Adaptive and efficient radio resource sharing schemes for machine type communications underlying cellular networks

Algorithmes adaptatifs et efficaces de partage de ressources radio pour les communications de type MTC : cas de coexistence H2H/M2M L'Internet des objets (IoT) fait référence à la croissance continue des réseaux d'objets du quotidien qui s'interconnectent entre eux ou avec d'autres systèmes Internet via les capteurs sans fil qui y sont attachés. L'IoT promet un futur où des milliards de terminaux intelligents seront connectés et gérés via une gamme de réseaux de communication et de serveurs basés dans le cloud, permettant ainsi l'apparition d'un large spectre d’applications de surveillance et de contrôle. Les communications machine-à-machine (M2M), également connues sous le nom de “Machine-Type-Communication” (MTC) par les réseaux cellulaires, constituent une technologie clé permettant d'activer partiellement l'IoT. Les communications M2M sont un nouveau paradigme qui facilite la connectivité omniprésente entre une myriade de dispositifs sans ou avec intervention humaine limitée. La demande croissante de connectivité a mis au défi les opérateurs de réseau à concevoir de nouveaux algorithmes d'allocation de ressources radio pour gérer l'échelle massive des communications MTC.Contrairement aux technologies d'accès radio traditionnelles, adaptées aux communications usuelles, dites de humain-à-humain (H2H), l'objectif de cette thèse est de développer de nouvelles techniques de partage de ressources radio efficaces et adaptatives pour les MTC dans un scénario de coexistence H2H/M2M. Dans le cadre de cette thèse, notre première contribution consiste en la proposition d'un système d'accès multiple adapté pour résoudre à la fois les problèmes liés à la rareté des ressources radio, à la scalabilité et à la surcharge de la station de base (BS). À cette fin, nous proposons de décomposer les opérations de communication en les groupant. Ainsi, les MTC correspondent à des communications locales en liaison montante entre des dispositifs connus sous le nom de “Machine-Type-Device” (MTD), et un cluster head appelé “Machine-Type- Head” (MTH). Nous examinons ainsi la nécessité d'agréger la technologie M2M et le “dispositif-à-dispositif” (D2D), considéré comme composante majeure des réseaux cellulaires évolutifs du futur. Nous modélisons le problème de partage de ressources radio entre les MTDs et les utilisateurs H2H sous la forme d’un graphe biparti et développons un algorithme de partage de ressources radio pour MTC basé sur les graphes afin d’atténuer les interférences co-canal et donc améliorer l'efficacité du réseau. En outre, une solution semi-distribuée de faible complexité est développée pour atténuer la surcharge de communication d'une solution centralisée que nous proposons également. Ensuite, dans une deuxième contribution de cette thèse, nous nous intéressons à examiner comment les dispositifs M2M peuvent partager les ressources radio disponibles sans pour autant dégrader les performances des applications H2H. Par conséquent, nous proposons un système de partage de ressources efficace en terme de spectre et de puissance. Nous introduisons à l'algorithme de partage de ressources radio basé sur les graphes une fonction adaptative de contrôle de puissance utilisant l'un des deux mécanismes suivants : un contrôleur proportionnel intégral dérivé (PID) et la logique floue. Enfin, comme troisième contribution de cette thèse, nous développons un système de partage de ressources radio efficace en terme de puissance et entièrement distribué pour les MTC. Nous utilisons la théorie des jeux et modélisons le problème de partage de ressources par un jeu hybride où les dispositifs M2M rivalisent pour les ressources radio et basculent de façon opportuniste entre un jeu non-coopératif et un jeu coopératif. Une évaluation des performances des solutions dérivées dans le contexte des réseaux LTE est menée. Les résultats des simulations montrent que les solutions proposées ont un impact significatif sur la maximisation de l'efficacité de l'utilisation du spectre, l'atténuation de l'effet négatif sur les services H2H et la prolongation de la durée de vie des batteries des MTDs