudiem un escenari de mMTC des de la perspectiva de les WSNs. Específicament, desenvolupem un model híbrid per a l'anàlisi de prestacions i l'optimització de protocols de WSNs d'accés aleatori i basats en clúster. Els resultats mostren la utilitat d'escoltar el mitjà sense fil per a minimitzar el nombre de transmissions i també de modificar les probabilitats de transmissió després d'una col·lisió. Pel que fa a eMBB, ens enfoquem en un escenari de distribució massiva de continguts, en el qual un mateix contingut és enviat de forma simultània a un gran nombre d'usuaris mòbils. Aquest escenari és problemàtic, ja que les estacions base de la xarxa cel·lular no compten amb mecanismes eficients de multicast o broadcast. Per tant, la solució que s'adopta comunament és la de replicar el contingut per a cadascun dels usuaris que ho sol·liciten; és clar que això és altament ineficient. Per a resoldre aquest problema, proposem l'ús d'esquemes de network coding i d'arquitectures cooperatives anomenades núvols mòbils. En concret, desenvolupem un protocol per a realitzar la distribució massiva de continguts de forma eficient, juntament amb un model analític per a la seua optimització. Els resultats demostren que el model proposat és simple i precís
The 5th generation (5G) of mobile networks is just around the corner. It is expected to bring extraordinary benefits to the population and to solve the majority of the problems of current 4th generation (4G) systems. The success of 5G, whose first phase of standardization has concluded, relies in three pillars that correspond to its main use cases: massive machine-type communication (mMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), and ultra-reliable low latency communication (URLLC). This thesis mainly focuses on the first pillar of 5G: mMTC, but also provides a solution for the eMBB in massive content delivery scenarios. Specifically, its main contributions are in the areas of: 1) efficient support of mMTC in cellular networks; 2) random access (RA) event-reporting in wireless sensor networks (WSNs); and 3) cooperative massive content delivery in cellular networks. Regarding mMTC in cellular networks, this thesis provides a thorough performance analysis of the RA procedure (RAP), used by the mobile devices to switch from idle to connected mode. These analyses were first conducted by simulation and then by an analytical model; both of these were developed with this specific purpose and include one of the most promising access control schemes: the access class barring (ACB). To the best of our knowledge, this is one of the most accurate analytical models reported in the literature and the only one that incorporates the ACB scheme. Our results clearly show that the highly-synchronized accesses that occur in mMTC applications can lead to severe congestion. On the other hand, it is also clear that congestion can be prevented with an adequate configuration of the ACB scheme. However, the configuration parameters of the ACB scheme must be continuously adapted to the intensity of access attempts if an optimal performance is to be obtained. We developed a practical solution to this problem in the form of a scheme to automatically configure the ACB; we call it access class barring configuration (ACBC) scheme. The results show that our ACBC scheme leads to a near-optimal performance regardless of the intensity of access attempts. Furthermore, it can be directly implemented in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) cellular systems to efficiently handle mMTC because it has been designed to comply with the 3GPP standards. In addition to the analyses described above for cellular networks, a general analysis for smart metering applications is performed. That is, we study an mMTC scenario from the perspective of event detection and reporting WSNs. Specifically, we provide a hybrid model for the performance analysis and optimization of cluster-based RA WSN protocols. Results showcase the utility of overhearing to minimize the number of packet transmissions, but also of the adaptation of transmission parameters after a collision occurs. Building on this, we are able to provide some guidelines that can drastically increase the performance of a wide range of RA protocols and systems in event reporting applications. Regarding eMBB, we focus on a massive content delivery scenario in which the exact same content is transmitted to a large number of mobile users simultaneously. Such a scenario may arise, for example, with video streaming services that offer a particularly popular content. This is a problematic scenario because cellular base stations have no efficient multicast or broadcast mechanisms. Hence, the traditional solution is to replicate the content for each requesting user, which is highly inefficient. To solve this problem, we propose the use of network coding (NC) schemes in combination with cooperative architectures named mobile clouds (MCs). Specifically, we develop a protocol for efficient massive content delivery, along with the analytical model for its optimization. Results show the proposed model is simple and accurate, and the protocol can lead to energy savings of up to 37 percent when compared to the traditional approach.
Leyva Mayorga, I. (2018). On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484
TESIS

Les demandes de haut débit, faible latence et grande fiabilité augmentent dans les nouvelles générations de systèmes de radiocommunications. Par conséquent, on propose de combiner la transmission non orthogonale avec les retransmissions HARQ afin de combattre les fluctuations de canal de transmission à haut débit. Dans la première partie de la thèse, on propose des protocoles de retransmissions HARQ avec l'aide d'un relai afin d'améliorer le débit et la fiabilité du système. Une version renforcée du protocole HARQ qui prend en compte le délai de retour est proposée dans la seconde partie de la thèse
HARQ has become an important research field in the wireless digital communications area during the last years. In this thesis, we improve the HARQ mechanisms in terms of throughput and/or latency which are the bottleneck of next generation wireless communication systems. More precisely, we improve the time-slotted HARQ systems by mimicking NOMA, which means using superposed packets in a single-user context. In the first part of the thesis, we propose HARQ protocols using the help of a relay to improve the transmission rate and reliability. An enhanced HARQ protocol adapted to delayed feedback is proposed in the second part. In this new multi-layer HARQ protocol, additional redundant packets are sent preemptively before receiving the acknowledgement, and in superposition to other HARQ processes

The work is devoted in the development and the exploration of the capabilities of the state of art unlicensed 60GHz (V-Band) mm-wave band that has raised so much interest and attention from numerous companies and laboratories for implementing Multi-gigabit communications [17] and especially for the 5th generation of cellular network and wireless systems. Implementing a high wireless data transfer system requires a high bandwidth and the one around the 60GHz frequency turned out to be a very promising candidate [13]. In this thesis, different protocols were investigated and simulated on MATLAB and implemented on low-cost Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) in order to test its performance with different transmission protocols and systems and insure a robust communication system at the frequency band around 60GHz. Furthermore, the system was tested with a series of different binary sequences such as pseudo-random bi-nary sequences (PRBS-7, PRBS-15, PRBS-23 and PRBS-31) and a high data rate communication link also in the design. The link has been tested in the lab environment and two systems have successfully achieved a relatively low bit-error rate.

La cinquième génération de réseaux cellulaires mobiles, 5G, est conçue pour prendre en charge un ensemble de nouveaux cas d'utilisation et exigences, par exemple concernant la qualité de service ou la sécurité. En utilisant les technologies de virtualisation et le concept de découpage de réseau, les opérateurs de réseau 5G seront en mesure de fournir des capacités de connectivité spécifiques afin de prendre en charge ces différents cas d'utilisation. Chaque tranche de réseau (network slice) peut être dédiée à un tiers (c'est-à-dire tout acteur commercial qui n'est pas l'opérateur de réseau) et être conçue pour répondre à ses besoins.Cependant, bien que les tranches de réseau puissent être conçues en activant ou en désactivant certaines fonctions réseau, les mécanismes d'authentification et de contrôle d'accès (AAC) restent les mêmes pour toutes les tranches, avec des composants réseau étroitement couplés.Cette thèse propose 5G-SSAAC (5G Slice-Specific AAC), comme première étape pour introduire une conception à couplage plus lâche dans l'ensemble de l'architecture de réseau 5G. 5G-SSAAC permet aux réseaux 5G de fournir divers mécanismes AAC aux tiers selon leurs exigences de sécurité. Pour évaluer ce mécanisme innovant, la thèse analyse les conséquences de l'utilisation du 5G-SSAAC sur la sécurité de l'ensemble du système 5G. La faisabilité du 5G-SSAAC est également présentée avec la mise en œuvre d'un réseau mobile entièrement virtualisé via un banc d'essai basé sur OAI (Open Air Interface). Ce travail évalue enfin l'impact du mécanisme 5G-SSAAC sur la charge du réseau compte tenu du nombre prévu de messages de signalisation AAC par rapport aux mécanismes AAC existants dans les réseaux cellulaires
The fifth generation of mobile cellular networks, 5G, is designed to support a set of new use cases and requirements, e.g. concerning quality of service or security. Using the virtualization technologies and the concept of network slicing, the 5G network operators will be able to provide specific connectivity capabilities in order to support these various use cases. Each network slice can be dedicated to a 3rd party (i.e., any business actor that is not the network operator), and be designed to fit its requirements.However, although network slices can be designed by enabling or disabling certain network functions, the Authentication and Access Control (AAC) mechanisms remain the same for all slices, with tightly coupled network components.This thesis proposes 5G-SSAAC (5G Slice-Specific AAC), as an initial step to introduce a more loosely coupled design into the whole 5G network architecture. 5G-SSAAC enables 5G networks to provide various AAC mechanisms to the 3rd parties according to their security requirements. To assess this innovative mechanism, the thesis analyses the consequences of using the 5G-SSAAC on the security of the whole 5G system. The feasibility of the 5G-SSAAC is also presented with the implementation of a fully virtualized mobile network through an OAI (Open Air Interface) based testbed. This work finally evaluates the impact of 5G-SSAAC mechanism on the network load considering the anticipated number of AAC signalling messages compared to the existing AAC mechanisms in cellular networks

Avec l'augmentation du trafic de données, la multiplication des objets connectés et la diversification des types de communication, la cinquième génération de réseaux cellulaires (5G) doit relever un grand nombre de défis. Dans ce contexte, les systèmes« massive MIMO » présentent de nombreux avantages en utilisant un grand nombre d'antennes combiné à des techniques de traitement de signal adaptées. De plus, l'utilisation de la modulation FBMC/OQAM au lieu de la modulation OFDM pourrait améliorer la performance des systèmes dans ce11aines situations. En premier lieu, cette thèse se centre sur des scénarios véhiculaires. En par1iculier, les systèmes« massive MIMO » sont proposés dans le but de combattre les interférences dues à l'effet Doppler pour la voie montante. Nous montrons ainsi de manière analytique que l'augmentation du nombre d'antennes implique une réduction drastique de l'impact de l'effet Doppler. De plus, les performances des modulations OFDM et FBMC/OQAM sont comparées dans ce contexte pour des environnements« Non-Line-Of-Sight » (NLOS) et« Line-Of-Sight » (LOS). Le second scéna1io étudié dans cette thèse considère les communications dans des zones mal desservies. Dans ce contexte, les systèmes« massive MIMO » permettent de créer un lien sans-fil longue-po11ée de type« backhaul » entre deux stations de base. Ainsi, le coût de déploiement des réseaux r cellulaires est réduit. Dans cette thèse, un nouveau précodeur « massive MIMO » est proposé dans le but d'utiliser la même bande de fréquence pour le liens accès et« backhaul ». De plus, l'impact d'une désynchronisation entre les liens d'accès et le lien « backhaul » est étudié et l'utilisation de la modulation FBMC/OQAM pour le lien« backhaul » est examinée
ESUME DE LA THESE EN ANGLAIS With the increase of the global data tmffic, the multiplication of co1mected devices and the diversification of the communication types, the fifth generation of cellular networks (5G) has to overcome a se1ies of challenges. In this context, massive MlMO systems hold a wide range of benefits by using a large number of antennas combined with appropriate signal processing techniques. Additionally, the use of the FBMC/OQAM modulation instead of the classical OFDM modulation may enhance the performance of the systems in cer1ain situations. Firstly, this thesis focuses on vehicular scenarios. In par1icular, massive MIMO systems are proposed to overcome the interference due to the Doppler effect for the uplink. We thus analytically highlight that increasing the number of receive antermas induces a drastic reduction of the impact of the Doppler effect. Moreover, the perfonnance of the OFDM and the FBMC/OQAM modulations are compared in this context for Non-Line-Of-Sight (NLOS) and Line-Of-Sight (LOS) environments. The second scenario investigated in this thesis considers communications in wide underse1ved areas. In this context, massive MIMO systems allow to create a long-range wireless back.haul link between two base stations. Thereby, the cost of deployment of the cellular networks is reduced. In this thesis r a new massive MLMO precoding technique is proposed in order to use the same fequency band for the backhaul link and the access links. Moreover, the impact of a desynchronization between the back haul link and the access links is studied and the use of the FBMC/OQAM modulation for the backhaul link is discussed

L'évolution des technologies numériques a permis l'introduction d'objets connectés dans le quotidien d'une grande partie de la population mondiale. Face à une demande de données sans-fil toujours croissante, des techniques nouvelles doivent être employées pour offrir un débit plus élevé à des appareils moins volumineux et accessibles à un prix raisonnable. Les antennes constituent l'organe central de toutes les télécommunications et elles jouent un rôle majeur dans l'évolution vers des systèmes plus performants. En effet, l'augmentation du débit de données passe par une augmentation du gain et de la bande de fonctionnement, et plus une antenne est directive plus son intégration est complexe. La tendance actuelle est à l'évolution vers les bandes de fréquences millimétriques, ce qui permet une réduction du volume de l'antenne et l'utilisation de bandes de fréquences plus larges, néanmoins la fabrication est un vrai défi technologique. Les travaux de recherches effectués au cours de cette thèse portent sur la conception d'antennes pour une application de lien backhaul : une liaison en bande E (71-86GHz) entre deux antennes fixes utilisée dans un réseau cellulaire ; cependant les concepts et technologies sont facilement transposables à d'autres applications telles que les radars ou les communications satellitaires. Les systèmes étudiés combinent un réseau unidimensionnel de longues fentes rayonnantes (CTS) alimentées en parallèles avec un formateur de faisceau quasi-optique (système pillbox). Les fentes rayonnantes consistent en guides à plans parallèles (GPP) tronqués. Elles sont alimentées en parallèle par un réseau de division de puissance exclusivement basé sur des GPP. Le système pillbox est constitué de deux GPP connectés par un coupleur et un réflecteur parabolique intégré, l'illumination de ce dernier par une source focale génère une onde plane. L'omniprésence de GPP au sein de l'antenne garantit une large bande de fonctionnement, et l'architecture employée permet une meilleure intégration que les antennes quasi-optiques. Ces antennes offrent donc un compromis entre un gain élevé, une large bande de fonctionnement et un profile réduit qui ne peut pas être atteint avec les autres structures présentes dans la littérature. Malheureusement ces antennes comportent également des désavantages. D'un point de vue technologique, leur fabrication est complexe et coûteuse. C'est pourquoi dans ces travaux de thèse un intérêt particulier est porté sur l'utilisation de techniques nouvelles permettant la fabrication de prototypes menant à des résultats expérimentaux. Du point de vue des performances en rayonnement, les antennes CTS/pillbox actuelles ne permettent pas de reconfigurer le rayonnement dans le plan E et le niveau de recouvrement dans le plan H est trop faible pour pouvoir être facilement exploité. Dans cette thèse, des solutions innovantes sont proposées afin de remédier à ce manque de versatilité. Enfin jusqu'à présent, le niveau des lobes secondaires dans le plan E de l'ensemble des antennes CTS alimentées en parallèle est d'environ -13,5dB. Une structure nouvelle est introduite afin de permettre une réduction de ces lobes secondaires à un niveau très faible
The evolution of numerical technologies allowed the daily use of connected object for a large part of the world’s population. To fulfill the ever-growing demand for wireless communication, new technologies have to be developed in order to obtain higher data-rate with smaller and cheaper devices. The antenna plays a major role in communication systems and their performances are to be improved to obtain more efficient telecommunications. Indeed the rise of data-rate involves an improvement of the antenna gain and bandwidth, but the integration of directive antennas is always challenging. The actual trend is the shift to higher frequency bands, in the millimeter-wave range, this allows a size reduction together with the use of broader bandwidth; however the fabrication becomes a real challenge. The research work realized in this thesis concern the design, fabrication and experimental characterization of antennas for backhaul links: the E-band (71-86GHz) communication between two fixed antennas used in cellular network; nonetheless the solutions developed can easily be applied to other applications such as radar or satellite communications.The studied systems combine a one-dimensional array of long radiating slots (CTS) fed in parallel with a quasi-optical beam forming network (pillbox system). The radiating slots are made of truncated parallel plate waveguides (PPW) and are fed in parallel by a power-divider network realized in PPW technology. The pillbox system consists of two stacked PPWs connected by a multi-slot coupler and an integrated parabolic reflector, the latter converts the cylindrical wave emitted by a focal feed into a planar wave. The omnipresence of PPWs throughout the antenna system insures a broad band of operation, and the architecture shows a lower profile than quasi-optical antennas. This antenna presents an unequaled tradeoff between a high gain, a wide bandwidth and a low-profile. Unfortunately they also have drawbacks. From a technological point of view, their fabrication is complicated and expensive. This is why in this thesis a particular attention is given to the use of new techniques allowing the fabrication of prototypes leading to experimental validation of the results. From the radiation performance point of view, CTS/pillbox antennas do not show any reconfigurability solution in the E-plane and the overlap level obtained in H-plane with already existing antennas is too low to be usable. In this thesis, innovative solutions are investigated to find solution to this lake of versatility. Finally the sidelobe level (SLL) in E-plane of the totality of parallel-fed CTS antennas described in the open-literature is about -13.5dB. A new architecture introduced in this thesis allows a reduction of this SLL down to a negligible level

L’évolution des communications sans fil doit répondre à la croissance exponentielle de la consommation de données. On prévoit une augmentation du débit allant jusqu’à 1000 d’ici 2020. Cependant, pour atteindre ce but, plusieurs ingrédients sont essentiels. La limitation majeure des systèmes sans fil est l’interférence à cause de la réutilisation des fréquences. C'est un problème qui existait depuis toujours et notamment à partir de la 3G. On croit que ce problème sera notamment plus grave dans la 5G, et cela à cause de la densification prévue des réseaux. L’utilisation de l’OFDM en 4G a mené à la gestion de l’interférence par coordination dynamique des blocs de ressources. Or, cela n’a permis qu’une augmentation modeste du débit. Une nouvelle technique de gestion de l’interférence fut née il y a 5 années. Cette technique s’appelle l’alignement d’interférence (IA). L’IA permet d’avoir une capacité égale à la moitié de la capacité d’un système sans interférences. Cette technique suppose que chaque transmetteur (TX) connait les canaux non seulement envers les récepteurs (RX)s mais les canaux de tous les TXs vers tous les RXs. Une technique d’interférence plus récente qui améliore l’IA, c’est le massive MIMO, ou les TXs sont équipés d’antennes à grande échelle. l’idée est motivée par plusieurs simplifications qui apparaissent en régime asymptotique ou les stations de base ont un trés grand nombre d’antennes. Le but de cette thèse est d’introduire des solutions complètes et réalistes pour la gestion d’interférence en utilisant le massive MIMO dans un scénario multi-cellules multi-utilisateurs. Notre travail traite surtout le problème de la connaissance imparfaite des canaux
The evolution of wireless communication must meet the increasingly high demand in mobile data. It is expected to increase the maximum rates of wireless by a factor of 1000 by 2020. Meanwhile, it is clear that to reach this goal, a combination of different ingredients is necessary. The major limitation of wireless systems is the interference due to frequency reuse. This has been a long-standing impairment in cellular networks of all generations that will be further exacerbated in 5G networks, due to the expected dense cell deployment. The use of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) in 4G leaded to an interference management by dynamic coordination of resource blocks. However, this allowed only modest gains in rates. A new technique of interference management was born 5 years ago, the interference alignment (IA). the IA permits to have a capacity with equals the half of the capacity of an interference-free system. This technique supposes that each transmitter (TX) knows the channels not only towards its receivers (RX)s, but the channels from all TXs to all receivers RXs. A more recent interference technique that boosts IA is massive multiple input multiple output (MIMO), where TXs use antennas at a very large scale. The idea is motivated by many simplifications, which appear in an asymptotic regime where base stations are endowed with large numbers of antennas. This thesis treats the problem of interference cancellation and capacity maximization in massive MIMO. In this context, the thesis proposes new interference management alternatives for the massive MIMO antenna regime, taking into account also the practical challenges of massive antenna arrays

In the thesis, the user body effect on antennas in a mobile terminal is discussed. In order to overcome the degradation of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) performance due to the user body effect, a quad-elements MIMO antenna array which can mitigate the body effect through an adaptive antenna switching method is introduced for 4G mobile terminals. In addition, various bezel MIMO antennas that are robust to the impedance mismatching caused by the user effect have also been presented. The study of user body effect is later extended to frequency bands at 15 GHz and 28 GHz for future 5G communication systems. The results reveal that a human body will cause a significant shadowing loss, which will be a critical loss in 5G cellular networks. The electromagnetic field (EMF) exposure of a mobile terminal is also studied in this thesis. Below 6 GHz, the simultaneous transmission specific absorption rate (SAR) for MIMO antennas is the primary concern due to its complicated assessment procedures. Above 6 GHz, the free space power density is adopted as the basic parameter of exposure limits globally, and preliminary studies have been presented to address major challenges in EMF exposure assessment for 5G mobile terminals.

QC 20171005

La demande en énergie dans les réseaux de téléphonie mobile augmente en raison de l’émergence de nouvelles technologies et de nouveaux services aux exigences de plus en plus élevées (débits de données, délais, etc.). Dans ce contexte, l'opérateur de réseau mobile (ORM) doit fournir d'avantage de ressources radio et de capacité de traitement dans son réseau, entraînant ainsi des coûts financiers plus élevés. L’ORM n’a pas d’autre choix que de mettre en œuvre des stratégies d’économie d’énergie sur plusieurs niveaux de son infrastructure, notamment au niveau du réseau d’accès radio (RAN).En parallèle, le réseau électrique devient plus intelligent, avec de nouvelles fonctionnalités pour équilibrer l'offre et la demande en faisant varier les prix de l'électricité, permettant ainsi à certains agrégateurs d'énergie de faire partie du processus d'approvisionnement et en signant des accords de réponse à la demande avec ses clients les plus important. Dans le contexte d'un réseau électrique intelligent et fiable, l'ORM, qui compte des milliers de evolved NodeB (eNB) répartis sur tout le pays, doit jouer un rôle majeur dans le réseau en agissant en tant que consommateur potentiel capable de vendre de l'électricité. Toutefois, dans les pays d'Afrique subsaharienne, le réseau peut ne pas être fiable, voire même inexistant, l'ORM n'a d'autre choix que de déployer une centrale électrique virtuelle (VPP) qui l'alimente partiellement ou totalement.Dans cette thèse, nous étudions les interactions entre l’opérateur de réseau et le réseau électrique, qu’il soit fiable ou non, dans les pays développés comme dans les pays en cours de développement. Nous étudions la gestion optimale de l'énergie à long et à court terme, dans le but de minimiser le coût total de possession (TCO) en énergie de l'opérateur par station de base, qui correspond à la somme de ses dépenses d'investissement (CAPEX) et de ses dépenses opérationnelles (OPEX), en assurant la satisfaction des besoins croissants en trafic de ses utilisateurs dans la cellule.L'étude à long terme nous permet de prendre des décisions d'investissement semestrielles pour le dimensionnement de la batterie et des sources énergies renouvelables, en tenant compte de la dégradation des performances des équipements, des prévisions de la croissance du trafic des utilisateurs et de l'évolution du marché de l'électricité sur une longue période de temps comptée en années.Dans le cas où elle est alimentée par un réseau intelligent fiable, la politique à court terme aide l’opérateur à définir quotidiennement une stratégie de gestion optimale de la batterie assurant l'arbitrage ou à le trading d’électricité tout en exploitant les fluctuations horaires des prix de l’électricité afin de minimiser la facture énergétique journalière de l'ORM tout en respectant certaines règles d'utilisation de ces équipements.Dans le cas d'un réseau électrique non fiable ou complètement inexistant, l'opérateur est alimenté par des sources hybrides couplant stockage (batteries), générateurs diesel, énergie solaire et le réseau électrique si ce dernier est opérationnel. Ici, nous définissons un ordre de priorité fixe sur l’utilisation de ces sources qui vise à étendre la durée de vie de la batterie et maintenir ses performances
The energy demand in mobile networks is increasing due to the emergence of new technologies and new services with higher requirements (data rates, delays, etc). In this context, the Mobile Network Operator (MNO) has to provide more radio and processing resources in its network leading for higher financial costs. The MNO has no choice but to implement energy saving strategies in all the parts of its infrastructure and especially at the Radio Access Network (RAN).At the same time, the electrical grid is getting smarter including new functionalities to balance supply and demand by varying the electricity prices, allowing some aggregators to be part of the supply process and signing demand response agreements with its clients. In the context of reliable smart grid, the MNO having thousands of evolved NodeB (eNB) spread over all the country, has to play major role in the grid by acting as a prosumer able to sell electricity. In African Sub-Saharan countries however, the grid may be not reliable or even non existent, the MNO has no choice but to deploy a Virtual Power Plant (VPP) and rely partially or totally on it.In this thesis, we study the interactions between the network operator and the grid either reliable or not in both developed and developing countries. We investigate both long term and short term optimal energy related management, with the aim of minimising the operator's Total Cost of Ownership (TCO) for energy per base station which is the sum of its Capital Expenditure (CAPEX) and Operational Expenditure (OPEX) while satisfying the growing needs of its user traffic in the cell.The long term study enables us to make semestral based investment decisions for the battery and renewable energy sources dimensioning considering equipment performance degradation, predictions on users traffic growth and electricity market evolution over a long period of time counted in years.In the case of being powered by a reliable smart grid, the short term policy helps the operator to set on a daily basis, an optimal battery management strategy by performing electricity arbitrage or trading that takes advantage of the electricity prices hourly fluctuations in order to minimize the MNO daily energy bill while respecting some rules on the usage of its equipments.In the case of a non reliable or off-grid environment, the operator is powered by hybrid sources coupling storage, diesel generators, solar power and the grid if the latter is operational. Here, we define a fixed order of priority on the use of these sources that extends the battery lifetime and maintain its performance

Le réseau d’accès radio (RAN) 5G vise à faire évoluer de nouvelles technologies couvrant l’infrastructure Cloud, les techniques de virtualisation et le réseau défini par logiciel (SDN). Des solutions avancées sont introduites pour répartir les fonctions du réseau d’accès radio entre des emplacements centralisés et distribués (découpage fonctionnel) afin d’améliorer la flexibilité du RAN. Cependant, l’une des préoccupations majeures est d’allouer efficacement les ressources RAN, tout en prenant en compte les exigences hétérogènes des services 5G. Dans cette thèse, nous abordons la problématique du provisionnement des ressources Cloud RAN centré sur l’utilisateur (appelé tranche d’utilisateurs ). Nous adoptons un déploiement flexible du découpage fonctionnel. Notre recherche vise à répondre conjointement aux besoins des utilisateurs finaux, tout en minimisant le coût de déploiement. Pour surmonter la grande complexité impliquée, nous proposons d’abord une nouvelle implémentation d’une architecture Cloud RAN, permettant le déploiement à la demande des ressources, désignée par AgilRAN. Deuxièmement, nous considérons le sous-problème de placement des fonctions de réseau et proposons une nouvelle stratégie de sélection de découpage fonctionnel centrée sur l’utilisateur nommée SPLIT-HPSO. Troisièmement, nous intégrons l’allocation des ressources radio. Pour ce faire, nous proposons une nouvelle heuristique appelée E2E-USA. Dans la quatrième étape, nous envisageons une approche basée sur l’apprentissage en profondeur pour proposer un schéma d’allocation temps réel des tranches d’utilisateurs, appelé DL-USA. Les résultats obtenus prouvent l’efficacité de nos stratégies proposées
5G Radio Access Network (RAN) aims to evolve new technologies spanning the Cloud infrastructure, virtualization techniques and Software Defined Network capabilities. Advanced solutions are introduced to split the RAN functions between centralized and distributed locations to improve the RAN flexibility. However, one of the major concerns is to efficiently allocate RAN resources, while supporting heterogeneous 5G service requirements. In this thesis, we address the problematic of the user-centric RAN slice provisioning, within a Cloud RAN infrastructure enabling flexible functional splits. Our research aims to jointly meet the end users’ requirements, while minimizing the deployment cost. The problem is NP-hard. To overcome the great complexity involved, we propose a number of heuristic provisioning strategies and we tackle the problem on four stages. First, we propose a new implementation of a cost efficient C-RAN architecture, enabling on-demand deployment of RAN resources, denoted by AgilRAN. Second, we consider the network function placement sub-problem and propound a new scalable user-centric functional split selection strategy named SPLIT-HPSO. Third, we integrate the radio resource allocation scheme in the functional split selection optimization approach. To do so, we propose a new heuristic based on Swarm Particle Optimization and Dijkstra approaches, so called E2E-USA. In the fourth stage, we consider a deep learning based approach for user-centric RAN Slice Allocation scheme, so called DL-USA, to operate in real-time. The results obtained prove the efficiency of our proposed strategies

The advent of virtualization introduced the need for virtual switches to interconnect virtual machines deployed in a cloud infrastructure. With Software Defined Networking (SDN), a central controller can configure these virtual switches. Virtual switches execute on commodity operating systems. Open vSwitch is an open source project that is widely used in production cloud environments. If an adversary gains access with full privileges to the operating system hosting the virtual switch, then Open vSwitch becomes vulnerable to a variety of different attacks that could compromise the whole network. The purpose of this thesis project is to improve the security of Open vSwitch implementations in order to ensure that only authenticated switches and controllers can communicate with each other, while maintaining code integrity and confidentiality of keys and certificates. The thesis project proposes a design and shows an implementation that leverages Intel® Safe Guard Extensions (SGX) technology. A new library, TLSonSGX, is implemented. This library replaces the use of the OpenSSL library in Open vSwitch. In addition to implementing standard Transport Level Security (TLS) connectivity, TLSonSGX confines TLS communication in the protected memory enclave and hence protects TLS sensitive components necessary to provide confidentiality and integrity, such as private keys and negotiated symmetric keys. Moreover, TLSonSGX introduces new, secure, and automatic means to generate keys and obtain signed certificates from a central Certificate Authority that validates using Linux Integrity Measurements Architecture (IMA) that the Open vSwitch binaries have not been tampered with before issuing a signed certificate. The generated keys and obtained certificates are stored in the memory enclave and hence never exposed as plaintext outside the enclave. This new mechanism is a replacement for the existing manual and unsecure procedures (as described in Open vSwitch project). A security analysis of the system is provided as well as an examination of performance impact of the use of a trusted execution environment. Results show that generating keys and certificates using TLSonSGX takes less than 0.5 seconds while adding 30% latency overhead for the first packet in a flow compared to using OpenSSL when both are executed on Intel® CoreTM i7-6600U processor clocked at 2.6 GHz. These results show that TLSonSGX can enhance Open vSwitch security and reduce its TLS configuration overhead.
Framkomsten av virtualisering införde behovet av virtuella växlar för att koppla tillsammans virtuella maskiner placerade i molninfrastruktur. Med mjukvarubaserad nätverksteknik (SDN), kan ett centralt styrenhet konfigurera dessa virtuella växlar. Virtuella växlar kör på standardoperativsystem. Open vSwitch är ett open-source projekt som ofta används i molntjänster. Om en motståndare får tillgång med fullständiga privilegier till operativsystemet där Open vSwitch körs, blir Open vSwitch utsatt för olika attacker som kan kompromettera hela nätverket.  Syftet med detta examensarbete är att förbättra säkerheten hos Open vSwitch för att garantera att endast autentiserade växlar och styrenheter kan kommunicera med varandra, samtidigt som att upprätthålla kod integritet och konfidentialitet av nycklar och certifikat. Detta examensarbete föreslår en design och visar en implementation som andvändar Intel®s Safe Guard Extensions (SGX) teknologi. Ett nytt bibliotek, TLSonSGX, är implementerat. Detta bibliotek ersätter biblioteket OpenSSL i Open vSwitch. Utöver att det implementerar ett standard “Transport Layer Security” (TLS) anslutning, TLSonSGX begränsar TLS kommunikation i den skyddade minnes enklaven och skyddar därför TLS känsliga komponenter som är nödvändiga för att ge sekretess och integritet, såsom privata nycklar och förhandlade symmetriska nycklar. Dessutom introducerar TLSonSGX nya, säkra och automatiska medel för att generera nycklar och få signerade certifikat från en central certifikatmyndighet som validerar, med hjälp av Linux Integrity Measurements Architecture (IMA), att Open vSwitch-binärerna inte har manipulerats innan de utfärdade ett signerat certifikat. De genererade nycklarna och erhållna certifikat lagras i minnes enklaven och är därför aldrig utsatta utanför enklaven. Denna nya mekanism ersätter de manuella och osäkra procedurerna som beskrivs i Open vSwitch projektet. En säkerhetsanalys av systemet ges såväl som en granskning av prestandaffekten av användningen av en pålitlig exekveringsmiljö. Resultaten visar att använda TLSonSGX för att generera nycklar och certifikat tar mindre än 0,5 sekunder medan det lägger 30% latens overhead för det första paketet i ett flöde jämfört med att använda OpenSSL när båda exekveras på Intel® Core TM processor i7-6600U klockad vid 2,6 GHz. Dessa resultat visar att TLSonSGX kan förbättra Open vSwitch säkerhet och minska TLS konfigurationskostnaden.

Une grande partie des résultats rapportés dans cette thèse est basée sur une observation qui n'a jamais été faite pour les communications sans fil et le contrôle de puissance en particulier: les niveaux de puissance d'émission et plus généralement les matrices de covariance peuvent être exploitées pour intégrer des informations de coordination. Les échantillons de rétroaction dépendants des interférences peuvent être exploités comme canal de communication. Premièrement, nous montrons que le fameux algorithme itératif de remplissage d'eau n'exploite pas suffisamment l'information disponible en termes d'utilité-somme. En effet, nous montrons que l'information globale d'état de canal peut être acquise à partir de la seule connaissance d'une rétroaction de type SINR. Une question naturelle se pose alors. Est-il possible de concevoir un algorithme de contrôle de puissance distribué qui exploite au mieux les informations disponibles? Pour répondre à cette question, nous dérivons la caractérisation de la région d'utilité pour le problème considéré et montrons comment exploiter cette caractérisation non seulement pour mesurer globalement l'efficacité mais aussi pour obtenir des fonctions de contrôle de puissance à un coup efficaces au niveau global. Motivés par le succès de notre approche sur les réseaux d'interférences mono bande et multibande, nous nous sommes demandé si elle pourrait être exploitée pour les réseaux MIMO. Nous avons identifié au moins un scénario très pertinent. En effet, nous montrons que l'alignement d'interférence opportuniste peut être implémenté en supposant seulement une rétroaction de covariance d'interférence plus bruit à l'émetteur secondaire. Puis, dans le dernier chapitre, nous généralisons le problème de la quantification, la motivation étant donnée par certaines observations faites dans les chapitres précédents. Premièrement, nous supposons que le quantificateur et le déquantificateur sont conçus pour maximiser une fonction d'utilité générale au lieu de la fonction de distorsion classique. Deuxièmement, nous supposons que le quantificateur et le déquantificateur peuvent avoir des fonctions d'utilité différentes. Cela soulève des problèmes techniques non triviaux, notre revendication est de faire un premier pas dans la résolution d'eux
A large part of the results reported in this thesis is based on an observation which has never been made for wireless communications and power control in particular: transmit power levels and more generally transmit covariance matrices can be exploited to embed information such as coordination information and available interference-dependent feedback samples can be exploited as a communication channel. First, we show that the famous iterative water-filling algorithm does not exploit the available information sufficiently well in terms of sum-utility. Indeed, we show that global channel state information can be acquired from the sole knowledge of an SINR-type feedback. A natural question then arises. Is it possible to design a distributed power control algorithm which exploits as well as possible the available information? To answer this question, we derive the characterization of the utility region for the considered problem and show how to exploit this characterization not only to measure globally efficiency but also to obtain globally efficient one-shot power control functions. Motivated by the success of our approach for single-band and multi-band interference networks, we asked ourselves whether it could be exploited for MIMO networks. We have identified at least one very relevant scenario. Indeed, we show that opportunistic interference alignment can be implemented by only assuming interference-plus-noise covariance feedback at the secondary transmitter. Then, in the last chapter, we generalize the problem of quantization, the motivation for this being given by some observations made in the previous chapters. First, we assume that the quantizer and de-quantizer are designed to maximize a general utility function instead of the conventional distortion function. Second, we assume that the quantizer and de-quantizer may have different utility functions. This raises non-trivial technical problems, our claim is to make a very first step into solving them

Vehicle-related communications are a key application to be enabled by Fifth Generation (5G) wireless systems. The communications enabled by the future Internet of Vehicles (IoV) that are connected to every wireless device are referred to as Vehicle-to-Everything (V2X) communications. A major application of V2X communication systems will be to provide emergency warnings. This thesis evaluates Long-Term Evolution (LTE) and Dedicated Short Range Communications (DSRC) in terms of service quality and latency, and provides guidelines for design of cooperative LTE-DSRC systems for V2X communications. An extensive simulation analysis shows that (1) the number of users in need of warning has an effect on latency, and more so for LTE than for DSRC, (2) the DSRC priority parameter has an impact on the latency, and (3) wider system bandwidths and smaller cell sizes reduce latency for LTE. The end-to-end latency of LTE can be as high as 1.3 s, whereas the DSRC latency is below 15 ms for up to 250 users. Also, improving performance of systems is as much as important as studying about latency. One method to improving performance is using a better suitable antenna for physical communication. The mobility of vehicles results in a highly variable propagation channel that complicates communication. Use of a smart, steerable antenna can be one solution. The most commonly used antennas for vehicular communication are omnidirectional. Such antennas have consistent performance over all angles in the horizontal plane; however, rapidly steerable directional antennas should perform better in a dynamic propagation environment. A linear array antenna can perform dynamical appropriate azimuth pattern by having different weights of each element. The later section includes (1) identifying beam pattern parameters based on locations of a vehicular transmitter and fixed receivers and (2) an approach to find weights of each element of linear array antenna. Through the simulations with our approach and realistic scenarios, the desired array pattern can be achieved and array element weights can be calculated for the desired beam pattern. Based on the simulation results, DSRC is preferred to use in the scenario which contains large number of users with setup of higher priority, and LTE is preferred to use with wider bandwidth and smaller cell size. Also, the approach to find the controllable array antenna can be developed to the actual implementation of hardware with USRP.
Master of Science

Le Cloud RAN a été préconisé pour la 5G. Cependant, sa mise en place rencontre des difficultés notamment sur l'intégration du fronthaul, ce dernier généralement basé sur l’interface CPRI représente le segment situé entre la Digital Unit et la Radio Unit. Vu les contraintes de débit, de latence et de gigue sur cette interface, le multiplexage en longueur est la solution adéquate pour son transport. En revanche, les technologies radio recommandées pour la 5G augmenteront considérablement les débits CPRI, ce qui rend l’utilisation du WDM bas coût très difficile. Cette thèse traite quatre sujets principaux : L'introduction d'un canal de contrôle dans le CPRI permettrait la supervision de l'infrastructure WDM et l'accordabilité en longueurs d'onde des transceivers. L’impact de l’intégration de ce canal de contrôle dans le fronthaul est étudié dans le chapitre II. La radio analogique sur fibre peut améliorer de manière significative l'efficacité spectrale du fronthaul, permettant potentiellement le transport des interfaces 5G. Une étude approfondie sur le gain réel apporté par cette solution est rapportée dans le chapitre III. La compression du CPRI basée sur la quantification uniforme et non uniforme est également une solution pour améliorer l'efficacité spectrale du CPRI. Le chapitre IV démontre expérimentalement les taux de compression réalisables. Enfin, les nouveaux splits fonctionnels sont considérés comme une solution prometteuse pour la 5G. Deux nouvelles interfaces ont été identifiées pour les splits couche haute et couche basse. Une étude théorique et expérimentale de ces nouvelles interfaces est présentée dans le chapitre V
Cloud Radio Access Network (RAN) was identified as a key enabler for 5G. Its deployment is however meeting multiple challenges notably in the fronthaul integration, the latter being the segment located between the Digital Unit and the Radio Unit generally based on CPRI. Giving its bit-rate, latency and jitter constrains, Wavelength Division Multiplexing (WDM) is the most adequate solution for its transport. However, the radio technologies recommended for 5G will drastically increase the CPRI bit-rate making its transport very challenging with low-cost WDM. This thesis deals with four main topics : The introduction of a control channel in the CPRI enables offering the WDM infrastructure monitoring and the wavelength tunability in the transceivers. The study of this control channel integration in the fronthaul link is reported in the second chapter as well as an investigation on the wireless transmission of CPRI. The use of Analog Radio over Fiber (A-RoF) can significantly improve the fronthaul spectral efficiency compared to CPRI-based fronthaul enabling, potentially, the transport of 5G interfaces. A thorough investigation on the actual gain brought by this solution is stated in the third chapter. CPRI compression based on uniform and non-uniform quantization is also a solution to enhance the CPRI spectral efficiency. The fourth chapter describes this solution and experimentally shows the achievable compression rates. Finally, establishing a new functional split in the radio equipment was considered as a promising solution for 5G. Two new interfaces have been identified for high and low layer functional splits. A theoretical and experimental study of these new interfaces is reported in the fifth chapter

Les communications mobiles grand public, le téléchargement de vidéos et l’utilisation d’applications mobiles représentent l’essentiel de l’utilisation actuelle des ressources radio dans les réseaux 4G ; mais pour que le spectre des usages et la diversité des utilisateurs soient grandement élargis, de nombreux efforts de recherche et de nombreuses propositions commencent à émerger pour la mise en place d’un nouveau standard appelé 5G, qui vise des secteurs très variés et qui sont des piliers importants d’une société : l’énergie, la santé, les médias, l’industrie ou le transport.Pour répondre à ces défis, ce nouveau standard devra regrouper plusieurs technologies parmi lesquelles, la réalisation d’un réseau Ultra-Dense (UDN) pour obtenir une couverture plus dense, plus robuste aux obstacles et augmenter la capacité du réseau. En conséquence, le réseau cellulaire ultra-dense est en train de devenir l'une des principales caractéristiques des réseaux cellulaires 5G. L'idée de base est d'obtenir des nœuds d'accès aussi proches que possible des utilisateurs finaux. L’obtention de cette solution prometteuse est réalisée par le déploiement dense de petites cellules appelées « Small Cells » dans des hotspots où un trafic immense est généré, en utilisant les ondes millimétriques pour étendre la bande passante de transmission.Ces « smalls cells » doivent optimiser au mieux la réception du signal selon l’emplacement de l’utilisateur par rapport à l’antenne pour concentrer l’émission du signal dans les directions utiles, par l’utilisation de réseaux d’antennes reconfigurables en diagramme et à fort gain. Cette méthode évite ainsi d’utiliser toute la puissance disponible pour émettre « à l’aveugle » en espérant tomber sur le terminal.Les travaux menés dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte. L’objectif donc consiste à concevoir et réaliser un petit réseau d’antennes ou « Small Cells » travaillant dans les bandes de fréquences millimétriques doté d’une capacité à changer la direction du faisceau selon les besoins des utilisateurs. Une technique de reconfiguration de diagramme de rayonnement avec changement de polarisation appliquée sur un réseau d’antennes planaires a été développée. Ce manuscrit se divise comme suit : après un rappel des objectifs de la 5G ainsi que ses exigences dans le chapitre 1, nous avons introduit dans le chapitre 2, les architectures et la théorie des différents réseaux d’antennes, ainsi que les différentes techniques de dépointage de faisceaux. Le troisième chapitre est consacré à la conception d’un élément rayonnant en forme de croix à double polarisation et diagramme de rayonnement reconfigurable par utilisation d’éléments parasites commutables. Cet élément rayonnant a ensuite été utilisé dans le chapitre 4, pour concevoir des sous-réseaux et réseaux d’antennes multi-ports, reconfigurables, à fort gain
Consumer mobile communications, video downloads and the use of mobile applications represent most of today's use of radio resources in 4G networks; but in order to broaden the spectrum of uses and the diversity of users, many research efforts and numerous proposals are beginning to emerge for the implementation of a new standard called 5G, which targets a wide range of sectors and is important pillars of a society: energy, health, media, industry or transportation. To fulfil these challenges, this new standard will have to combine several technologies, including the creation of an Ultra-Dense Network (UDN) to obtain a dense coverage, more robust to obstacles and increase the capacity of the network. This promising solution is obtained by the deployment of dense small cells in hotspots where huge traffic is generated, and by using millimeter waves to extend the transmission bandwidth.These smalls cells must optimize the received signal according to the location of the user, by using a high gain beam reconfigurable antennas array. This method avoids using all the available power to issue "blind" hoping to fall on the terminal.The Objectives of this thesis is therefore to design a small antennas array or "Small Cells" working in mmWave bands with an ability to change the direction of the beam according to the needs of users. A dual polarized beam reconfigurable technique applied on a planar antenna array has been developed.This manuscript is divided as follows: after a reminder of the objectives of the 5G and its requirements in chapter 1, we have introduced in chapter 2, the architectures and theory of the different antenna arrays, as well as the different techniques of beam steer. The third chapter is dedicated to the design of a cross patch antenna with a dual polarization and reconfigurable beam by using switchable parasitic elements. This radiating element was then used in Chapter 4 to design a high-gain reconfigurable, multiport sub-arrays and antenna arrays

This thesis is about the researching for 5th generation (5G) communication system, which focus on the improvement of 3D beamforming technology in the antenna array using in the Full Dimension Multiple-Input Multiple-Output (FD-MIMO) system and Millimeter-wave (mm-wave) system. When the 3D beamforming technology has been used in 5G communication system, the beam needs a weighting matrix to direct the beam to cover the UEs, but some compromises should be considered. If the narrow beams are used to transmit signals, then more energy is focused in the desired direction, but this has a restricted coverage area to a single or few User Equipments (UEs). If the BS covers multiple UEs, then multiple beams need to be steered towards more groups of UEs, but there is more interference between these beams from their side lobes when they are transmitted at same time. These challenges are waiting to be solved, which are about interference between each beam when the 3D beamforming technology is used. Therefore, there needs to be one method to decrease the generated interference between each beam through directing the side lobe beams and nulls to minimize interference in the 3D beamforming system. Simultaneously, energy needs to be directed towards the desired direction. If it has been decided that one beam should covera cluster of UEs, then there will be a range of received Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) depending on the location of the UEs relative to the direction of the main beam. If the beam is directed towards a group of UEs then there needs be a clustering method to cluster the UEs. In order to cover multiple UEs, an improved K-means clustering algorithm is used to cluster the multiple UEs into different groups, which is based on the cosine distance. Itcan decrease the number of beams when multiple UEs need be covered by multiple beams at same time. Moreover, a new method has been developed to calculate the weighting matrix for beamforming. It can adjust the values of weighting matrix according to the UEs' location and direct the main beam in a desired direction whilst minimizing its side lobes in other undesired directions. Then the minimum side lobe beamforming system only needs to know the UEs' location and can be used to estimate the Channel State Information (CSI) of UEs. Therefore, the scheme also shows lower complexity when compared to the beamforming methods with pre-coding. In order to test the improved K-means clustering algorithm and the new weighting method that can enhance the performance for 3D beamforming system, the two simulation systems are simulated to show the results such as 3D beamforming LTE system and mm-wave system.

Group communication, security and 5G technology present a unique dimension of challenges and security remains crucial in the successful deployment of 5G technology across different industry. Group key management plays a vital role in secure group communication. This research work studies various group key management schemes for mobile wireless technology and then a new scheme is proposed and evaluated. The main architecture is analysed, while the components and their roles are established, trust and keying relationships are evaluated, as well as detailed functional requirements. A detailed description of the main protocols required within the scheme is also described. A numerical and simulation analysis is employed to assess the proposed scheme with regards to fulfilling the security requirement and performance requirements. The impact of group size variation, the impact of mobility rate variation are studied with regards to the average rekeying messages induced by each event and 1-affects-n phenomenon. The results obtained from the simulation experiments show that the proposed scheme outperformed other solutions with a minimal number of rekeying messages sent and less number of affected members on each event. The security requirements demonstrate that backward and forward secrecy is preserved and maintained during mobility between areas. Finally, the research work also proposes a 5G-enabled software-defined multicast network (5G-SDMNs), where software-defined networking (SDN) is exploited to dynamically manage multicast groups in 5G and mobile multicast environment. Also, mobile edge computing (MEC) is exploited to strengthen network control of 5G-SDMN.
National Open University of Nigeria

L'augmentation du nombre d'utilisateurs des réseaux sans-fil et la diversification de leurs usages amène à faire évoluer les méthodes de gestion des ressources. Cette thèse porte sur les techniques d'allocation des ressources dans les réseaux de 5G. Dans le contexte des systèmes classiques de réseaux sans-fil, nous proposons un algorithme d'allocation de ressources dont l'objectif est de garantir équitablement le meilleur service aux utilisateurs. Lorsque la charge de la cellule est suffisamment faible pour garantir un service suffisant, l'algorithme réoriente dynamiquement ses priorités vers l'économie d'énergie. Ce comportement permet un compromis efficace entre la capacité et la consommation énergétique à différents niveaux de charge. Afin d'étendre la capacité des réseaux, l'ajout de nouvelles cellules permet d'élargir la bande passante et de réduire l'atténuation du signal liée à la distance. Nous présentons un algorithme de répartition des utilisateurs dans un contexte multi-cellulaire qui intervient avant l'étape d'allocation de ressources. Cette répartition aura de fortes répercussions sur l'équilibre des charges des cellules et sur la qualité de service générale du système. Le nombre de cellules dans un secteur est limité par sa géographie. Le Massive-MIMO permet d'accroître les fonctionnalités des cellules en permettant une directivité de l’énergie et ainsi ajoute la composante spatiale à l'allocation de ressources. Nous proposons un nouvel indicateur de compatibilité spatiale des utilisateurs en se basant sur les allocations passées. Une fois intégré dans un algorithme d'allocation, il profite des capacités supérieures du Massive-MIMO
The increasing number of wireless network users and the diversification of their usage call for an evolution of the resource management methods. This thesis is based on 5G resource allocation techniques. In regular wireless networks, cells are managed independently. In this context, we propose a resource allocation algorithm with the aim of fairly guaranteeing the best service to users. When the cell charge is low enough to guarantee a sufficient quality of service, the algorithm redirects dynamically its priorities towards energy saving. This behavior allows to obtain an efficient compromise between capacity and energy consumption at different charge levels. In order to extend network capacity, the adding of new cells allows to broaden the available bandwidth and to reduce the distance induced signal attenuation. We present an algorithm of user repartition in a multi-cell context, which intervenes before the resource allocation stage. A user can be covered by several cells using different frequencies, thus its repartition will have strong repercussions on the cell charge balance and on the general quality of service in the system. The maximal number of cells in a sector is limited by its geographical environment. The Massive-MIMO allows to increase the cell functionalities while allowing a better energy directivity, and thus adding the spatial component to the resource allocation. We propose a new indicator evaluating the spatial compatibility of users based on past allocations. Once integrated in an allocation algorithm, it takes advantage of the superior capacities of Massive-MIMO

La technologie de réseau cellulaire de 5ème génération (5G) sera le réseau supportant l'Internet des objets (IoT). Elle a introduit une fonctionnalité majeure, communications appareil-à-appareil (D2D), que permettent communications sans fil à consommation d'énergie restreinte en interagissant à proximité et à puissance d'émission plus faible. La coopération entre appareils suscit donc un intérêt considérable pour l'énergie, et peut être utilisé en conjonction avec la récupération d'énergie pour prolonger la durée de vie des appareils. Les programmes de coopération renforcent la mise en réseau d'un appareil à l'autre, ce qui accroît la nécessité d'exécuter des mécanismes de sécurité pour assurer la protection des données et les relations de confiance entre les nœuds du réseau.Ces mécanismes sont fondamentaux pour la protection contre les attaques malveillantes mais elles représentent aussi une importante consommation d'énergie, souvent négligée en raison de l'importance de la protection des données. L'établissement d'un canal securisé peut être coûteux en termes d'utilisation du CPU, la mémoire et la consommation d'énergie, surtout si les appareils sont limités en ressources. La confidentialité et l’intégrité des données ont un faible coût énergétique, mais sont utilisées en permanence. Il est donc nécessaire de quantifier la consommation d'énergie engendrée par la sécurité d'un appareil. Un modèle énergétique basé sur la sécurité est proposé pour répondre à cet objectif.Dans les réseaux composés d'équipements d'utilisateurs (UE), la mobilité est une caractéristique clé. Elle peut agir sur la connexion à proximité d'objets IoT, étendant la couverture 5G vers l'IoT via les UEs. Une solution d'authentification légère est présentée qui permet par l'authentification directe et des communications UE-IoT, d'étendre la couverture et réaliser des économies d'énergie potentielles importantes. Cette approche peut être particulièrement utile en cas de catastrophe où l'infrastructure réseau peut ne pas être disponible.La condentialité et l'authentification des données sont une source de consommation d'énergie importante. Les appareils équipés avec équipements de collecte d'énergie (EH) peuvent avoir un excédent ou un déficit d'énergie. La sécurité appliquée peut donc être ajustée en fonction de l'énergie disponible d'un appareil, en introduisant l'établissement de canal sécurisé qui tient compte de la consommation d'énergie. Après avoir étudié en profondeur les normes 5G, il a été constaté que les réseaux d'UE D2D utilisant ce type de norme dépenseraient une quantité importante d'énergie et seraient généralement moins sûr. Un mécanisme léger de recléage est donc proposé pour réduire les coûts liés cette adaptation. Pour compléter le concept de canal sécurisé prenant en compte l'énergie et le mécanisme de recléage, une méthode de bootstrapping des paramètres de sécurité est également présentée. Le méthode désigne le cœur du réseau (CN) comme responsable de la politique de sécurité, rend l'ensemble du réseau plus sûr et aide à prévenir les pannes de communication. L'adaptation susvisé requiert l'étude du compromis entre l’énergie et sécurité. À cette fin, un processus décisionnel de Markov (MDP) modélisant un canal de communication est présenté lorsqu'un agent choisit les éléments de sécurité à appliquer aux paquets transmis. Ce problème d'optimisation du contrôle stochastique est résolu par plusieurs algorithmes de programmation dynamique et d’apprentissage par le renforcement (RL). Les résultats montrent que l'adaptation susvisé peut prolonger de manière significative la durée de vie de l'équipement et de la batterie, et améliore la fiabilité des données tout en offrant des fonctions de sécurité. Une étude comparative est présentée pour les différents algorithmes RL. Puis une approche d'apprentissage Q-profond (DQL) est proposé que améliore la vitesse d'apprentissage de l'agent et la fiabilité des données
The 5th Generation Cellular Network Technology (5G) will be the network supporting the Internet of Things (IoT) and it introduced a major feature, Device-to-Device (D2D) communications. D2D allows energy-constrained wireless devices to save energy by interacting in proximity at a lower transmission power. Cooperation and device-assisted networking therefore raise signicant interest with respect to energy saving, and can be used in conjunction with energy harvesting to prolong the lifetime of battery-powered devices. However, cooperation schemes increase networking between devices, increasing the need for security mechanisms to be executed to assure data protection and trust relations between network nodes. This leads to the use of cryptographic primitives and security mechanisms with a much higher frequency.Security mechanisms are fundamental for protection against malicious actions but they also represent an important source of energy consumption, often neglected due to the importance of data protection. Authentication procedures for secure channel establishment can be computationally and energetically expensive, especially if the devices are resource constrained. Security features such as condentiality and data authentication have a low energetic cost but are used constantly in a device engaged in data exchanges. It is therefore necessary to properly quantify the energy consumption due to security in a device. A security based energy model is proposed to achieve this goal.In User Equipment (UE) D2D networks, mobility is a key characteristic. It can be explored for connecting directly in proximity with IoT objects. A lightweight authentication solution is presented that allows direct UE-IoT communications, extending coverage and potentially saving signicant energy amounts. This approach can be particularly useful in Public Protection and Disaster Relief (PPDR) scenarios where the network infrastructure may not be available.Security features such as condentiality or data authentication are a significant source of consumption. Devices equipped with Energy Harvesting (EH) hardware can have a surplus or a deficit of energy. The applied security can therefore be adjusted to the available energy of a device, introducing an energy aware secure channel. After in depth analysis of 5G standards, it was found that D2D UE networks using this type of channel would spend a signicant amount of energy and be generally less secure. A lightweight rekeying mechanism is therefore proposed to reduce the security overhead of adapting security to energy. To complete the proposed rekeying mechanism, a security parameter bootstrapping method is also presented. The method denes the Core Network (CN) as the security policy maker, makes the overall network more secure and helps preventing communication outages.Adapting security features to energy levels raises the need for the study of the energy/security tradeoff. To this goal, an Markov Decision Process (MDP) modeling a communication channel is presented where an agent chooses the security features to apply to transmitted packets. This stochastic control optimization problem is solved via several dynamic programming and Reinforcement Learning (RL) algorithms. Results show that adapting security features to the available energy can signicantly prolong battery lifetime, improve data reliability while still providing security features. A comparative study is also presented for the different RL learning algorithms. Then a Deep Q-Learning (DQL) approach is presented and tested to improve the learning speed of the agent. Results confirm the faster learning speed. The approach is then tested under difficult EH hardware stability. Results show robust learning properties and excellent security decision making from the agent with a direct impact on data reliability. Finally, a memory footprint comparison is made to demonstrate the feasibility of the presented system even on resource constrained devices

Cloud-Radio Access Network (C-RAN) est une architecture prometteuse pour faire face à l’augmentation exponentielle des demandes de trafic de données et surmonter les défis des réseaux de prochaine génération (5G). Le principe de base de CRAN consiste à diviser la station de base traditionnelle en deux entités : les unités de bande de base (BaseBand Unit, BBU) et les têtes radio distantes (Remote Radio Head, RRH) et à mettre en commun les BBUs de plusieurs stations dans des centres de données centralisés (pools de BBU). Ceci permet la réduction des coûts d’exploitation, l’amélioration de la capacité du réseau ainsi que des gains en termes d’utilisation des ressources. Pour atteindre ces objectifs, les opérateurs réseaux ont besoin d’investiguer de nouveaux algorithmes pour les problèmes d’allocation de ressources permettant ainsi de faciliter le déploiement de l’architecture C-RAN. La plupart de ces problèmes sont très complexes et donc très difficiles à résoudre. Par conséquent, nous utilisons l’optimisation combinatoire qui propose des outils puissants pour adresser ce type des problèmes.Un des principaux enjeux pour permettre le déploiement du C-RAN est de déterminer une affectation optimale des RRHs (antennes) aux centres de données centralisés (BBUs) en optimisant conjointement la latence sur le réseau de transmission fronthaul et la consommation des ressources. Nous modélisons ce problème à l’aide d’une formulation mathématique basée sur une approche de programmation linéaire en nombres entiers permettant de déterminer les stratégies optimales pour le problème d’affectation des ressources entre RRH-BBU et nous proposons également des heuristiques afin de pallier la difficulté au sens de la complexité algorithmique quand des instances larges du problème sont traitées, permettant ainsi le passage à l’échelle. Une affectation optimale des antennes aux BBUs réduit la latence de communication attendue et offre des gains en termes d’utilisation des ressources. Néanmoins, ces gains dépendent fortement de l’augmentation des niveaux d’interférence inter-cellulaire causés par la densité élevée des antennes déployées dans les réseaux C-RANs. Ainsi, nous proposons une formulation mathématique exacte basée sur les méthodes Branch-and-Cut qui consiste à consolider et ré-optimiser les rayons de couverture des antennes afin de minimiser les interférences inter-cellulaires et de garantir une couverture maximale du réseau conjointement. En plus de l’augmentation des niveaux d’interférence, la densité élevée des cellules dans le réseau CRAN augmente le nombre des fonctions BBUs ainsi que le trafic de données entre les antennes et les centres de données centralisés avec de fortes exigences en termes de latence sur le réseau fronthaul. Par conséquent, nous discutons dans la troisième partie de cette thèse comment placer d’une manière optimale les fonctions BBUs en considérant la solution split du 3GPP afin de trouver le meilleur compromis entre les avantages de la centralisation dans C-RAN et les forts besoins en latence et bande passante sur le réseau fronthaul. Nous proposons des algorithmes (exacts et heuristiques) issus de l’optimisation combinatoire afin de trouver rapidement des solutions optimales ou proches de l’optimum, même pour des instances larges du problèmes
Cloud Radio Access Network (C-RAN) has been proposed as a promising architecture to meet the exponential growth in data traffic demands and to overcome the challenges of next generation mobile networks (5G). The main concept of C-RAN is to decouple the BaseBand Units (BBU) and the Remote Radio Heads (RRH), and place the BBUs in common edge data centers (BBU pools) for centralized processing. This gives a number of benefits in terms of cost savings, network capacity improvement and resource utilization gains. However, network operators need to investigate scalable and cost-efficient algorithms for resource allocation problems to enable and facilitate the deployment of C-RAN architecture. Most of these problems are very complex and thus very hard to solve. Hence, we use combinatorial optimization which provides powerful tools to efficiently address these problems.One of the key issues in the deployment of C-RAN is finding the optimal assignment of RRHs (or antennas) to edge data centers (BBUs) when jointly optimizing the fronthaul latency and resource consumption. We model this problem by a mathematical formulation based on an Integer Linear Programming (ILP) approach to provide the optimal strategies for the RRH-BBU assignment problem and we propose also low-complexity heuristic algorithms to rapidly reach good solutions for large problem instances. The optimal RRH-BBU assignment reduces the expected latency and offers resource utilization gains. Such gains can only be achieved when reducing the inter-cell interference caused by the dense deployment of cell sites. We propose an exact mathematical formulation based on Branch-and-Cut methods that enables to consolidate and re-optimize the antennas radii in order to jointly minimize inter-cell interference and guarantee a full network coverage in C-RAN. In addition to the increase of inter-cell interference, the high density of cells in C-RAN increases the amount of baseband processing as well as the amount of data traffic demands between antennas and centralized data centers when strong latency requirements on fronthaul network should be met. Therefore, we discuss in the third part of this thesis how to determine the optimal placement of BBU functions when considering 3GPP split option to find optimal tradeoffs between benefits of centralization in C-RAN and transport requirements. We propose exact and heuristic algorithms based on combinatorial optimization techniques to rapidly provide optimal or near-optimal solutions even for large network sizes

L’émergence des applications mobiles accessibles depuis un smartphone provoque une très forte augmentation du trafic de données transitant sur les réseaux mobiles. L’augmentation de la capacité du réseau et de la rapidité des connexions sont autant de points cruciaux que les nouvelles générations de réseau mobile devront adresser afin de répondre à la demande des utilisateurs. L’une des solutions viables pour augmenter la capacité du réseau mobile consiste à le densifier afin de permettre la réutilisation des fréquences en déployant des stations de base consommant une faible puissance et couvrant de petites surfaces (les "small cells"). Ce mode de déploiement massif en "small cells" constitue un défi majeur pour le réseau de backhaul afin de reconnecter chacune de ces "small cell" au cœur de réseau. De plus, avec l’évolution du réseau de backhaul vers une architecture de type Centralized Radio Access Network (CRAN), des technologies sans fil pouvant supporter des débits supérieurs à 10Gbit/s seront requises. Étant donné la maturité des technologies silicium au-delà de 100GHz, la bande 116-142GHz semble être un candidat idéal pour établir des communications point à point supérieures à 10Gbit/s et très faible consommation DC. Dans cette thèse, plusieurs solutions d’antennes-lentilles et réflecteurs fonctionnant à 60, 80 et 120GHz sont explorées pour des systèmes WLAN/WPAN et backhaul. Afin de minimiser le coût de la solution antennaire, nous évaluons des technologies d’impression 3D pour la fabrication des lentilles et des réflecteurs, ainsi que des technologies utilisant des matériaux organiques à faibles pertes pour la fabrication des antennes-sources planaires
The improvement of the capabilities of wireless communication devices (smartphone, tablets …) which require higher and higher data rate, leads to a significant increase of the data traffic needed by each end user. This strong consumer demand for higher data-rate and coverage is stressing a lot the capacity of existing cellular networks. In order to cope with this challenge, one of the most promising solution consists in a network densification based on the deployment of low-power and short-range-radio-coverage base stations (small cells). The development of high data-rate and low power wireless fronthaul and backhaul technologies is a key requirement to enable the deployment of those future small cells (since associated civil works costs generally prevent the use of optical fiber solutions). So far, the wireless industry has been investigating the use of 60 and 80 GHz frequency bands in order to develop low-cost higher than 1Gbit/s backhaul solutions. It is expected that higher data-rate > 10 Gbit/s will be required for fronthaul communications. The broad bandwidth available around 120GHz (116-142GHz) would enable to reach such data rates while lowering the DC power consumption. In this thesis, we develop several lens and reflector antennas operating at 60, 80 and 120GHz for WLAN/WPAN and fronthaul/backhaul networks. In order to minimize the cost of those solutions, we evaluate 3D-printing technologies for the fabrication of the lenses and the reflectors as well as industrial low loss organic packaging technologies for the fabrication of planar antenna-source

5G est prévu pour s'attaquer, en plus d'une augmentation considérable du volume de trafic, la tâche de connecter des milliards d'appareils avec des exigences de service hétérogènes. Afin de relever les défis de la 5G, nous préconisons une utilisation plus efficace des informations disponibles, avec plus de sensibilisation par rapport aux services et aux utilisateurs, et une expansion de l'intelligence du RAN. En particulier, nous nous concentrons sur deux activateurs clés de la 5G, à savoir le MIMO massif et la mise en cache proactive. Dans le troisième chapitre, nous nous concentrons sur la problématique de l'acquisition de CSI dans MIMO massif en TDD. Pour ce faire, nous proposons de nouveaux schémas de regroupement spatial tels que, dans chaque groupe, une couverture maximale de la base spatiale du signal avec un chevauchement minimal entre les signatures spatiales des utilisateurs est obtenue. Ce dernier permet d'augmenter la densité de connexion tout en améliorant l'efficacité spectrale. MIMO massif en TDD est également au centre du quatrième chapitre. Dans ce cas, en se basant sur les différents taux de vieillissement des canaux sans fil, la périodicité d'estimation de CSI est supplémentaire. Nous le faisons en proposant un exploité comme un degré de liberté supplémentaire. Nous le faisons en proposant une adaptation dynamique de la trame TDD en fonction des temps de cohérence des canaux hétérogènes. Les stations de bases MIMO massif sont capables d'apprendre la meilleure politique d’estimation sur le uplink pour de longues périodes. Comme les changements de canaux résultent principalement de la mobilité de l'appareil, la connaissance de l'emplacement est également incluse dans le processus d'apprentissage. Le problème de planification qui en a résulté a été modélisé comme un POMDP à deux échelles temporelles et des algorithmes efficaces à faible complexité ont été fournis pour le résoudre. Le cinquième chapitre met l'accent sur la mise en cache proactive. Nous nous concentrons sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des réseaux dotes de mise en cache en exploitant la corrélation dans les modèles de trafic en plus de la répartition spatiale des demandes. Nous proposons un cadre qui établit un compromis optimal entre la complexité et la véracité dans la modélisation du comportement des utilisateurs grâce à la classification adaptative basée sur la popularité du contenu. Il simplifie également le problème du placement de contenu, ce qui se traduit par un cadre d'allocation de contenu rapidement adaptable et économe en énergie
5G is envisioned to tackle, in addition to a considerable increase in traffic volume, the task of connecting billions of devices with heterogeneous service requirements. In order to address the challenges of 5G, we advocate a more efficient use of the available information, with more service and user awareness, and an expansion of the RAN intelligence. In particular, we focus on two key enablers of 5G, namely massive MIMO and proactive caching. In the third chapter, we focus on addressing the bottleneck of CSI acquisition in TDD Massive MIMO. In order to do so, we propose novel spatial grouping schemes such that, in each group, maximum coverage of the signal’s spatial basis with minimum overlapping between user spatial signatures is achieved. The latter enables to increase connection density while improving spectral efficiency. TDD Massive MIMO is also the focus of the fourth chapter. Therein, based on the different rates of wireless channels aging, CSI estimation periodicity is exploited as an additional DoF. We do so by proposing a dynamic adaptation of the TDD frame based on the heterogeneous channels coherence times. The Massive MIMO BSs are enabled to learn the best uplink training policy for long periods. Since channel changes result primarily from device mobility, location awareness is also included in the learning process. The resulting planning problem was modeled as a two-time scale POMDP and efficient low complexity algorithms were provided to solve it. The fifth chapter focuses on proactive caching. We focus on improving the energy efficiency of cache-enabled networks by exploiting the correlation in traffic patterns in addition to the spatial repartition of requests. We propose a framework that strikes the optimal trade-off between complexity and truthfulness in user behavior modeling through adaptive content popularity-based clustering. It also simplifies the problem of content placement, which results in a rapidly adaptable and energy efficient content allocation framework