Tesi sul tema "Au-delà des réseaux 5G"

Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre les laboratoires DAVID et Nokia Bell Labs France.L’idée originale est de trouver des solutions algorithmiques pour gérer des flux periodiques de manière déterministe dans les réseaux afin de contrôler et de minimiser le temps de transmission, appelé latence. L’un des objectifs de la 5G (le C-RAN, pour Cloud Radio Access Network) est de centraliser les unités de calculs des antennes radio des réseaux de télécommunications (appelé Radio Access Network) dans un même centre de calcul (le Cloud). Le réseau entre le centre de calcul et les antennes doit être capable de satisfaire les contraintes de latence imposées par les protocoles.Nous définissions le problème de trouver un ordonnancement periodique pour les messages de façon à ce qu'ils ne se disputent jamais la même ressource, et prouvons que les différentes variantes du problème étudiés sont NP-complets. Nous étudions dans un premier temps le problème pour une topologie particulière dans laquelle tous les flux partagent un même lien. Nous proposons dans un premier temps des algorithmes polynomiaux, de plus en plus évolués, ainsi que des algorithmes FPT permettant de trouver une solution quand le nombre de route est raisonnable, ce qui est le cas des réseaux C-RAN.Les algorithmes développés dans cette première partie n’étant pas applicables directement aux topologies plus générales, nous proposons ensuite une forme compacte au problème qui nous permet de définir une notion de voisinage efficace pour des heuristiques de recherches locales (descente, recherche tabou, recuit simulé). Nous utilisons cette forme compacte pour définir un algorithme Branch and Bound efficace quand le nombre de routes est modéré.Nous proposons aussi une évaluation de performance des solutions proposés par rapport aux solutions courantes de gestion des flux et montrons que notre modèle est réalisable en pratique grâce aux nouveaux équipements en cours de développement
This thesis is the result of a collaboration between DAVID Laboratory and Nokia Bell Labs France.The original idea is to find algorithmic solutions to deterministically manage periodic flows in networks in order to control and minimize the transmission time, called latency. One of the objectives of 5G (C-RAN, for Cloud Radio Access Network) is to centralize the calculation units of the radio antennas of telecommunications networks (called Radio Access Network) in the same computer center (the Cloud). The network between the computing center and the antennas must be able to satisfy the latency constraints imposed by the protocols.We define the problem of finding a periodic scheduling for messages so that they never compete for the same resource, and prove that the different variants of the problem studied are NP-complete. We first study the problem for a particular topology in which all the streams share the same link. We first propose polynomial algorithms of increased sophistication, and FPT algorithms that allow us to find a solution when the number of routes is reasonable, which is the case for C-RAN networks.Since the algorithms developed in this first part are not directly adaptable to more general topologies, we then propose a canonical form to the problem which allows us to define an efficient neighborhood notion for local search heuristics (hill climbing, tabu search, simulated annealing). We use this canonical form to define an efficient Branch and Bound algorithm when the number of routes is moderate.We also propose a performance evaluation of the proposed solutions compared to current flow management solutions, and show that our model is feasible in practice thanks to new equipment under development

L'omniprésence des dispositifs mobiles équipés d'une connectivité Internet et de systèmes de positionnement, nous pousse à les considérer comme une ressource précieuse à exploiter. Dans cette thèse, nous abordons l'utilisation des dispositifs mobiles sous un nouvel angle. Nous considérons l'extension de la capacité du MEC en utilisant les ressources disponibles des dispositifs mobiles au-delà de la bordure du réseau d'infrastructure. L'objectif est de tirer parti de leurs ressources inexploitées pour traiter les tâches de calculs au profit du MEC de manière distribuée. Pour pouvoir s'appuyer sur des nœuds mobiles, il est fondamental que le MEC soit capable de connaître son environnement d'exploitation. Dans la première partie de la thèse, nous explorons la disponibilité temporelle des ressources au-delà du bord. Nous avons choisi d'étudier la co-localisation des terminaux et d'analyser leurs persistances dans une cellule. Puis, nous nous intéressons à l'allocation des tâches. Nous mettons l'accent sur l'aspect spatio-temporel en quantifiant les ressources qu'une cellule peut fournir pour effectuer une tâche MEC. Nous estimons le potentiel de tâches de calcul effectuées par les terminaux en fonction du temps de présence cumulé dans une cellule donnée et d'un délai d'achèvement donné. Les résultats permettent de déterminer les possibilités de décharger des tâches de calcul sur des dispositifs mobiles. En outre, ils permettent de connaître les emplacements où il est judicieux de délester les tâches et la durée des tâches pouvant être délestées
The pervasiveness of mobile devices equipped with internet connectivity and positioning systems leads us to regard them as a valuable resource to leverage. In this thesis, we tackle the use of mobile devices from a new perspective. We consider the extension of the capacity of the MEC by using the available resources of mobile devices beyond the edge of the infrastructure network. The goal is to leverage their untapped resources to process computation on behalf of the MEC in a distributed way. It is fundamental for the MEC to be aware of its operating environment to rely on mobile nodes. In the first part of the thesis, we have focused on the temporal availability of beyond-the-edge resources. We chose to investigate the co-location of terminals and analyze their persistence in a cell. Then, we turn our attention to task allocation. We shift the focus on the spatio-temporal aspect by quantifying the resources that a cell can provide to perform a MEC task. We estimate the potential amount of computational tasks performed by nodes based on the cumulative presence time in a given cell and a given completion delay. Results provide insight into the possibilities of offloading computing tasks on mobile nodes. Furthermore, it allows knowing the locations where it is advisable to offload tasks and the time duration of tasks offloadable

La virtualisation des fonctions réseau (NFV) est le pilier fondateur de l'architecture 5G basée sur les services. La NFV a débuté en 2012, avec les fonctions de réseau virtuelles (VNF) basées sur les machines virtuelles (VM). Les conteneurs sont devenus une technologie alternative de conditionnement intéressante pour la virtualisation des fonctions réseau. Le conteneur est léger en termes de consommation de ressources ce qui améliore son temps d'instanciation. Outre les fonctions de réseau, la conteneurisation peut être un outil prometteur pour les applications multi-access edge computing (MEC) qui abritent des services exigeants à faible latence. La rareté des ressources à la périphérie du réseau exige des technologies qui utilisent efficacement les ressources de calcul, de stockage et de mise en réseau. La conteneurisation est censée être utilisée dans le cadre des principes fondamentaux de la conception d'applications cloud-native, une architecture basée sur des microservices à couplage lâche, d'une évolutivité à la demande et d'une résilience élevée. La flexibilité et l'agilité des conteneurs peuvent certainement profiter au découpage du réseau 5G en tranches,ces derniers reposent fortement sur NFV et MEC. Le concept de découpage du réseau permet de créer des réseaux logiques isolés au-dessus du même réseau physique. Une tranche de réseau peut avoir des fonctions de réseau dédiées, partagées entre plusieurs tranches. En effet, l'orchestration des tranches de réseau nécessite une interaction avec de multiples orchestrateurs de domaines technologiques: l'accès radio, le transport, le réseau central et l'informatique périphérique. Le changement de paradigme consistant à utiliser des principes de conception d'applications cloud-natives a créé des défis pour les systèmes d'orchestration existants et les normes NFV et MEC de l'ETSI. Ces derniers ont été conçus pour gérer des fonctions de réseau basées sur des machines virtuelles. Ils sont donc limités dans leur approche de la gestion d'une fonction de réseau cloud-native. Par le présent manuscrit, nous examinons les normes existantes de l'ETSI NFV, de l'ETSI MEC et des orchestrateurs de services/tranches de réseau, nous proposons de résoudre les défis liés à l'orchestration de tranches de réseau multi-domaines cloud-native. Pour cela, nous proposons tout d'abord un service d'information sur le réseau radio (RNIS) MEC qui a la capacité de fournir des informations radio au niveau de l'abonné dans un environnement NFV. Deuxièmement, nous fournissons un algorithme d'allocation et de placement dynamique des ressources (DRAP) pour placer les services réseau cloud-natives en tenant compte de leur matrice de coût et de disponibilité. Troisièmement, en combinant NFV, MEC et Network Slicing, nous proposons un nouveau mécanisme d'orchestration de tranches MEC (LeSO) pour surmonter les défis liés à l'orchestration de tranches MEC. Quatrièmement, le mécanisme proposé offre un modèle de déploiement de tranches de réseau qui permet de multiples possibilités de conception d'applications MEC. Ces possibilités ont été étudiées plus en détails pour comprendre l'impact de l'architecture de conception microservice sur la disponibilité et la latence de l'application. Enfin, tous ces travaux sont combinés pour proposer une nouvelle approche d'orchestration de tranches légères Cloud-native (CLiSO) étendant le précédant mécanisme d'orchestration de tranches légères de bord (LeSO). Cette nouvelle approche offre un modèle de tranche de réseau agnostique sur le plan technologique et orienté déploiement. La solution a été évaluée de manière approfondie en orchestrant les fonctions réseau du conteneur OpenAirInterface sur des plateformes de cloud public et privé. Les résultats expérimentaux montrent que la solution proposée a des empreintes de ressources plus faibles que les orchestrateurs existants et prend moins de temps pour orchestrer les tranches de réseau
Network Function Virtualization (NFV) is the founding pillar of 5G Service Based Architecture. It has the potential to revolutionize the future mobile communication generations. NFV started long back in 2012 with Virtual-Machine (VM) based Virtual Network Functions (VNFs). The use of VMs raised multiple questions because of the compatibility issues between VM hypervisors and their high resource consumption. This made containers to be an alternative network function packaging technology. The lightweight design of containers improves their instantiation time and resource footprints. Apart from network functions, containerization can be a promising enabler for Multi-access Edge Computing (MEC) applications that provides a home to low-latency demanding services. Edge computing is one of the key technology of the last decade, enabling several emerging services beyond 5G (e.g., autonomous driving, robotic networks, Augmented Reality (AR)) requiring high availability and low latency communications. The resource scarcity at the edge of the network requires technologies that efficiently utilize computational, storage, and networking resources. Containers' low-resource footprints make them suitable for designing MEC applications. Containerization is meant to be used in the framework of cloud-native application design fundamentals, loosely coupled microservices-based architecture, on-demand scalability, and high resilience. The flexibility and agility of containers can certainly benefit 5G Network Slicing that highly relies on NFV and MEC. The concept of Network slicing allows the creation of isolated logical networks on top of the same physical network. A network slice can have dedicated network functions or its network functions can be shared among multiple slices. Indeed, network slice orchestration requires interaction with multiple technological domain orchestrators, access, transport, core network, and edge computing. The paradigm shift of using cloud-native application design principles has created challenges for legacy orchestration systems and the ETSI NFV and MEC standards. They were designed for handling virtual machine-based network functions, restricting them in their approach to managing a cloud-native network function. The thesis examines the existing standards of ETSI NFV, ETSI MEC, and network service/slice orchestrators. Aiming to overcome the challenges around multi-domain cloud-native network slice orchestration. To reach the goal, the thesis first proposes MEC Radio Network Information Service (RNIS) that can provide radio information at the subscriber level in an NFV environment. Second, it provides a Dynamic Resource Allocation and Placement (DRAP) algorithm to place cloud-native network services considering their cost and availability matrix. Third, by combining NFV, MEC, and Network Slicing, the thesis proposes a novel Lightweight edge Slice Orchestration framework to overcome the challenges around edge slice orchestration. Fourth, the proposed framework offers an edge slice deployment template that allows multiple possibilities for designing MEC applications. These possibilities were further studied to understand the impact of the microservice design architecture on application availability and latency. Finally, all this work is combined to propose a novel Cloud-native Lightweight Slice Orchestration (CLiSO) framework extending the previously proposed Lightweight edge Slice Orchestration (LeSO) framework. In addition, the framework offers a technology-agnostic and deployment-oriented network slice template. The framework has been thoroughly evaluated via orchestrating OpenAirInterface container network functions on public and private cloud platforms. The experimental results show that the framework has lower resource footprints than existing orchestrators and takes less time to orchestrate network slices

Depuis 2016, il est bien connu que les réseaux mobiles dominent nos vies. Nous utilisons nos téléphones cellulaires pour presque tout: du réseautage social au streaming, à la recherche de logement ou pour les transactions bancaires. Néanmoins, il semble que les opérateurs ne comprennent pas cette domination, puisque leurs réseaux sont constitués de nœuds qui: (i) subissent d'énormes fluctuations de charge, (ii) gaspillent leurs ressources, et (iii) sont accusés d'être tueurs d'énergie majeurs. Ces inconvénients nuisent à load-balancing, efficacité spectrale et énergétique, respectivement. L'objectif de cette dissertation est d'étudier attentivement ces gains d'efficacité et d'établir un bon “trade off” entre eux pour les futurs réseaux hétérogènes 5G mobiles. Dans cette direction, nous nous concentrons tout d'abord sur (i) l'utilisateur et la différenciation du trafic, émergeant des applications de type MTC et IoT, et (ii) du RAN. Plus précisément, nous réalisons une modélisation, une analyse de performance et une optimisation appropriées pour une famille d'objectifs, en utilisant des outils provenant principalement de l'optimisation (non) convexe, de la probabilité et de la théorie des files d'attente. Après, nous soulignons que l'optimisation des fonctionnalités RAN, suivie d'un formidable « capacity crunch », posent de sérieuses contraintes dans le réseau de backhaul en le faisant apparaître comme un goulet d'étranglement de performance. Ainsi, nous incluons (iii) dans notre cadre: des contraintes de capacité de liaison de backhaul dans des topologies génériques. Enfin, nous considérons le problème de l'allocation TDD dans les réseaux d'accès et de backhaul
By 2016, it is well-known that mobile networking has dominated our lives. We use our mobile cell phones for almost everything: from social networking to streaming, finding accommodation or banking. Nevertheless, it seems that operators have not understood yet this domination, since their networks consist of nodes that: (i) suffer from enormous load fluctuations, (ii) waste their resources, and (iii) are blamed to be a major energy-killer worldwide. Such shortcomings hurt: load-balancing, spectral and energy efficiency, respectively. The goal of this dissertation is to carefully study these efficiencies and achieve a good trade-off between them for future mobile 5G heterogeneous networks (HetNets). Towards this direction, we firstly focus on (i) the user and traffic differentiation, emerging from the MTC and IoT applications, and (ii) the RAN. Specifically, we perform appropriate modeling, performance analysis and optimization for a family of objectives, using tools mostly coming from (non) convex optimization, probability and queueing theory. Our initial consideration is on network-layer optimizations (e.g. studying the user association problem). Then, we analytically show that cross-layer optimization is key for the success of future HetNets, as one needs to jointly study other problems coming from the layers below (e.g. the TDD allocation problem from the MAC, or the cross-interference management from the PHY) to avoid performance degradation. Finally, we add the backhaul network into our framework, and consider additional constraints related to the backhaul capacity, backhaul topology, as well as the problem of backhaul TDD allocation

Cette thèse présente un cadre flexible basé sur l'apprentissage par renforcement des files d'attente pour l'orchestration dynamique des tranches dans les réseaux Beyond 5G, prenant en charge de multiples tranches concurrentes qui couvrent différents domaines technologiques et sont régies par divers accords de niveau de service de bout en bout. Différentes méthodes d'apprentissage par renforcement profond (mono ou multi-agents) sont étudiées pour résoudre les problèmes de complexité d'état et d'action liés à ces problèmes combinatoires, qui rendent l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage par renforcement classique impraticable. La performance des schémas proposés est validée par des simulations dans des scénarios de trafic markovien synthétique et de trafic réel
This Thesis introduces a flexible Reinforcement Learning queuing-based framework for dynamic slice orchestration in Beyond 5G networks, supporting multiple concurrent slices that span different technological domains and are governed by diverse end-to-end Service Level Agreements. Different (Deep) Reinforcement Learning methods (single or multi-agent) are investigated to address the state and action complexity hurdles arising in such combinatorial problems, which render the use of "vanilla" Reinforcement Learning algorithms impractical. The performance of the proposed schemes is validated through simulations under both synthetic Markovian traffic and real traffic scenarios

Ce travail présente deux contributions clés dans le domaine des réseaux de communication sans fil 4G+/5G, en particulier dans le domaine de la détection MIMO d’ordre supérieur et le design (conception) de réseau relai semi-duplex. La première partie de ce travail de recherche s’intéresse au développement d’une stratégie de détection MIMO d’ordre supérieur pour les terminaux 4G+/5G existants et futurs, d’un point de vue à la fois théorique et pratique. Une nouvelle technique de décomposition QR Bloc de prétraitement est proposée pour un récepteur LTE dans un scénario limité à un seul utilisateur, interférence limitée, ainsi qu’un scénario point par point dont les résultats surlignent les avantages et inconvénients en performance et complexité. La deuxième partie de cette étude comprend une étude de faisabilité d’une stratégie de message novatrice à deux phases et trois parties pour un réseau relai semi-duplex à couche physique, qui comporte un codage de superposition et un décodage d’annulation d’interférence successif, conscient des interférences. Un point clé de cette étude était d’analyser la performance du schéma d’adaptation des liaisons proposées dans le régime non asymptotique et d’évaluer l’efficacité spectrale (ES) par rapport aux hypothèses théoriques des blocs d’asymptotiquement grandes longueurs. Une comparaison ES supplémentaire est également présentée, avec une transmission de relais à deux étapes non coopérative et une stratégie de transmission point à point. Les résultats obtenus révèlent les gains d'ES qui peuvent être obtenus en exploitant la coopération de couche physique entre le relais et la station de base
The evolution of wireless communication networks has always been rapidly progressive partly due to the demands of today’s data hungry users. This dissertation presents two key contributions to the body of knowledge in the evolving area of physical layer 4G+/5G communication technologies, especially in the domain of Higher-order MIMO detection and half-duplex relay network design. The initial part of this research investigates the development of a higher-order MIMO detection strategy for existing and future 4G+/5G receivers, from both a theoretical and practical perspective. A novel pre-processing Block QR decomposition technique has been proposed for an LTE receiver in a single-user interference-limited scenario as well as a point-to-point scenario with the results highlighting the complexity advantages and limitations in performance. The second part of this study involves a practical feasibility study of a novel two-phase three-part-message strategy for a physical layer half-duplex relay network, which features superposition coding and interference-aware successive interference cancellation decoding. A key aim of this study was to analyze the performance of the proposed link adaptation scheme in the non-asymptotic regime (finite block-length and discrete constellation signaling), and evaluate the spectral efficiency (SE) against the theoretical assumptions of asymptotically large block-lengths. An additional SE comparison with a non-cooperative two-hop relay transmission and point-to-point transmission strategy is also presented. The resulting outcomes reveal the SE gains that can be had by exploiting physical layer cooperation between the relay and base station

Ce travail présente deux contributions clés dans le domaine des réseaux de communication sans fil 4G+/5G, en particulier dans le domaine de la détection MIMO d’ordre supérieur et le design (conception) de réseau relai semi-duplex. La première partie de ce travail de recherche s’intéresse au développement d’une stratégie de détection MIMO d’ordre supérieur pour les terminaux 4G+/5G existants et futurs, d’un point de vue à la fois théorique et pratique. Une nouvelle technique de décomposition QR Bloc de prétraitement est proposée pour un récepteur LTE dans un scénario limité à un seul utilisateur, interférence limitée, ainsi qu’un scénario point par point dont les résultats surlignent les avantages et inconvénients en performance et complexité. La deuxième partie de cette étude comprend une étude de faisabilité d’une stratégie de message novatrice à deux phases et trois parties pour un réseau relai semi-duplex à couche physique, qui comporte un codage de superposition et un décodage d’annulation d’interférence successif, conscient des interférences. Un point clé de cette étude était d’analyser la performance du schéma d’adaptation des liaisons proposées dans le régime non asymptotique et d’évaluer l’efficacité spectrale (ES) par rapport aux hypothèses théoriques des blocs d’asymptotiquement grandes longueurs. Une comparaison ES supplémentaire est également présentée, avec une transmission de relais à deux étapes non coopérative et une stratégie de transmission point à point. Les résultats obtenus révèlent les gains d'ES qui peuvent être obtenus en exploitant la coopération de couche physique entre le relais et la station de base
The evolution of wireless communication networks has always been rapidly progressive partly due to the demands of today’s data hungry users. This dissertation presents two key contributions to the body of knowledge in the evolving area of physical layer 4G+/5G communication technologies, especially in the domain of Higher-order MIMO detection and half-duplex relay network design. The initial part of this research investigates the development of a higher-order MIMO detection strategy for existing and future 4G+/5G receivers, from both a theoretical and practical perspective. A novel pre-processing Block QR decomposition technique has been proposed for an LTE receiver in a single-user interference-limited scenario as well as a point-to-point scenario with the results highlighting the complexity advantages and limitations in performance. The second part of this study involves a practical feasibility study of a novel two-phase three-part-message strategy for a physical layer half-duplex relay network, which features superposition coding and interference-aware successive interference cancellation decoding. A key aim of this study was to analyze the performance of the proposed link adaptation scheme in the non-asymptotic regime (finite block-length and discrete constellation signaling), and evaluate the spectral efficiency (SE) against the theoretical assumptions of asymptotically large block-lengths. An additional SE comparison with a non-cooperative two-hop relay transmission and point-to-point transmission strategy is also presented. The resulting outcomes reveal the SE gains that can be had by exploiting physical layer cooperation between the relay and base station

Le domaine des transports intelligents repose sur une infrastructure robuste de communication véhiculaire, essentielle à la gestion du trafic, à la surveillance des routes, à l'accessibilité à l'Internet des objets (IoT) et aux informations des conducteurs/passagers. Alors que la norme conventionnelle IEEE802.11p a longtemps dominé ce domaine, l'avènement de la 5G et de ses successeurs marque un changement de paradigme.Cette thèse représente une exploration complète des technologies 5G et au-delà spécifiquement adaptées aux exigences uniques de la communication véhicule-à-tout (V2X). L'objectif principal est une analyse méticuleuse de la technologie Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) et des schémas de modulation multiporteuse (MCM) dans le contexte des applications V2X de nouvelle génération. Au cœur de cette exploration se trouve la recherche de stratégies de conception PHY/MAC (couches physique et de contrôle d'accès au support) transversales visant à élever les performances.Le parcours de recherche commence par une vue d'ensemble introductive, plongeant dans le contexte historique et la pertinence des communications V2X, accompagnée d'un examen des diverses exigences des groupes de cas d'utilisation V2X. Ce travail préliminaire combine des connaissances issues d'organisations normatives et des dernières publications, offrant une vue d'ensemble complète du paysage historique de la communication véhiculaire.Ensuite, la thèse navigue dans le paysage contemporain, mettant l'accent sur l'application des technologies 5G aux différents cas d'utilisation V2X. Elle cartographie la relation entre les groupes de cas d'utilisation V2X et les technologies habilitantes tout en explorant l'architecture hiérarchique 5G V2X. Cette exploration fait le lien entre les exigences actuelles de communication, les normes existantes et les directions de recherche ouvertes ainsi que les défis imminents.Le cœur de la thèse tourne autour de l'exploration des implications des schémas NOMA et MCM dans les applications V2X de prochaine génération. La culmination de cette recherche se manifeste dans un paradigme de conception transversale axé sur l'amélioration des performances et de l'adaptabilité des systèmes de communication cellulaires véhiculaires à tout (C-V2X). En disséquant les mécanismes NOMA au sein des couches physique et de contrôle d'accès au support (PHY/MAC), cette étude démontre des améliorations substantielles des performances de débit par rapport aux systèmes d'accès multiple orthogonal (OMA) conventionnels.Les résultats de cette thèse aspirent à contribuer à des solutions avancées pour les futurs systèmes de transport autonomes et connectés, avec un accent spécifique sur l'amélioration des performances des couches physique et d'accès au support dans des scénarios V2X sophistiqués
The realm of intelligent transportation hinges upon robust vehicular communication infrastructure, vital for traffic management, road monitoring, Internet of Things (IoT) accessibility, and driver/passenger information. While the conventional IEEE802.11p standard has long dominated this domain, the advent of 5G and its successors marks a paradigm shift.This thesis represents a comprehensive exploration of 5G and beyond technologies specifically tailored to the unique demands of Vehicle-to-Everything (V2X) communication. The primary aim is a meticulous analysis of Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) technology and Multi-Carrier Modulation (MCM) schemes within the context of next-generation V2X applications. Central to this exploration is the pursuit of cross-layer PHY/MAC (Physical Layer/Medium Access Control) design strategies aimed at elevating performance benchmarks.The research journey begins with an introductory overview, delving into the historical context and relevance of V2X communications, accompanied by an examination of the diverse requirements across V2X use case groups. This foundational groundwork combines insights from normative organizations and the latest literature, providing a comprehensive overview of the historical landscape of vehicular communication.Subsequently, the thesis navigates the contemporary landscape, emphasizing the application of 5G enabling technologies to various V2X use cases. It maps the relationship between V2X Use Case Groups and Enabling Technologies while exploring the Hierarchical 5G V2X high-level architecture. This exploration bridges current communication requirements and existing standards with open research directions and impending challenges.The core of the thesis revolves around the exploration of NOMA and MCM schemes' implications within next-generation V2X applications. The culmination of this research manifests in a cross-layer design paradigm focusing on the enhancement of performance and adaptability within cellular vehicle-to-everything (C-V2X) communication systems. By dissecting NOMA mechanisms within the Physical/Medium Access Control (PHY/MAC) layers, this study demonstrates substantial throughput performance improvements compared to conventional Orthogonal Multiple Access (OMA) systems.The outcomes of this thesis aspire to contribute advanced solutions for future autonomous and connected transport systems, with a specific emphasis on the enhancement of physical and medium access layer performance within sophisticated V2X scenarios

Les réseaux sans fil de la cinquième génération (5G) et au-delà (B5G), devraient être très hétérogènes, multicouches, et dotés d’une intelligence intégrée à la fois au cœur et à la périphérie du réseau. Dans un tel contexte, l’évaluation des performances au niveau du système revêtira une importance cruciale pour formuler des enseignements judicieux sur les compromis qui régissent un tel système complexe et ainsi prévenir le besoin de simulations logicielles coûteuses et fastidieuses. Au cours de la dernière décennie, la géométrie stochastique est considérée comme un puissant outil d’analyse permettant d’évaluer les performances des réseaux sans fil au niveau du système et de cerner leur tendance à l’hétérogénéité. Cette thèse examine les nouveaux modèles et techniques de la géométrie stochastique développés au cours de la précédente décennie en matière de modélisation et d’analyse des réseaux sans fil du futur. Les discussions sont suffisamment affinées pour être accessibles aux lecteurs peu spécialisés et faire en sorte que les lecteurs débutants, intermédiaires ou avancés puissent se familiariser rapidement avec ce domaine de recherche. Ensuite, nous nous appuyons sur la géométrie stochastique pour examiner plusieurs aspects des réseaux sans fil 5G et B5G, afin d’illustrer sa flexibilité mathématique et sa capacité à saisir l’analyse de scénarii peu conventionnels. Nous discutons également de nouvelles perspectives qui apporteront un nouveau souffle à l’utilisation de la géométrie stochastique au cours de cette décennie cruciale. En bref, les discussions furent étendues à des thématiques plus larges telles que les communications optiques en espace libre (FSO), les communications en lumière visible, les systèmes de drones, l’architecture d’accès radio en brouillard (F-RAN), l’intelligence artificielle et l’apprentissage machine, ainsi que les communications moléculaires
Next generation wireless networks, i.e., fifth generation (5G) and beyond (B5G), are expected to be highly heterogeneous, multilayered, with embedded intelligence at both thecore and edge of the network. In such a context, system-level performance evaluation will be very important to formulate relevant insights into tradeoffs that govern such a complex system and then prevent the need for onerous and timeconsuming computer simulations. Over the past decade, stochastic geometry has emerged as a powerful analytical tool to evaluate system-level performance of wireless networks and capture their tendency towards heterogeneity. This dissertation reviews first novel stochastic geometry models and techniques developed during the last decade in modeling and analysis of modern wireless networks. The discussions are refined enough to be accessible for non-specialist readers and help new, intermediate, or advanced readers familiarize quickly with this field of research. Next, we leverage stochastic geometry frameworks to investigate several aspects of 5G and B5G wireless networks and then illustrate its mathematical flexibility and ability to capture the analysis of the rather unconventional scenarios. Also, new perspectives that will breathe new life into the use of stochastic geometry during this crucial decade are discussed. In a nutshell, extensive discussions were held on broader topics such as free space (FSO) optical communications, visible light communications, unmanned aerial vehicle systems, fog radio access architecture (F-RAN) , artificial intelligence and machine learning, and molecular communications

De nos jours, l’architecture du réseau mobile est en pleine évolution pour assurer la montée en débit entre les Centraux (CO) (réseaux coeurs) et différents terminaux comme les mobiles, ordinateurs, tablettes afin de satisfaire les utilisateurs. Pour faire face à ces défis du futur, le réseau C-RAN (Cloud ou Centralized-RAN) est connu comme une solution de la 5G. Dans le contexte C-RAN, toutes les BBUs (Base Band Units) sont centralisées dans le CO, seules les RRH (Remote Radio Head) restent situées à la tête de la station de base (BS). Un nouveau segment entre les BBUs et RRHs apparait nommé « fronthaul ». Il est basé sur des transmissions D-ROF (digital radio-overfiber) et transporte le signal radio numérique à un débit binaire élevé en utilisant le protocole CPRI (Common Public Radio Interface). En prenant en compte le CAPEX et l’OPEX, le projet ANR LAMPION a proposé la technologie RSOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) auto alimenté afin de rendre la solution plus flexible et s’affranchir d’émetteurs/récepteurs colorés dans le cadre de transmission WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network). Néanmoins, il est nécessaire d’ajouter un FEC (forward error corrector) dans la transmission pour assurer la qualité de service. Donc l’objectif de cette thèse est de trouver le FEC le plus adéquat à appliquer dans le contexte C-RAN. Nos travaux se sont focalisés sur l’utilisation de codes LDPC, choisis après comparaisons des performances avec les autres types de codes. Nous avons précisé les paramètres (rendement du code, taille de la matrice, cycle, etc.) nécessaires pour les codes LDPC afin d'obtenir les meilleures performances. Les algorithmes LDPC à décisions dures ont été choisis après considération du compromis entre complexités de circuit et performance. Parmi ces algorithmes à décision dures, le GDBF (gradient descent bit-flipping) était la meilleure solution. La prise en compte d’un CAN 2-Bit dans le canal nous a amené à proposer une variante : le BWGDBF (Balanced weighted GDBF). Des optimisations ont également été faites en regard de la convergence de l'algorithme et de la latence. Enfin, nous avons réussi à implémenter notre propre algorithme sur le FPGA Spartan 6 xc6slx16. Plusieurs méthodes ont été proposées pour atteindre une latence de 5 μs souhaitée dans le contexte C-RAN. Cette thèse a été soutenue par le projet ANR LAMPION (Lambada-based Access and Metropolitan Passive Optical networks)
Nowadays, the architecture of the mobile network is in full evolution to ensure the increase in terms of bit rate between the Central (CO) (core networks) and various terminals such as mobiles, computers, tablets in order to satisfy the users. To address these challenges of the future, the C-RAN (Cloud or Centralized-RAN) network is known as a 5G solution. In the C-RAN context, all BBUs (Base Band Units) are centralized in the CO, only the RRH (Remote Radio Head) remain at the head of the base station (BS). A new segment between BBUs and RRHs appears called "fronthaul". It is based on D-ROF (digital radio-overfiber) transmissions and carries the digital radio signal at a high bit rate using the Common Public Radio Interface (CPRI) protocol. Taking into account CAPEX and OPEX, the ANR LAMPION project has proposed the Self-seeded Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) technology in order to make the solution more flexible and overcome the need for colored transmitters / receivers in the context of PON-WDM (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network). Nevertheless, it is necessary to add a FEC (forward error corrector) in the transmission to ensure the quality of service. So the objective of this thesis is to find the most suitable FEC to apply in the C-RAN context. Our work has focused on the use of LDPC codes, chosen after performance comparisons with other types of codes. We have specified the parameters (code performance, matrix size, cycle, etc.) required for LDPC codes to obtain the best performance. Hard-decision LDPC algorithms were chosen after considering the tradeoff between circuit complexities and performance. Among these hard-decision algorithms, the GDBF (gradient descent bit-flipping) was the best solution. Taking into account a CAN 2-Bit in the channel led us to propose a variant: the BWGDBF (Balanced weighted GDBF). Optimizations have also been made with respect to the convergence of the algorithm and latency. Finally, we managed to implement our own algorithm on the Spartan FPGA 6 xc6slx16. Several methods have been proposed to achieve a latency of 5 μs desired in the C-RAN context. This thesis was supported by the project ANR LAMPION (Lambada-based Access and Metropolitan Passive Optical Networks)

Les travaux décrits dans cette thèse de doctorat visent à traiter les futures architectures de fourniture de services mobiles basés sur le cloud, à travers l'évolution des infrastructures réseau partant de Mobile Cloud Computing (MCC) au Mobile Edge Computing (MEC). Nous nous sommes essentiellement concentrés sur le concept Follow Me Cloud (FMC) comme une nouvelle stratégie de fourniture de services pour une meilleure expérience utilisateur et une utilisation efficace des ressources. Cela permet aux services basés sur le cloud de "suivre" leurs utilisateurs mobiles au cours de leurs déplacements à travers les technologies de réseau d'accès, tout en fournissant le service basé sur le cloud via le point de service le plus optimal au sein de l'infrastructure cloud. Plusieurs contributions sont proposées dans cette thèse, avec des évaluations à la fois en analyse théorique et en simulation scientifique.Premièrement, nous avons proposé une architecture alternative FMC qui permet: (i) d'ouvrir la conception FMC sur les technologies d'accès réseau mobile non-3GPP (ii) d'assurer l'interopérabilité entre différents domaines PMIPv6 permettant au MN une itinérance inter-domaines PMIPv6 avec une mobilité IP transparente ainsi qu'une continuité de session de service.(iii) d'offrir une architecture sans tunnel dans les situations d'itinérance de MN, en évitant ainsi toute surcharge supplémentaire liée aux tunnels dans la gestion de la mobilité. Le schéma proposé exploite la technologie SDN/OpenFlow et le protocole de gestion de la mobilité PMIPv6 en les intégrant dans un unique framework permettant de réaliser la vision FMC.Deuxièmement, pour aborder les problèmes d'évolutivité et de résilience dans les architectures SDN/OpenFlow centralisées de plan de contrôle, nous avons introduit une nouvelle conception d'un contrôleur SDN élastique et distribué adapté pour MCC et plus particulièrement pour les systèmes de gestion FMC. Nous avons illustré comment le nouveau schéma de plan de contrôle est distribué sur une architecture hiérarchique à deux niveaux, un premier niveau avec un seul contrôleur SDN global et un second niveau avec plusieurs contrôleurs SDN locaux. Ensuite, nous avons présenté les éléments constitutifs de notre nouvel framework de plan contrôle, le calcul de l'indicateur de performance (KPI) du système, et nous avons fixé l'objectif clé de notre conception visant à maintenir la valeur KPI du système dans une fenêtre de seuil prédéfinie. Enfin, nous avons démontré comment cet objectif est atteint en adaptant dynamiquement le nombre et l'emplacement des contrôleurs SDN locaux en utilisant la technologie NFV pour provisionner les contrôleurs SDN en tant que instances VNF (fonction réseau virtuelle) dans le cloud.Troisièmement, nous avons introduit le concept FMeC, exploitant les capacités offertes par la combinaison des architectures MEC et FMC dans le but de satisfaire aux exigences des systèmes automobiles 5G. Nous avons commencé par définir les éléments clés du concept FMeC permettant de fournir la technologie FMC en bordure des réseaux mobiles. Ensuite, nous avons présenté une projection de notre solution FMeC sur un cas d'utilisation de conduite automatisée intégrant l'industrie automobile aux infrastructures Telecom en vue de la vision automobile 5G future. Avec une focalisation sur les types de communications V2I/N, nous avons présenté la conception de notre architecture FMeC basée sur les technologies SDN/OpenFlow et les entités de l'infrastructure MEC dont les ressources sont mises en commun pour fournir un cloud de bordure fédéré. Enfin, nous avons présenté notre framework sensible à la mobilité pour le placement des services dans le cloud de bordure, ce dernier est fondé sur un ensemble d'algorithmes de base qui permettent d'atteindre les exigences de QoS de la conduite automatisée en termes de latence ultra-courte au sein du réseau 5G
This Ph.D. thesis aims to deal with the future delivery architectures of mobile cloud-based services, through network infrastructures evolving from Mobile Cloud Computing (MCC) to Mobile Edge Computing (MEC). We mainly focused on Follow Me Cloud (FMC) concept as a new service delivery strategy for improved user experience and efficient resource utilization. That enables cloud-based services to follow their mobile users during their movement across access network technologies and by delivering the cloud-service via the optimal service point inside the cloud infrastructure. Several contributions are proposed in this thesis and evaluated in both theoretical analysis and scientific simulation.First, we proposed an alternative FMC architecture that allows: (i) to open the FMC design on non-3GPP mobile network access technologies (ii) to provide interoperability among different PMIPv6 domains permitting MNs inter-PMIPv6 domain roaming with seamless IP mobility and service session continuity (iii) to offer a tunnel-free architecture in MNs roaming situation, avoiding any additional overhead associated with tunneling in mobility management. This proposed scheme leverage SDN/OpenFlow technology and PMIPv6 mobility management protocol by integrating them within a framework permitting to realize the FMC vision.Second, to address the scalability and resiliency concerns in centralized SDN/OpenFlow control plane architecture, we introduced a new design of an elastic distributed SDN controller tailored for Mobile Cloud Computing (MCC) and more notably for Follow Me Cloud (FMC) management systems. We illustrated how the new control plane scheme is distributed on two-level hierarchical architecture, a first level with a single global SDN controller and a second level with several local SDN controllers. Then, we presented the building blocks of our novel control plane framework, the system Key Performance Indicator (KPI) computation and set the key objective of our design aiming to keep the system KPI value within a predefined threshold window. Last, we proved how this goal is achieved by adapting the number of local SDN controllers and their locations in an elastic manner and deploying them as VNF instances on the cloud thanks to NFV technology.Third, we introduced FMeC concept, leveraging the intertwining of MEC and FMC architectures with the aim of sustaining requirements of the 5G automotive systems. We began by defining FMeC key concept elements permitting to provide FMC technology at the edge of mobile networks. Then, we presented an automated driving use case projection of our FMeC solution integrating automotive with Telco infrastructures towards the future 5G automotive vision. Focusing on the V2I/N communications types, we introduced our FMeC design architecture based on SDN/OpenFlow technologies and MEC infrastructure entities whose resources are pooled together to provide a federated edge clouds. Finally, we presented our mobility-aware framework for edge-cloud service placement based on a set of basic algorithms that permit achieving the automated driving QoS requirements in terms of ultra-short latency within 5G network

Le réseau d’accès optique est en plein essor, notamment avec le déploiement massif de Fiber to-the-home (FTTH) amenant la fibre jusqu’à l’usager et l’arrivée de la 5ème génération (5G) pour les communications mobiles. Sa démocratisation et l’évolution des usages d’Internet encourage la montée en débit au-delà des 10Gbit/s prévus avec le XG(S)-PON. Il existe de nombreuses solutions pour y parvenir. Dans cette thèse, la montée en débit du réseau d’accès optique passif (PON) sera étudiée sous trois axes :• L’utilisation du format de modulation PAM4 pour réutiliser les composants optiques et électrique sà 10GHz pour atteindre 25Gbit/s. Ce format de modulation à quatre niveaux d’amplitude, en plus d’avoir une meilleure efficacité spectrale que le NRZ couramment utilisé, permet l’introduction d’une structure de PON fonctionnant à deux débits. Au cours du chapitre traitant du PAM4, l’amplification optique sera étudiée pour améliorer les performances de budget optique. La dernière partie traite de l’extrapolation des résultats expérimentaux pour simuler une transmission PAM8.• Les propositions des industriels concernant la montée en débit, à travers trois prototypes. Le premier prototype concerne une application de la norme NG-PON2 et de son option PtP WDM. Le deuxième prototype démontre la faisabilité d’une transmission duobinaire à 25Gbit/s en bande latérale résiduelle. Le troisième et dernier prototype présentera une ébauche de solution pour réaliser le lien fronthaul pour la 5G mobile avec une technologiePtP WDM à 25Gbit/s par canal.• L’implémentation de l’égalisation dans le cadre du PON. Le traitement du signal est très utilisé dans les transmissions optiques du réseau de transport. Avec la montée en débit, son utilisation dans le réseau d’accès semble inévitable. Dans cette partie, les spécificités du PON et des transmissions point-à-multipoints sont étudiées pour proposer une implémentation d’égalisation en accord avec les contraintes de coûts du réseau d’accès et les contraintes liées à la topologie du réseau d’accès
The optical access network is booming, especially with the massive deployment of FTTH connecting clients’ home and antenna sites for the incoming 5G. The fiber’s popularization and the transformation of data consumption drive the bitrate growth. Many solutions are proposed. In this thesis, the passive optical network’s (PON) bitrate growth will be studied along three axes :• PAM4 to reuse 10GHz optoelectronical components to reach 25Gbit/s. This four levels modulation format is more bandwidth efficient than NRZ and it allows to transmit two bitratesas the same time on a PON tree. Within the first chapter, optical amplification is studied to enhance the optical budget for a PAM4 transmission. Last part of the chapter presents asimulation based on the real-time experiment to simulate PAM8.• Three vendors’ solutions for the throughput growth. The first prototype is based on theNG-PON2 standard and its PtP WDM option. The second prototype demonstrates how to transmit 25Gbit/s with duobinary and vestigial side band modulation. The last prototype illustrates a youthful solution for 5G fronthauling with a PtP WDM system transmitting at 25Gbit/s.• Equalization in PON’s context. Signal processing and equalization are common in optical transport links. With the throughput rising, equalization in access network seems indispensable. In the chapter, an implementation of equalization is proposed congruently with point-to-multipoints PON application and compliantly with access network’s cost needs and topology

Cette thèse porte sur les circuits par lesquels une fraction des intellectuels deviennent visibles (presse de qualité, revues intellectuelles, cercles de réflexion, lieux de conférences, émissions culturelles de radio et de télévision, maisons d’édition, etc.). Mêlant référence à la culture légitime, accessibilité et action, de tels circuits se sont développés au sortir des années 1970 jusqu’à s’imposer comme l’espace de la valeur publique des idées et de leurs porteurs.La thèse s’est donc intéressée aux enjeux de la visibilité pour les intellectuels durant la période allant des années 1970 au milieu des années 2010 et montre que les carrières de la reconnaissance externe ne se font pas après ou en dehors de l’université mais bien en même temps. Afin de rendre raison de cette configuration de la notoriété intellectuelle, nous avons eu recours ici à une approche sociohistorique et multiniveaux des circuits de la visibilité où il s’est agi d’appréhender leurs institutions, producteurs et publics. Or, les lieux de conférences savantes à destination d'un large public parce qu’ils occupent une place cardinale au sein des circuits de la visibilité intellectuelle se sont avérés une entrée particulièrement efficace pour en reconstituer empiriquement les filières qui se sont tissées entre les marges de l’université, la haute administration et les médias. Une ethnographie multisite des conférences (N=15) ayant abouti à un vaste corpus d’observations (N=97) a ainsi ouvert la voie à tout un ensemble d’explorations de ces circuits aux échelles micro et macro. À travers des immersions de longue durée et une observation participante ayant permis de collecter un matériau empirique conséquent (observations, entretiens et archives), nous nous sommes attaché à restituer la genèse puis la trajectoire d’institutions exemplaires (Beaubourg, le Collège international de philosophie et l’Université de tous les savoirs). Nous avons mené des entretiens avec les producteurs (N=18) et, en lien avec cette catégorie d'enquêtés, les intermédiaires culturels et leur personnel de renfort (N=9). Dans le registre qualitatif, nous avons également procédé à des analyses de controverses (Billeter / Jullien et Badiou / Finkielkraut). En outre, de nombreux traitements quantitatifs parmi lesquels des analyses factorielles et de réseaux ont été réalisés à partir d’une prosopographie des producteurs répartis entre sciences de la nature (N=64) et sciences humaines et sociales (N=195) suivant un échantillonnage représentatif de conférenciers. Pour ce qui est de la réception, la focale a été placée sur les auditeurs des conférences en diversifiant les méthodes d’investigation : aux observations collectées auprès du public durant toutes les phases des conférences, se sont ajoutés des entretiens (N=27) et plusieurs enquêtes par questionnaire conduites par nos soins au sein du Collège international de philosophie (N=330) et de l’Université de tous les savoirs (N=285, 157 et 183).Sur la base de ces différentes enquêtes, la thèse rend compte du monopole exercé par ces circuits de célébration culturelle dans l’accès à la notoriété publique des intellectuels ayant conduit à la formation d’un espace hétéronome où le capital social prime sur les espèces autonomes du capital culturel. Dès lors, cet espace et l’élite de l’esprit qui s’y trouve consacrée participent du renouvellement des modes de domination de la classe dominante depuis les années 1980. Si ce travail est un apport à la sociologie des intellectuels et des sciences, à celle des élites et des médias, à celle du goût et de la consommation culturels et aux réflexions méthodologiques autour de l’articulation des niveaux, il voudrait aussi contribuer à l’analyse des formes idéologiques et académiques de doxa intellectuelle
This thesis focuses on the channels through which a fraction of intellectuals become visible (quality press, intellectual journals, think tanks, conference venues, cultural radio and television broadcasts, publishing houses, etc.). Combining reference to legitimate culture, accessibility and action, such circuits developed at the end of the 1970s until they established themselves as the space for the public value of ideas and their carriers.The thesis therefore focused on the issues of visibility for intellectuals during the period from the 1970s to the mid-2010s and shows that careers in external recognition do not take place after or outside the university but rather at the same time. In order to explain this configuration of intellectual notoriety, we have resorted here to a sociohistorical and multilevel approach of the circuits of visibility where it is a question of apprehending their institutions, producers and audiences. However, the places of scholarly conferences intended for a large public because they occupy a cardinal place within the circuits of intellectual visibility have proven to be a particularly effective entry point for empirically reconstituting the channels that have been woven between the margins. academia, senior administration and the media. A multisite ethnography of the conferences (N = 15) which resulted in a large body of observations (N = 97) thus paved the way for a whole set of explorations of these circuits at the micro and macro scales. Through long-term immersions and a participant observation which made it possible to collect substantial empirical material (observations, interviews and archives), we endeavored to reconstruct the genesis and then the trajectory of exemplary institutions (Beaubourg, the International College of Philosophy and the University of all knowledge). We conducted interviews with producers (N = 18) and, in connection with this category of interviewees, cultural intermediaries and their back-up staff (N = 9). In the qualitative register, we also carried out analyzes of controversies (Billeter / Jullien and Badiou / Finkielkraut). In addition, many quantitative treatments, including factorial and network analyzes, were carried out based on a prosopography of producers divided between natural sciences (N = 64) and human and social sciences (N = 195) following a sampling representative of speakers. With regard to reception, the focus was placed on conference listeners by diversifying the investigation methods: to the observations collected from the public during all phases of the conferences, interviews were added (N = 27) and several questionnaire surveys conducted by us within the International College of Philosophy (N = 330) and the University of All Knowledge (N = 285, 157 and 183).On the basis of these various surveys, the thesis takes account of the monopoly exercised by these circuits of cultural celebration in the access to public notoriety of intellectuals which led to the formation of a heteronomous space where social capital takes precedence over autonomous species. cultural capital. Consequently, this space and the elite of the spirit which is devoted to it participate in the renewal of the modes of domination of the dominant class since the 1980s. If this work is a contribution to the sociology of intellectuals and sciences, to that of the elites and the media, to that of cultural taste and consumption and to methodological reflections around the articulation of levels, he would also like to contribute to the analysis of ideological and academic forms of intellectual doxa

La cinquième génération de réseaux cellulaires (5G) a été une véritable révolution des technologies du réseau d'accès radio et du réseau mobile de base, se présentant comme la génération de rupture qui permet la cohabitation d'applications et usages extrêmement diversifiés, unifiés au sein d'une même technologie. Néanmoins, la 5G n'est qu'un début : de nouveaux scénarios et défis émergent. Par conséquent, la communauté des chercheurs prépare le terrain pour les systèmes cellulaires au-delà de la 5G (B5G). À cet égard, plusieurs technologies habilitantes sont étudiées. Outre la radio intelligente, l'utilisation des mmWaves, la technologie MIMO massive, ou encore l'utilisation de full-duplex (FD). L'accès multiple non orthogonal (NOMA) est apparu comme une technologie prometteuse qui permet à plusieurs utilisateurs de partager les mêmes ressources et optimise ainsi l'allocation des ressources, réduit la latence, et améliore à la fois l'efficacité spectrale et énergétique. Ces avantages font de NOMA un candidat sérieux en tant que système d'accès multiple pour les futurs réseaux B5G, en particulier pour les applications de la eSanté. NOMA peut être combiné de manière flexible avec n'importe quelle technologie sans fil telle que la communication coopérative, le full-duplex (FD), mmWave et les modulations multi-porteuses (MCM).Cette thèse propose une étude approfondie de cette technologie émergente, en particulier le NOMA coopératif (CNOMA) qui est considéré comme une technologie prometteuse pour les systèmes sans fil B5G et des futurs réseaux de eSanté, en commençant par présenter ses principes de base ainsi que sa combinaison avec la technologie FD, la transmission MCM, l'apprentissage en profondeur, ainsi qu'à l'amélioration de la sécurité de la couche physique (PLS).Tout d'abord, cette thèse étudie les performances du taux d'erreur des systèmes FD-CNOMA avec les canaux d'évanouissement sans fil. De nouvelles expressions des taux d'erreur binaire sont dérivées. De plus, des analyses à SNR élevé sont effectuées, ce qui a montré que FD-CNOMA a un plancher d'erreur en raison des imperfections du SIC et des résidus des auto-interférences. Sur la base des expressions dérivées, un nouveau schéma de relais sélectif est proposé pour améliorer de manière opportuniste les performances du système, en utilisant la surcharge minimale d'informations d'état de canal (CSI).Deuxièmement, le CNOMA basé sur MCM est examiné sous des canaux doublement sélectifs. Dans le contexte de la eSanté, cela peut être projeté sur les cas d'utilisation d'urgence en ambulance. Plus important encore, cette thèse présente une méthode d'amélioration des performances pour les utilisateurs lointains des systèmes MCM-NOMA avec un SIC imparfait et CSI imparfait sous des canaux sans fil doublement sélectifs. Deux schémas efficaces d'annulation d'interférence sont proposés pour améliorer le CNOMA basé sur MCM. Les schémas proposés sont robustes pour des scénarios de mobilité élevée avec une complexité de calcul relativement faible.Troisièmement et enfin, les progrès de l'apprentissage profond basé sur les réseaux de neurones (DNN) ont attiré une grande attention dans la communauté des communications sans fil (WCS). L'apprentissage profond a trouvé un large éventail d'applications dans les systèmes sans fil. Cependant, les DNN sont connus pour être très sensibles aux attaques contradictoires. De nombreuses attaques contradictoires robustes visant des systèmes sans fil basés sur les DNN ont été proposées dans la littérature. Cela devient un défi majeur pour la sécurité de la couche physique (PLS). Pour surmonter cette vulnérabilité, cette thèse propose une nouvelle technique de défense dont l'objectif est de protéger la victime sans dégrader la précision de son modèle de base en l'absence d'attaque. Les résultats obtenus sont très prometteurs et confirment que la technique de défense proposée peut améliorer la PLS d'une manière significative
The fifth generation of cellular networks (5G) was a real revolution in radio access technologies and mobile networks, presenting itself as the breakthrough generation that allowed the coexistence of extremely diversified applications and usage scenarios, unified under the same standard. Nevertheless, 5G is just the beginning: new scenarios and challenges are emerging. Therefore, the research community is pushing the research ahead and preparing the ground for beyond 5G (B5G) cellular systems. In this regard, several enabling technologies are investigated. In addition to the cognitive radio (CR), mmWave, massive MIMO, or even the use of full-duplex (FD), non-orthogonal multiple access (NOMA) emerged as a promising technology that allows multiple users to share the same resource block and hence, optimizes resource allocation, reduces the end-to-end latency, and improves both spectrum and energy efficiencies. Those advantages make NOMA a serious candidate as a multiple access scheme for future B5G networks, especially for the demanding eHealth applications. Furthermore, NOMA can be flexibly combined with any wireless technology such as cooperative communication, FD, mmWave, and multicarrier modulation (MCM).Motivated by this treatise, this thesis provides a comprehensive and intensive examination of this emerging technology, particularly, cooperative NOMA (CNOMA) which is considered a promising enabling technology for future B5G eHealth networks, from the basic principles to its combination with the full-duplex technology, MCM transmission, to deep learning as well as enhancing the physical layer security (PLS).First, this thesis investigates the error rate performance of FD-CNOMA systems over wireless fading channels. New closed-form expressions of the exact bit error rates (BER) are derived. Moreover, high-SNR analyses are conducted, which reveals that FD-CNOMA has an error floor due to the successive interference cancellation (SIC) imperfections and residual self-interference (RSI). Based on the derived expressions, a novel selective relaying scheme is proposed to opportunistically improve the system performance using the minimal channel state information (CSI) overhead.Second, the MCM-based CNOMA is examined under doubly selective channels encountered in vehicular and railway wireless communications. In the eHealth context, this can be projected to ambulance emergency healthcare use cases. More importantly, this thesis presents a performance improvement method for cell-edge users of MCM-NOMA systems with imperfect SIC and imperfect CSI under doubly selective wireless channels. Two efficient iterative interference cancellation schemes are proposed to enable user relaying for MCM-based CNOMA. The proposed schemes are robust for high mobility scenarios with a relatively low computational complexity.Third and last, advances in machine learning based on deep neural networks (DNNs) attracted great attention in the wireless communication community (WCS). It is regarded as a key component of B5G networks. Deep learning has found a broad range of applications in wireless systems, e.g., spectrum sensing, waveform design, SIC, and channel estimation. However, DNNs are known to be highly susceptible to adversarial attacks. Many robust over-the-air adversarial attacks against DNN-based WCS have been proposed in the literature. This is becoming a major challenge facing the physical layer security (PLS) of DNN-based WCS. To overcome this vulnerability, this thesis proposes a novel robust defense approach. The objective of our defense is to protect the victim without significantly degrading the accuracy of its baseline model in the absence of the attack. The obtained results are very promising and confirm that the proposed defense technique can enhance significantly the PLS of future DNN-based WCS

La recherche de nouvelles formes d'onde robustes, lorsque utilisées sur des canaux doublement sélectifs, est primordiale. De telles formes d'onde permettraient donc d'assurer des communications fiables pour les réseaux sans fil de nouvelle génération dans les scénarios de haute mobilité. Dans cette thèse, une nouvelle solution, le affine frequency division multiplexing (AFDM), est proposée. Cette nouvelle forme d'onde de type multichirps est basée sur la transformée de Fourier affine discrète (DAFT), une variante de la transformée de Fourier discrète caractérisée par deux paramètres pouvant être adaptés pour mieux faire face aux canaux doublement dispersifs. Cette thèse offre une enquête complète sur les principes de l'AFDM au sein des communications à haute mobilité. Elle fournit un aperçu de la relation explicite entrée-sortie dans le domaine DAFT, révélant l'impact conséquent des paramètres de l'AFDM. Le manuscrit détaille le réglage précis des paramètres DAFT qui permette d'assurer une représentation complète délai-Doppler du canal de propagation sans fil. À travers des démonstrations analytiques, il est affirmé que l'AFDM atteint de manière optimale l'ordre de diversité des canaux doublement dispersifs en raison de la représentation complète délai-Doppler du canal qu'il permet d'obtenir. La thèse propose également deux algorithmes de détection à faible complexité pour l'AFDM, tirant parti de la parcimonie inhérente du canal. Le premier est un détecteur de type minimum mean squared error (MMSE) à faible complexité basé sur la factorisation LDL. Le deuxième est un égaliseur de type decision feedback equalizer (DFE) à faible complexité basé sur la combinaison cohérente, grace à la méthode maximum ratio combining (MRC), de différentes copies des symboles d'entrée du canal ayant été altérés par différents trajets de ce dernier. De plus, la thèse présente une technique de type embedded d'estimation de canal pour les systèmes AFDM, exploitant la capacité de l'AFDM à obtenir une représentation complète délai-Doppler du canal. Dans cette approche, un seul symbole pilote est inséré dans le domain DAFT du symbole AFDM, et les interférences que ce pilote pourrait générer pour les symboles de donnée sont évitées par des intervalles de garde. Un algorithme pratique d'estimation de canal, compatible avec ce schéma de transmission de pilote et basé sur une approche de type approximate maximum likelihood (ML), est aussi proposé. La thèse est conclue en se penchant sur de possibles applications de l'AFDM au delà de celles conçues pour les environnements marqués par une haute mobilité, spécifiquement les applications de type integrated sensing and communication (ISAC) et les communications dans les bandes de hautes fréquences. Il est démontré que pour identifier tous les composants de délai et de Doppler liés au milieu de propagation, on peut utiliser soit le signal AFDM complet, soit seulement sa partie pilote constituée d'un symbole de domaine DAFT et de son intervalle de garde. De plus, la nature chirp de l'AFDM permet une annulation simple de l'auto-interférence, éliminant ainsi le besoin de méthodes coûteuses normalement nécessaires dans les systèmes full duplex. La thèse met également en évidence les bonnes performances de l'AFDM pour les communications sans fil dans les bandes de hautes fréquences sans ou avec mobilité, grâce à la répartition maximale du signal AFDM en temps et en fréquences, assurant un gain de couverture. Contrairement à d'autres formes d'onde, l'AFDM ne fournit pas seulement une répartition maximale temps-fréquences mais assure également une détection robuste et efficace et une résilience au décalage de fréquence de porteuse et au bruit de phase
In the realm of next-generation wireless systems (beyond 5G/6G), the vision is clear: to support a broad range of services and applications. This includes ensuring reliable communications in environments marked by high mobility, such as high-speed railway systems and various vehicular communications. Despite the deployment of various multicarrier techniques like orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) in standardized communication systems, the challenge persists. These techniques, while effective in time-invariant frequency selective channels, face performance degradation in high mobility scenarios due to the destruction of orthogonality among subcarriers caused by significant Doppler frequency shifts. Addressing this, the search for new, robust modulation techniques is paramount. It stands as a key area of investigation aiming to resolve the reliable communications issue for next-generation wireless networks within doubly-selective wireless channels. In this thesis, a novel solution, affine frequency division multiplexing (AFDM), is proposed. This new chirp-based multicarrier waveform is based on the discrete affine Fourier transform (DAFT), a variant of the discrete Fourier transform characterized with two parameters that can be adapted to better cope with doubly dispersive channels. This thesis provides a comprehensive investigation into the principles of AFDM within high mobility communications. It provides insight into the explicit input-output relation in the DAFT domain, unveiling the consequential impact of AFDM parameters. The manuscript details the precise setting of DAFT parameters, ensuring a full delay-Doppler representation of the channel. Through analytical demonstrations, it asserts that AFDM optimally achieves the diversity order in doubly dispersive channels due to its full delay-Doppler representation. The thesis also proposes two low-complexity detection algorithms for AFDM, taking advantage of its inherent channel sparsity. The first is a low complexity MMSE detector based on LDL factorization. The second is a low complexity iterative decision feedback equalizer (DFE) based on weighted maximal ratio combining (MRC) of the channel impaired input symbols received from different paths. Additionally, the thesis presents an embedded channel estimation strategy for AFDM systems, leveraging AFDM's ability to achieve full delay-Doppler representation of the channel. In this approach, an AFDM frame contains a pilot symbol and data symbols, with zero-padded symbols employed as guard intervals to prevent interference. A practical channel estimation algorithm based on an approximate maximum likelihood (ML) approach and compatible with this pilot scheme is also provided. The thesis concludes by delving into the expanded applications of AFDM, specifically in integrated sensing and communication (ISAC) and extremely high frequency (EHF) band communications. It is demonstrated that to identify all delay and Doppler components linked with the propagation medium, one can use either the full AFDM signal or only its pilot part consisting of one DAFT domain symbol and its guard interval. Furthermore, the chirp nature of AFDM allows for unique and simple self-interference cancellation with a single pilot, eliminating the need for costly full-duplex methods. The thesis also highlights AFDM's efficient performance in high-frequency bands (with or without mobility), where the maximal spreading of its signal in time and frequency ensures a coverage gain. Unlike other waveforms, AFDM not only provides maximal time-frequency spreading but also ensures robust and efficient detection, characterized by one-tap equalization and resilience to carrier frequency offset (CFO) and phase noise