Dans de nombreux scénarios de communication sans fil multiutilisateurs, une bonne rétroaction est un ingrédient essentiel qui facilite l'amélioration des performances. Bien qu'étant utile, une rétroaction parfaite reste difficile et fastidieuse à obtenir. En considérant ce défi comme point de départ, le principal objet de cette thèse s'applique à adresser la question simple et pourtant insaisissable et fondamentale suivante: "Quel niveau de qualité de la rétroaction doit-on rechercher, et à quel moment faut-il effectuer un envoi pour atteindre une certaine performance en degrés de liberté (DoF)". La présente étude réussit à décrire de manière concise les régions DoF dans un cadre très général, correspondant à un processus général de rétroaction qui, à tout moment, peut ou non fournir des informations sur l'état du canal au niveau de l'émetteur (CSIT) - d'une qualité arbitraire - pour toute réalisation passée, actuelle ou future du canal. Sous des hypothèses standard , et en supposant par ailleurs que l'on dispose d'un CSIT suffisamment bien retardé, l'effet de la qualité du CSIT offert à tout moment, pour presque tout type de canaux est étudié de manière précise. Ceci est réalisé dans le cadre MISO-BC à deux utilisateurs, puis est directement étendu aux cas des MIMO-BC et MIMO-IC. En outre différents aspects de communication avec rétroaction limitée sont considérés, ainsi que l'aspect CSI global au niveau des récepteurs, et l'aspect diversité. En plus de fournir des limites théoriques et des nouveaux encodeurs et décodeurs, l'étude s'applique à obtenir une meilleure comprehension sur plusieurs questions pratiques d'intérêt capital dans le domaine. / In many multiuser wireless communications scenarios, good feedback is a crucial ingredient that facilitates improved performance. While being useful, perfect feedback is also hard and time-consuming to obtain. With this challenge as a starting point, the main work of thesis seeks to address the simple yet elusive and fundamental question of ``HOW MUCH QUALITY of feedback, AND WHEN, must one send to achieve a certain degrees-of-freedom (DoF) performance''. The work manages to concisely describe the DoF region in a very broad setting corresponding to a general feedback process that, at any point in time, may or may not provide channel state information at the transmitter (CSIT) - of some arbitrary quality - for any past, current or future channel (fading) realization. Under standard assumptions, and under the assumption of sufficiently good delayed CSIT, the work concisely captures the effect of the quality of CSIT offered at any time, about any channel. This was achieved for the two user MISO-BC, and was then immediately extended to the MIMO BC and MIMO IC settings. Further work also considers different aspects of communicating with limited feedback, such as the aspect of global CSI at receivers, and the aspect of diversity. In addition to the theoretical limits and novel encoders and decoders, the work applies towards gaining insights on many practical questions.

Le spectre électromagnétique est une ressource naturelle dont l'usage doit être optimisé. Un grand nombre de travaux actuels visent à améliorer l'utilisation des fréquences radio en y introduisant un degré de flexibilité rendu possible par l'agilité en forme d'onde et en fréquence permise par la radio logicielle (SDR), ainsi que par les méthodes de traitement intelligent du signal (radio cognitive). Cette thèse se place dans ce contexte. Concrètement, nous considérons le problème de partage du spectre électromagnétique entre plusieurs utilisateurs sous contraintes d'interférence mutuelle. Notre objectif est de contribuer à l'évaluation du gain du partage de cette ressource rare qu'est le spectre électromagnétique. En étudiant le canal gaussien d'interférence avec l'interférence traitée comme du bruit additif gaussien aux différents récepteurs, nous avons trouvé une description géométrique et plusieurs caractérisations de la région des débits atteignables. Ensuite, considérant un cas plus réaliste où chaque utilisateur a une certaine qualité de service, nous avons trouvé une condition nécessaire et suffisante pour permettre la communication simultanée à travers le canal gaussien d'interférence pour deux utilisateurs. Dans un scénario de partage entre un utilisateur primaire ayant une plus grande priorité d'accès au spectre et un utilisateur secondaire, après avoir déterminé des bornes minimales pour le débit du primaire en fonction du schéma d'allocation de puissance de l'utilisateur secondaire, nous avons proposé une technique originale d'allocation de puissance pour l'utilisateur secondaire accédant de manière opportuniste au spectre sous contraintes de performance de coupure pour tous les utilisateurs. En particulier, cette technique d'allocation de puissance n'utilise que l'information sur l'état des canaux des liens directs allant de l'émetteur secondaire vers les autres points du réseau. Finalement, considérant des modèles de canaux plus réalistes; après avoir montré l'existence d'une zone d'exclusion autour du récepteur primaire (zone où il n'y a aucun transmetteur secondaire, dans le but de protéger l'utilisateur primaire contre les fortes interférences), nous avons caractérisé l'effet du shadowing et du path-loss sur cette zone d'exclusion du primaire. / In this thesis, we address the problem of spectrum-sharing for wireless communication where multiple users attempt to access a common spectrum resource under mutual interference constraints. Our objective is to evaluate the gains of sharing by investigating different scenarios of spectrum access. Studying the Gaussian Interference Channel with interferences considered as noise, we found a geometrical description and several characteristics of the achievable rate region. Considering a more realistic scenario, with each user having a certain QoS, we found necessary and sufficient condition to be fulfilled for simultaneous communication over the two-user Gaussian Interference Channel. Furthermore, we proposed two lower bounds for a single-primary-user mean rate, depending on the secondary user power control scheme. Specially, we investigated an original power control policy, for a secondary user, under outage performance requirement for both users and partial knowledge of the channel state information. Finally, considering a spectrums-haring with a licensee or primary user and several secondary or cognitive users, we showed the existence of an exclusive region around the primary receiver and we characterized the effects of shadowing and path-loss on this exclusive region (or no-talk zone).

Une qualité de service uniforme pour les utilisateurs mobiles et une utilisation distribuée du spectre représentent les ingrédients clés des réseaux cellulaires de prochaine génération. Dans ce but, la coopération au niveau de la couche physique entre les nœuds de l’infrastructure et les nœuds du réseau sans fil a émergé comme une technique à fort potentiel. La coopération s’appuie sur les propriétés de diffusion du canal sans fil, c’est-à-dire que la même transmission peut être entendue par plusieurs nœuds, ouvrant ainsi la possibilité pour les nœuds de s’aider à transmettre les messages à leur destination finale. La coopération promet aussi d’offrir une façon nouvelle et intelligente de gérer les interférences, au lieu de simplement les ignorer et les traiter comme du bruit. Comprendre comment concevoir ces systèmes radio coopératifs, afin que les ressources disponibles soient pleinement utilisées, est d’une importance fondamentale. L’objectif de cette thèse est de mener une étude du point de vue de la théorie de l’information, pour des systèmes sans fil pertinents dans la pratique, où les nœuds de l’infrastructure coopèrent en essayant d’améliorer les performances du réseau. Les systèmes radio avec des relais semi-duplex ainsi que les scénarios où une station de base aide à servir les utilisateurs mobiles associés à une autre station de base, sont les réseaux sans fil coopératifs étudiés dans cette thèse. Le but principal est la progression vers la caractérisation de la capacité de ces systèmes sans fil au moyen de dérivation de nouvelles bornes supérieures pour les performances et la conception de nouvelles stratégies de transmission permettant de les atteindre. / A uniform mobile user quality of service and a distributed use of the spectrum represent the key-ingredients for next generation cellular networks. Toward this end, physical layer cooperation among the network infrastructure and the wireless nodes has emerged as a potential technique. Cooperation leverages the broadcast nature of the wireless medium, that is, the same transmission can be heard by multiple nodes, thus opening up the possibility that nodes help one another to convey the messages to their intended destination. Cooperation also promises to offer novel and smart ways to manage interference, instead of just simply disregarding it and treating it as noise. Understanding how to properly design such cooperative wireless systems so that the available resources are fully utilized is of fundamental importance.The objective of this thesis is to conduct an information theoretic study on practically relevant wireless systems where the network infrastructure nodes cooperate among themselves in an attempt to enhance the network performance in many critical aspects, such as throughput, robustness and coverage. Wireless systems with half-duplex relay stations as well as scenarios where a base station overhears another base station and consequently helps serving this other base station's associated mobile users, represent the wireless cooperative networks under investigation in this thesis. The prior focus is to make progress towards characterizing the capacity of such wireless systems by means of derivation of novel outer bounds and design of new provably optimal transmission strategies.