This dissertation addresses multi-layer optimization aspects of multiple input multiple output (MIMO) and deep learning-based communication systems. The initial focus is on the rate optimization for multi-user MIMO (MU-MIMO) configurations; specifically, multiple access channel (MAC) and interference channel (IC). First, the ergodic sum rates of MIMO MAC and IC configurations are determined by jointly integrating the error and overhead effects due to channel estimation (training) and feedback into the rate optimization. Then, we investigated methods that will increase the achievable rate for parallel Gaussian IC (PGIC) which is a special case of MIMO IC where there is no interference between multiple antenna elements. We derive a generalized iterative waterfilling algorithm for power allocation that maximizes the ergodic achievable rate. We verified the sum rate improvement with our proposed scheme through extensive simulation tests. Next, we introduce a novel physical layer scheme for single user MIMO spatial multiplexing systems based on unsupervised deep learning using an autoencoder. Both transmitter and receiver are designed as feedforward neural networks (FNN) and constellation diagrams are optimized to minimize the symbol error rate (SER) based on the channel characteristics. We first evaluate the SER in the presence of a constant Rayleigh-fading channel as a performance upper bound. Then, we quantize the Gaussian distribution and train the autoencoder with multiple quantized channel matrices. The channel is provided as an input to both the transmitter and the receiver. The performance exceeds that of conventional communication systems both when the autoencoder is trained and tested with single and multiple channels and the performance gain is sustained after accounting for the channel estimation error. Moreover, we evaluate the performance with increasing number of quantization points and when there is a difference between training and test channels. We show that the performance loss is minimal when training is performed with sufficiently large number of quantization points and number of channels. Finally, we develop a distributed and decentralized MU-MIMO link selection and activation protocol that enables MU-MIMO operation in wireless networks. We verified the performance gains with the proposed protocol in terms of average network throughput. / Doctor of Philosophy / Multiple Input Multiple Output (MIMO) wireless systems include multiple antennas both at the transmitter and receiver and they are widely used today in cellular and wireless local area network systems to increase robustness, reliability and data rate. Multi-user MIMO (MU-MIMO) configurations include multiple access channel (MAC) where multiple transmitters communicate simultaneously with a single receiver; interference channel (IC) where multiple transmitters communicate simultaneously with their intended receivers; and broadcast channel (BC) where a single transmitter communicates simultaneously with multiple receivers. Channel state information (CSI) is required at the transmitter to precode the signal and mitigate interference effects. This requires CSI to be estimated at the receiver and transmitted back to the transmitter in a feedback loop. Errors occur during both channel estimation and feedback processes. We initially analyze the achievable rate of MAC and IC configurations when both channel estimation and feedback errors are taken into account in the capacity formulations. We treat the errors associated with channel estimation and feedback as additional noise. Next, we develop methods to maximize the achievable rate for IC by using interference cancellation techniques at the receivers when the interference is very strong. We consider parallel Gaussian IC (PGIC) which is a special case of MIMO IC where there is no interference between multiple antenna elements. We develop a power allocation scheme which maximizes the ergodic achievable rate of the communication systems. We verify the performance improvement with our proposed scheme through simulation tests. Standard optimization techniques are used to determine the fundamental limits of MIMO communications systems. However, there is still a gap between current operational systems and these limits due to complexity of these solutions and limitations in their assumptions. Next, we introduce a novel physical layer scheme for MIMO systems based on machine learning; specifically, unsupervised deep learning using an autoencoder. An autoencoder consists of an encoder and a decoder that compresses and decompresses data, respectively. We designed both the encoder and the decoder as feedforward neural networks (FNNs). In our case, encoder performs transmitter functionalities such as modulation and error correction coding and decoder performs receiver functionalities such as demodulation and decoding as part of the communication system. Channel is included as an additional layer between the encoder and decoder. By incorporating the channel effects in the design process of the autoencoder and jointly optimizing the transmitter and receiver, we demonstrate the performance gains over conventional MIMO communication schemes. Finally, we develop a distributed and decentralized MU-MIMO link selection and activation protocol that enables MU-MIMO operation in wireless networks. We verified the performance gains with the proposed protocol in terms of average network throughput.

Les réseaux ad hoc de véhicules accueillent une multitude d’applications intéressantes. Parmi celles-ci, les applications d’info-divertissement visent à améliorer l’expérience des passagers. Ces applications ont des exigences rigides en termes de délai de livraison et de débit. De nombreuses approches ont été proposées pour assurer la qualité du service des dites applications. Elles sont réparties en deux couches : réseau et contrôle d’accès. Toutefois, ces méthodes présentent plusieurs lacunes. Cette thèse a trois volets. Le premier aborde la question du routage dans le milieu urbain. A cet égard, un nouveau protocole, appelé SCRP, a été proposé. Il exploite l’information sur la circulation des véhicules en temps réel pour créer des épines dorsales sur les routes et les connecter aux intersections à l’aide des nœuds de pont. Ces derniers collectent des informations concernant la connectivité et le délai, utilisées pour choisir les chemins de routage ayant un délai de bout-en-bout faible. Le deuxième s’attaque au problème d’affectation des canaux de services afin d’augmenter le débit. A cet effet, un nouveau mécanisme, appelé ASSCH, a été conçu. ASSCH collecte des informations sur les canaux en temps réel et les donne à un modèle stochastique afin de prédire leurs états dans l’avenir. Les canaux les moins encombrés sont sélectionnés pour être utilisés. Le dernier volet vise à proposer un modèle analytique pour examiner la performance du mécanisme EDCA de la norme IEEE 802.11p. Ce modèle tient en compte plusieurs facteurs, dont l’opportunité de transmission, non exploitée dans IEEE 802.11p. / The fact that vehicular ad hoc network accommodates two types of communications, Vehicle-to-Vehicle and Vehicle-to-Infrastructure, has opened the door for a plethora of interesting applications to thrive. Some of these applications, known as infotainment applications, focus on enhancing the passengers' experience. They have rigid requirements in terms of delivery delay and throughput. Numerous approaches have been proposed, at medium access control and routing layers, to enhance the quality of service of such applications. However, existing schemes have several shortcomings. Subsequently, the design of new and efficient approaches is vital for the proper functioning of infotainment applications. This work proposes three schemes. The first is a novel routing protocol, labeled SCRP. It leverages real-time vehicular traffic information to create backbones over road segments and connect them at intersections using bridge nodes. These nodes are responsible for collecting connectivity and delay information, which are used to select routing paths with low end-to-end delay. The second is an altruistic service channel selection scheme, labeled ASSCH. It first collects real-time service channels information and feeds it to a stochastic model that predicts the state of these channels in the near future. The least congested channels are then selected to be used. The third is an analytical model for the performance of the IEEE 802.11p Enhanced Distributed Channel Access mechanism that considers various factors, including the transmission opportunity (TXOP), unexploited by IEEE 802.11p.

Les réseaux ad hoc véhiculaires (VANETs) permettent le partage de différents types de données entre les véhicules, de manière collaborative. Dans cette thèse, nous nous sommes tout particulièrement intéressés aux applications de sûreté et de sécurité routière, dédiées à l'échange des informations sur l'état de l'environnement routier. Les contraintes de ces applications en termes de qualité de services sont des plus rigoureuses, car l'acheminent de leurs données doit être exhaustif et ne souffrir d'aucun retard pour assurer une information utile et en temps opportun au profit de tous les usagers concernés. Cet acheminement doit faire face aux difficultés induites par la dispersion et la forte mobilité des véhicules, l'absence ou l'insuffisance d'infrastructure, la densité variable du réseau, la surcharge en informations à envoyer et l'étendue des zones géographiques à couvrir. En effet, la problématique de diffusion des données dans les VANETs s'avère non-triviale et de nombreux verrous scientifiques doivent être levés pour permettre un support efficace, collaboratif et fiable pour les applications de sûreté et de sécurité routière.Plus précisément, nous aborderons la problématique de la dissémination collaborative en se posant trois questions : “comment disséminer les données ? À quel moment le faire ? Mais aussi quoi disséminer et comment inciter à le faire ? ” Nous avons apporté des réponses à travers les trois contributions de cette thèse. La première consiste à proposer une stratégie de dissémination efficace, qui soit adaptée à l'importance de l'information échangée et à sa durée de vie, permettant ainsi d'éviter un processus de diffusion intensif. Celui-ci est inapproprié dans ce cas de figure, car il génère de la congestion et beaucoup de redondance. Une étude de performances par simulation est réalisée, laquelle montre une diminution de 90% du taux de messages redondants par rapport au cas de la diffusion par inondation. Afin d'améliorer plus encore les performances du processus de diffusion des messages de sûreté, nous proposons, dans un second temps, un ordonnanceur pour l'accès au canal de communication qui a pour objectif de réduire le nombre de collisions dues aux synchronisations afférentes à l'utilisation du multi-canal dans le standard IEEE 802.11p/1609.4 et donc élever le taux de réception des données. Nous basons notre proposition sur la théorie de l'arrêt optimal, qui décide du moment opportun pour l'envoi d'une information en conciliant occupation du canal, efficacité de l'envoi et délai d'ajournement toléré par une information. Dans notre cas, la théorie de l'arrêt optimal est formulée par un processus de décision Markovien (MDP). Nous montrons ainsi par simulation une amélioration substantielle du taux de réception (de 25%) et une diminution importante des pertes (de 47%).Après s'être intéressé à l'aspect quantitatif des performances du réseau, nous nous intéresserons ensuite à l'amélioration de la fiabilité du processus de diffusion. Cette fiabilité est obtenue grâce à l'incitation des véhicules à la coopération et à l'exclusion des véhicules malicieux de celui-ci. Ceci est réalisé au travers de la proposition d'un modèle de confiance, inspiré des jeux de signaux. Le modèle crée une situation d'équilibre, tel que les différentes parties le composant ne soient pas tentées de le contourner, ainsi découle une auto-sélection des véhicules, laquelle est rapide et peu coûteuse. À notre connaissance, notre modèle est le seul à s'attaquer aux effets néfastes des deux types de véhicules, malicieux et égoïstes, en même temps. Comme précédemment, nous évaluons les performances de notre solution au travers d'une modélisation par une chaîne de Markov et divers jeux de simulation. Ceci a permis de montrer que 100% des véhicules malicieux sont exclus, avec le maintien d'un taux de coopération élevé dans le réseau, soit une amélioration de 42% / Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) allow sharing different kinds of data between vehicles in a collaborative way. In this thesis, we are particularly interested in road safety applications, designed for the exchange of information on road traffic and conditions. This kind of applications have strict Quality of Service (QoS) requirements, as data must be routed thoroughly and without any delays so for assuring the timely delivery of useful information to the drivers. In this context, data routing must face several issues raised by the high mobility and dispersion of vehicles, inadequate or completely lacking infrastructure, a variable network density, network saturation due to the large of information to deliver, and the size of the geographical areas to cover. Indeed, the problem of data dissemination in VANETs is non-trivial, and several research challenges must be solved in order to provide an efficient, collaborative, and reliable support for road safety applications. Specifically, we will address the problem of collaborative data dissemination through the following three questions: “How to perform data dissemination?”, “When should we do it?”, and “What must be disseminated?” We have provided answers to these questions through the three contributions of this thesis. Our first contribution is an efficient dissemination strategy, specifically tailored to the importance of the exchanged information as well as its lifespan, which is able to avoid the intensive dissemination process that generates network congestion and data redundancy. We confirm our statements and validate the performance of our solution by modeling it using a discrete-time Markov chain, which demonstrates the number of necessary retransmissions for all concerned vehicles to receive information. Moreover, we performed extensive simulations that show a reduction of up to 90% of redundant messages with respect to message flooding dissemination strategies. Next, in order to further improve the road safety message dissemination process, we propose a communications channel access scheduler, which aims at reducing the number of collisions caused by IEEE 802.11p/1609.4 multi-channel synchronizations, and thus improving the data reception rate. We base our solution on the optimal stopping theory, which chooses the right moment to send information by balancing the channel occupancy rate, the data delivery efficiency, and the maximum deferment delay tolerated by the information. To this end, we formulate the optimal stopping theory through a Markov decision process (MDP). We show through simulation-based evaluations an improvement of the reception rate of up to 25% and a reduction of up to 47% of message losses. Finally, after being interested in the quantitative aspect of network performance, we centered our efforts on improving the reliability of the dissemination process, which is obtained by motivating vehicles to cooperate and evicting malicious vehicles from the process. To this end, we propose a trust model inspired on signaling games, which are a type of dynamic Bayesian games. Through the use of our model, equilibrium is achieved, thus resulting in a fast and low-cost vehicle self-selection process. We define the parameters of our trust model through a discrete-time Markov chain model. To the best of our knowledge, our solution is the only existing solution that tackles the negative effects introduced by the presence of both malicious and selfish vehicles in a VANET. We evaluated the performance of our solution by modeling it using a Markov chain, and a set of simulations. Our results show that up to 100% of malicious vehicles are evicted while keeping a high cooperation rate, thus achieving an improvement of 42% when compared to other similar solutions

Les réseaux véhiculaires font l’objet de recherches actives aussi bien dans le domaine des réseaux que dans celui des transports. Le potentiel des réseaux véhiculaires à fournir des services comme l’information sur le trafic en temps réel ou sur les accidents font de cette technologie un domaine de recherche très important. Ces réseaux peuvent comporter des communications véhicule-à-véhicule (V2V), véhicule-à-infrastructure (V2I), ou une combinaison des deux. La norme IEEE 1609.4 est la spécification multicanal pour l’IEEE802.11p/WAVE des réseaux véhiculaires (VANETs). Elle utilise sept canaux, l'un étant un canal de contrôle (CCH) qui est écouté par les équipements de façon périodique, et les six autres canaux sont utilisés comme canaux de service (SCH). Elle définit également une division du temps en alternance entre les intervalles CCH et les intervalles SCH. L’objet de cette thèse de doctorat est d’évaluer les performances des réseaux VANETs dans le cas des communications véhiculaires sans infrastructure, et au niveau des couches inférieures du standard 802.11p. Dans la première partie, nous proposons une approche MAC d’allocation multicanal opportuniste dans un contexte sans infrastructure. Cette approche est conforme à la norme IEEE1609.4 -2010 de l'architecture WAVE pour un fonctionnement multicanal, et elle est conçue pour des applications de services de données (non urgentes), tout en assurant la transmission des messages de sécurité routière et des paquets de contrôle. Pour maintenir la qualité de service des deux types de messages (urgents et non-urgents) en exploitant la capacité du canal, deux solutions sont proposées. Dans la deuxième partie, lorsque le véhicule sélectionne son canal et contrôle son alternance temporelle entre CCH et SCH, il commence à transmettre ses paquets, en particulier sur le canal CCH, lesquels ont une durée de péremption. Nous présentons une approche visant à minimiser les collisions des émetteurs tout en évitant la contention de début d’intervalle, en particulier dans un contexte de densité élevée de véhicules. Même si les mécanismes proposés ci-dessus diminuent le taux de collision, il n’est pas possible de les supprimer complètement. Dans la troisième partie, nous traitons le problème des collisions entre les paquets diffusés sur le CCH, en particulier quand la charge des messages transmis dépasse la capacité du canal. Pour cela, nous proposons un nouveau mécanisme de codage réseau analogique adapté à la modulation QPSK pour les messages diffusés sur le CCH. Dans cette approche des symboles connus sont envoyés avant d'envoyer les paquets pour estimer les paramètres du canal et une solution explicite est utilisée pour inverser le système de la superposition de deux paquets / Vehicular networks are the subject of active research in the field of networks as well as transport. The potential for vehicular networks to provide services such as traffic information in real time or accident makes this technology a very important research domain. These networks may support vehicle-to-vehicle communications (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I), or a combination of both. The IEEE 1609.4 is the specification of multichannel operations for IEEE802 .11p/WAVE vehicular networks (VANETs). It uses seven channels; one being a control channel (CCH) which is listened periodically by the vehicles and the other six channels are used as service channels (SCH). It also defines a time division between alternating CCH and SCH intervals. The purpose of this thesis is to evaluate the performance of VANETs in the case of vehicular communications without infrastructure, and at the lower layers of IEEE 802.11p standard. In the first part, we propose an opportunistic multichannel MAC allocation in an environment without infrastructure. This approach is consistent with the standard IEEE1609.4 -2010/WAVE for a multi-channel operation, and it is designed for data services applications (non-urgent), while ensuring the transmission of road safety messages and control packets. To maintain the quality of service of the two types of messages (urgent and non-urgent) by exploiting the channel capacity, two solutions are proposed. In the second part, when the vehicle selects its channel and controls its temporal alternation between CCH and SCH, it starts transmitting its packets, particularly on the CCH, which have an expiration time. We present an approach to minimize collisions between transmitters while avoiding contention at the beginning of CCH interval, especially in a context of high vehicular density. Although the mechanisms proposed above reduce the collision rate, it is not possible to completely remove these collisions. In the third part, we address the problem of collisions between broadcast packets on the CCH, especially when the load of transmitted messages exceeds the channel capacity. For this purpose, we propose a new analog network coding mechanism adapted to QPSK modulation for broadcast messages on the CCH. In this approach, known symbols are sent before sending the packets to estimate the channel parameters and an explicit solution is used to reverse the system of the superposition of two packets