This thesis studies cooperative sensing and transmission in the context ofwireless sensor networks (WSNs). We especially focus on two means of cooperative sensing and transmission, namely, distributed source coding and relaying. We consider systems where the usefulness of the measured data is dependent on how old the data is and we therefore need low-delay transmission schemes. At first sight, the low-delay criterion may seem to be of little relevance, but it is this aspect in particular that distinguishes this thesis from many of the existing communication theoretic results, which often are asymptotic in the block lengths. The thesis is composed of an introductory part, discussing the fundamentals of communication theory and how these are related to the requirements of WSNs, followed by a part where the results of the thesis are reported in Papers A-H. Papers A-D study different scenarios for distributed source-channel coding. In Paper A, we consider transmission of correlated continuous sources and propose an iterative algorithm for designing simple and energy-efficient sensor nodes. In particular the cases of the binary symmetric channel as well as the additive white Gaussian noise channel are studied. In Paper B, the work is extended to channels with interference and it is shown that also in this case there can be significant power savings by performing a joint optimization of the system.Papers C and D use a more structured approach and propose side-information-aware source-channel coding strategies using lattices and sinusoids. In Paper E, we apply the methods we have used in joint source-channel coding to the famous Witsenhausen counterexample. By using a relatively simple iterative algorithm, we are able to demonstrate the best numerical performance known to date. For the case of systems with relays, we study the transmission of a continuous Gaussian source and the transmission of an uniformly distributed discrete source. In both situations, we propose algorithms to design low-delay source-channel and relay mappings. By studying the structure of the optimized source-channel and relay mappings, we provide useful insights into how the optimized systems work. These results are reported in Papers F and G. In Paper H, we finally consider sum-MSE minimization for the Gaussian multiple-input, multiple-output broadcast channel. By using recently discovered properties of this problem, we derive a closed-form expression for the optimal power allocation in the two-user scenario and propose a conceptually simple and efficient algorithm that handles an arbitrary number of users. Throughout the thesis we show that there are significant gains if the parts of the system are jointly optimized for the source and channel statistics. All methods that are considered in this thesis yield very low coding and decoding delays. In general, nonlinear mappings outperform linear mappings for problems where there is side-information available. Another contribution of this thesis is visualization of numerically optimized systems that can be used as inspiration when structured low-delay systems are designed. / The author changed name from Johannes Karlsson to Johannes Kron in January 2011. QC 20110512

Dans le contexte de l'Internet des Objets (IoT), on estime à plus de 10% la proportion de connections réalisées via les réseaux longue portée bas débit, représentant ainsi plusieurs milliards d’objet connectés. Afin de satisfaire les exigences en termes de sensibilité et de réduction du débit, deux approches sont généralement envisagées : l’approche bande étroite, et l’approche faible efficacité spectrale. En comparant les performances des systèmes existants à la limite théorique issue de la théorie de l'information et démontrée par Shannon, on constate qu’un gain en performance est atteignable, tout en travaillant toujours à de faibles niveaux de sensibilité. La théorie de l'information permet d'affirmer qu'un compromis entre l'efficacité spectrale et l'efficacité énergétique doit toujours être fait. Ainsi, une haute efficacité énergétique s'obtiendra au détriment d'une efficacité spectrale faible. A l'inverse, un système fonctionnant à une haute efficacité spectrale devra utiliser plus d'énergie pour transmettre le même nombre de bits et atteindre le même taux d'erreur.Ce travail s’intéresse à l’approche faible efficacité spectrale. En partant des modulations orthogonales, qui permettent d’atteindre la limite théorique de Shannon à des efficacités spectrales très faibles, et des processus turbo, qui atteignent d’excellentes performances à des efficacités spectrales élevées, l’utilisation conjointe d’une modulation orthogonale et d'un code correcteur associés à un récepteur itératif dans une technique dénommée Turbo-FSK est étudiée. Les différents paramètres de la technique sont optimisés en utilisant un outil classique des processus itératifs, l’Extrinsic Information Transfer (EXIT) chart. Les performances mesurées démontrent que la technique permet bien d’atteindre de très faibles niveaux de sensibilité et répond aux critères des réseaux longue portée bas débit. Cependant, la technique ne dispose de point de fonctionnement qu’à de très faibles valeurs d’efficacité spectrale : pour certaines applications ou si la portée nécessaire est réduite, il peut être bénéfique pour le système d’augmenter son efficacité spectrale. Ceci est rendu possible grâce à l’introduction d’une composante linéaire dans l’alphabet de modulation et d’un mécanisme de poinçonnage spécifique à la technique dans une version flexible appelée Coplanar Turbo-FSK. L’étude de l’influence des paramètres et des performances sur un canal à bruit blanc additif gaussien permet en effet de conclure sur la flexibilité de l’efficacité spectrale du système, tout en fonctionnant proche de la limite théorique. Finalement, l’étude jusqu’ici théorique est étendue à un contexte plus pratique, où des canaux sélectifs en fréquences sont considérés. Une encapsulation du système utilisant une architecture OFDM est considérée, et différentes mesures caractéristiques des systèmes de télécommunication sont évaluées. Les résultats sont confrontés à la solution Narrow-Band IoT proposée par l’organisme 3GPP et démontrent ici encore le potentiel de la solution Turbo-FSK pour les réseaux longue portée bas débit. / More than 10% of the Internet-of-Things (IoT) connections are expected to be realized through Low Power Wide Area (LPWA) networks, representing several billions of connected devices. Several industrial solutions have been developed and a standardization process is ongoing. The low levels of sensitivity and low data rate required for the long range communication are achieved by the means of two strategies: a narrow-band strategy and a low spectral efficiency strategy. Considering the limits of the information theory, additional gains in the communication's energy efficiency can be achieved. Nonetheless, a trade-off between spectral efficiency and energy efficiency should always be made. Reliable transmission with high energy efficiency will necessarily result in poor spectral efficiency, and in comparison, a system with a higher spectral efficiency has to consume more energy to transmit the same amount of bits with the same arbitrary level of error.This work considers the low spectral efficiency strategy. The combination of orthogonal modulations and a powerful channel code is studied. The scheme, so-called Turbo-FSK, associates the low spectral efficiency of Frequency Shift Keying (FSK) with the energy efficiency gain of a turbo receiver. Low levels of spectral efficiency can be achieved while optimizing the use of the available resource. The parameters of the scheme are optimized using a classic tool for iterative receivers, the Extrinsic Information Transfer (EXIT) chart. Performance of Turbo-FSK compared to existing LPWA solutions demonstrates the potential of the proposed solution to achieve low levels of sensitivity and to outperform existing schemes. However, the restrictions on low levels of spectral efficiency reduces the number of possible applications for the scheme. By introducing a linear component in the alphabet and a puncturing procedure, flexibility in spectral efficiency is achieved. A large range of spectral efficiencies can be obtained while maintaining performance close to the channel capacity theoretical limit. Eventually, more practical scenarios are considered for evaluating the performance of the scheme. Frequency selective channels are considered and an encapsulation in a Fast Fourier Transform (FFT) based system is implemented. Various indicators are studied and the Turbo-FSK scheme is compared to well-known technologies, such as schemes using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) associated with a powerful Forward Error Correction (FEC) scheme, namely Turbo Code (TC).

Les systèmes de navigation par satellites sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. De nouveaux besoins émergent, majoritairement en environnement urbain. Dans ce type d'environnement très obstrué, le signal reçu par l'utilisateur a subit des atténuations ainsi que des réfractions/diffractions, ce qui rend difficile la démodulation des données et le calcul de position de l'utilisateur. Les signaux de navigation par satellites étant initialement conçus dans un contexte d'environnement dégagé, leurs performances de démodulation sont donc généralement étudiées dans le modèle de canal de propagation AWGN associé. Or aujourd'hui ils sont utilisés aussi en environnements dégradés. Il est donc indispensable de fournir et d'étudier leurs performances de démodulation dans des modèles de canal de propagation urbain. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, le but final étant d'améliorer les performances de démodulation des signaux GNSS en milieux urbains, en proposant un nouveau signal. Afin de pouvoir fournir et analyser les performances de démodulation des signaux de navigation par satellite en milieux urbains, un outil de simulation a été développé dans le cadre de cette thèse : SiGMeP pour « Simulator for GNSS Message Performance ». Il permet de simuler la chaine entière d'émission/réception d'un signal de navigation par satellites et de calculer ses performances de démodulation en milieu urbain. Les performances de démodulation des signaux existants et modernisés ont donc été calculées avec SiGMeP en environnement urbain. Afin de représenter au mieux ces performances pour qu'elles soient le plus réalistes possibles, une nouvelle méthode adaptée au cas urbain est proposée dans ce manuscrit. Ensuite, pour améliorer ces performances de démodulation, l'axe de recherche s'est essentiellement porté sur le « codage canal ». Pour décoder l'information utile transmise, le récepteur calcule une fonction de détection à l'entrée du décodeur. Or la fonction de détection utilisée dans les récepteurs classiques correspond à un modèle de canal AWGN. Ce manuscrit propose donc une fonction de détection avancée, qui s'adapte au canal de propagation dans lequel l'utilisateur évolue, ce qui améliore considérablement les performances de démodulation, en ne modifiant que la partie récepteur du système. Enfin, dans le but de concevoir un nouveau signal avec de meilleures performances de démodulation en environnement urbain que celles des signaux existants ou futurs, un nouveau codage canal de type LDPC a été optimisé pour une modulation CSK. En effet, la modulation CSK est une modulation prometteuse dans le monde des signaux de type spectre étalé, qui permet de se débarrasser des limitations en termes de débit de données qu'impliquent les modulations actuelles des signaux de navigation par satellites. / Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are increasingly present in our everyday life. Further operational needs are emerging, mainly in urban environments. In these obstructed environments, the signal emitted by the satellite is severely degraded due to the many obstacles. Consequently, the data demodulation and the user position calculation are difficult. GNSS signals being initially designed in an open environment context, their demodulation performance is thus generally studied in the associated AWGN propagation channel model. But nowadays, GNSS signals are also used in degraded environments. It is thus essential to provide and study their demodulation performance in urban propagation channel models. It is in this context that this PhD thesis is related, the final goal being to improve GNSS signals demodulation performance in urban areas, proposing a new signal. In order to be able to provide and study GNSS signals demodulation performance in urban environments, a simulation tool has been developed in this PhD thesis context: SiGMeP for ‘Simulator for GNSS Message Performance'. It allows simulating the entire emission/reception GNSS signal chain in urban environment. Existing and modernized signals demodulation performance has thus been computed with SiGMeP in urban environments. In order to represent this demodulation performance faithfully to reality, a new methodology adapted to urban channels is proposed in this dissertation. Then, to improve GNSS signals demodulation performance in urban environments, the research axis of this thesis has focused on the ‘Channel Coding' aspect. In order to decode the transmitted useful information, the receiver computes a detection function at the decoder input. But the detection function used in classic receivers corresponds to an AWGN propagation channel. This dissertation thus proposes an advanced detection function which is adapting to the propagation channel where the user is moving. This advanced detection function computation considerably improves demodulation performance, just in modifying the receiver part of the system. Finally, in order to design a new signal with better demodulation performance in urban environments than one of existing and future signals, a new LDPC channel code has been optimized for a CSK modulation. Indeed, the CSK modulation is a promising modulation in the spread spectrum signals world, which permits to free from limitation sin terms of data rate implied by current GNSS signals modulations.

The availability of feedback from the receiver to the transmitter in a communication system can play a significant role. In this dissertation, our focus is specifically on binary or one-bit feedback. First, we study the problem of successive beam alignment for millimeter-wave channels where the receiver sends back only one-bit of information per beam sounding. The sparse nature of the channel allows us to interpret channel sounding as a form of questioning. By posing the alignment problem as a questioning strategy, we describe adaptive (closed-loop) and non-adaptive (open-loop) channel sounding techniques which are robust to erroneous feedback signals caused by noisy quantization. In the second part, we tightly characterize the capacity for two binary stochastic-adversarial mixed noise channels. Specifically, the transmitter (Alice) intends to convey a message to the receiver (Bob) over a binary symmetric channel (BSC) or a binary erasure channel (BEC) in the presence of an adversary (Calvin) who injects additional noise at the channel's input subject to a budget constraint. Calvin is online or causal in that at any point during the transmission, he can infer the bits being sent by Alice and those being received by Bob via a feedback link. Finally in the third part, we study the applicability of binary feedback for encoding and propose the framework of linearly adapting block feedback codes. We also prove a new result for Reed-Muller (RM) codes to demonstrate how an uncoded system can mimic a RM code under this framework, against remarkably large feedback delays.

La détection cohérente combinée avec le traitement du signal s’est imposée comme le standard pour les systèmes de communications optiques longue distance à 100 Gb/s (mono-porteuse) et au-delà. Avec l'avènement des convertisseurs numérique-analogique à haute vitesse et haute résolution, la génération de formats de modulation d'ordre supérieure avec filtrage numérique est devenue possible, favorisant l’émergence de transmissions à forte densité spectrale. En outre, la généralisation des liaisons non gérées en dispersion permet une modélisation analytique du canal optique et favorise l'utilisation d’outils puissants de la théorie de l'information et du traitement du signal. En se fondant sur ces outils, de nouveaux formats de modulation à entrelacement temporel dits hybrides et formats multidimensionnels sont étudiés et mise en oeuvre expérimentalement. Leur impact sur les algorithmes de traitement du signal et sur le débit d'information atteignable est analysé en détail. La conception de transpondeurs de prochaine génération à 400 Gb/ s et 1 Tb/s reposant sur des signaux à débit-symbole élevé est également étudiée. Ces systèmes sont intéressants pour réduire le coût par bit en augmentant la capacité émise par transpondeur. L'élaboration d'algorithmes de traitement du signal avancés associés à l’utilisation de composants optoélectroniques à l'état de l'art ont permis la démonstration d’expériences records: d’une part la première transmission mono-porteuse à 400 Gb/s sur une distance transatlantique (pour une efficacité spectrale de 6 b/s/Hz) d’autre part la première transmission à 1 Tb/s basée sur la synthèse en parallèle de plusieurs tranches spectrales (8 b/s/Hz) / Coherent detection in combination with digital signal processing is now the de facto standard for long-haul high capacity optical communications systems operating at 100 Gb/s per channel and beyond. With the advent of high-speed high-resolution digital-to-analog converters, generation of high order modulation formats with digital pulse shaping has become possible allowing the increase of system spectral efficiency. Furthermore, the widespread use of transmission links without in-line dispersion compensation enables elegant analytical optical channel modeling which facilitates the use of powerful tools from information theory and digital signal processing. Relying on these aforementioned tools, the introduction of time-interleaved hybrid modulation formats, multi-dimensional modulation formats, and alternative quadrature amplitude modulation formats is investigated in high-speed optical transmission systems. Their impact on signal processing algorithms and achievable information rate over optical links is studied in detail. Next, the design of next generation transponders based on high symbol rate signals operating at 400 Gb/s and 1 Tb/s is investigated. These systems are attractive to reduce the cost per bit as more capacity can be integrated in a single transponder. Thanks to the development of advanced signal processing algorithms combined with state-of-the-art opto-electronic components, record high-capacity transmission experiments are demonstrated: the first single carrier 400 Gb/s transmission over transatlantic distance (at 6 b/s/Hz) and the first 1 Tb/s net data rate transmission based on the parallel synthesis of multiple spectral slices (at 8 b/s/Hz)

[pt] Este trabalho apresenta um estudo sobre compressão de imagens de sensoriamento remoto para serem transmitidas através de um canal com ruído. As imagens são capturadas por um satélite de sensoriamento remoto e transmitidas a uma estação terrestre. A compreensão das imagens é necessária para se economizar banda e potência de transmissão. Algumas técnicas muito boas de compressão de imagens apresentam sérios problemas quando na presença de ruído. Assim, a técnica de quantização vetorial foi escolhida para ser utilizada neste trabalho. Utilizando-se a idéia de quantização vetorial multi-estágios, propões-se um esquema de compressão com remoção de médias, onde separa-se a informação contida na imagem para tratá-la de forma diferenciada, de acordo com a sua importância. É feita então uma análise sobre o projeto do enlace do satélite do sensoriamento remoto comparando-se o esquema utilizado atualmente com o esquema proposto. / [en] This thesis presents a study of remote sensing image compression to be transmitted over a noisy channel. The images are obtained by a remote sensing satellite and transmitting to an earth station. The compression is due to savings in bandwidth and transmitting power. Some of the most efficient image codecs presents serious problems in the presence of noise. So, the vector quantization technique was chosen to be used. Using the multi-stage vector quantization idea, a compression scheme with mean remove is proposed as a manner to separate and treat unequally the image information as its importance. An analysis on the design of the remote sensing satellite link is done with a comparison between the current scheme used the proposed one.

[pt] Este trabalho estuda o problema de compressão de imagens de sensoriamento remoto segundo a ótica da codificação conjunta fonte-canal. É analisado o desempenho de métodos baseados em quantização vetorial segundo o algoritmo LBG, principalmente o COVQ (Channel Optimized Vector Quantizer) bem como a quantização vetorial estruturada em árvore. Dentro desse contexto, são propostos 2 novos métodos para a resolução do problema: (1)Uma quantização vetorial estruturada em árvores que leva em conta a transmissão através de canais ruidosos, solução denominada COTSVQ (Channel-Design Tree Strutured Vecotr Quantizer), bem como (2) uma classe de métodos que se utiliza de códigos corretores de erro sobre a estrutura progressiva do TSVQ, de forma a proteger os dados de forma ativa durante a transmissão. Os dois métodos propostos podem ser combinados no mesmo compressor, de forma a originar uma classe ampla de compressores adaptados à transmissão por canais com ruído. São apresentados resultados que comparam os desempenhos dos métodos propostos com aqueles já existentes para uma análise de desempenho, na situação de transmissão via satélite de imagens captadas e comprimidas para uma taxa de 1,5bpp. Os resultados mostram que os métodos propostos são muito menos complexos que os já existentes, porém conseguindo atingir uma qualidade de imagem equivalente, ou, em alguns casos, superior. / [en] This work studies the problem of remote sensorng image compression by joint source-channel coding. The vector quantizer methods evaluated are those designed with the LBG algorithm, the COVQ (channel-optimized vector quantizer) algorithm as well as tree-structured vector quantizer. The noisy channel is modelled as a BSC. In this context, two news methods are proposed: (1) A tree- structures vector quantizer that considers the transmission through noisy channels (denominated CD-TSVQ), and (2) a new class of compressors that uses forward error- correcting codes over the TSVQ structure, as a way to actively protect data during the transmission. The twoproposed methods can be combined on the same compressor architecture, resulting in a vast class of compressors well-adapted to the transmission through noisy channels. Results allowing the comparision of the proposed methods with existing ones are presented. Performance evaluated in a scenery where images are compressed to be transmited at a rate of 1.5bpp. Results yield to the conclusion that the porposed methods are much less complex than the existing methods, yet achieve equivalent or, in some situations, improved performance.

Codage de réseau (NC) a gagné beaucoup d'attention de la recherche comme un candidat potentiel pour résoudre la demande de plus grande efficacité spectrale des communications modernes sans fil. De nombreux travaux de recherche ont étudié la performance des réseaux NC-aidés telles que le débit et la capacité de panne. Cependant, l'analyse de la NC dans des systèmes pratiques où NC est combiné avec d'autres techniques telles que le codage de canal est encore immature pour comprendre pleinement son potentiel de performance. Dans cette thèse, nous nous efforçons de concevoir des récepteurs de haute performance et d'analyser sa performance pour les réseaux de coopération réseau codé dans des scénarios pratiques. Tout d’abord, nous vous proposons deux Itératif Décodage de Réseau /Canal (IDRC) algorithmes pour le canal de relais d'accès multiple (MARC) avec deux systèmes de relais de notables nommés décodage-et-transfert et démoduler et transfert. L'algorithme du RIDC fonctionne sur la base de méthodes de décodage turbo-comme et réduit l'impact du problème de la propagation de l'erreur à l'aide d'un modèle de récepteur de canal courant. Tant parfaite information de la parfait CSI et imparfait CSI au côté récepteur sont étudiées. Nous proposons un procédé pratique qui transmet la version quantifiée des erreurs de décodage de relais à la destination. Il est démontré que les algorithmes proposés réaliser un gain de diversité complète et surpasse les solutions qui ne prennent pas soin de propagation d'erreur significative. Nous montrons également que le nombre de symboles pilotes ne concerne que le gain de codage, mais a un impact négligeable sur l'ordre de la diversité, alors que le niveau de quantification affecte à la fois la diversité et le gain de codage.Deuxièmement, nous proposons un Conjoint Décodage de Réseau/Canal Près Optimal (CDRCPO) algorithme pour le MARC qui permet d'analyser le taux de bits du système d'erreur (BER). L'algorithme de CDRCPO exécute le décodage de réseau et de décodage de canal en une seule étape de décodage du code superbe, qui se compose de tous les états de treillis de code individuel aux sources via NC. En outre, NC combiné avec la sélection de relais (RS) est considéré et l'ordre de diversité possible est étudié à l'aide de l'analyse de panne. Nous montrons analytiquement que la sélection de relais simple (SRS) permet toujours d'obtenir une ordonnance de la diversité et de la sélection de deux relais multiple (MRS) peut obtenir gain de diversité complète que lorsque le nombre de relais sélectionné dépasse le nombre de sources.En fin, nous proposons un protocole dit relais partielle d'améliorer l'efficacité spectrale pour le codage des réseaux de relais assisté canal. Forme-proche expression du BER et l'ordre de la diversité du système sont calculés pour le relais partiel. Nous montrons, par l'analyse et la simulation, qui avec un code convolutif bon, le relais partiel peut obtenir gain de diversité complète et même gain de codage que le classique (complet) relayer protocole fini région signal-sur-bruit alors qu'il obtient une meilleure utilisation du spectre. De plus, nous proposons un nouveau protocole basé sur le relais partiel dans les réseaux de coopération relayant opportunistes et montrons que ce protocole surpasse de manière significative la coopération sur la NC dans certaines circonstances. / Network coding (NC) has gained much research attention as a potential candidate to solve the demand for higher spectral efficiency of modern wireless communications. Many research papers have investigated the performance of NC-aided networks such as throughput and outage capacity. However, the analysis of NC in practical systems where NC is combined with other techniques such as channel coding is still immature to fully understand its potential performance. In this thesis, we aim to design high performance receivers and analyze its performance for network-coded cooperative networks in practical scenarios.Firstly, we propose two Iterative Network/Channel Decoding (INCD) algorithms for the Multiple-Access Relay Channel (MARC) with two notable relaying schemes named Decode-and-Forward (DF) and Demodulate-and-Forward (DMF). The INCD algorithm operates based on turbo-like decoding methods and reduces the impact of the error propagation problem with the aid of a channel-aware receiver design. Both perfect Channel State Information (CSI) and imperfect CSI at the receiver side are investigated. We propose a practical method that forwards the quantized version of the relay decoding errors to the destination. It is shown that the proposed algorithms achieve full diversity gain and significantly outperforms solutions which do not take care of error propagation. We also show that the number of pilot symbols affects only the coding gain but has a negligible impact on the diversity order, while the quantization level affects both the diversity and coding gain.Secondly, we propose a Near Optimal Joint Network/Channel Decoding (NOJNCD) algorithm for the MARC that allows to analyze the system Bit Error Rate (BER). The NOJNCD algorithm performs network decoding and channel decoding in one decoding step of the super code, which comprises of all trellis states of individual code at the sources via NC. Furthermore, NC combined with Relay Selection (RS) is considered and the achievable diversity order is studied with the aid of outage analysis. We analytically show that Single Relay Selection (SRS) always achieves a diversity order two and Multiple Relay Selection (MRS) can achieve full diversity gain only when the number of selected relays exceeds the number of the sources.Last but not least, we propose a so-called partial relaying protocol to improve the spectral efficiency for channel coding assisted relay networks. Closed-form expression of the BER and the system diversity order are computed for partial relaying. We show, by analysis and simulations, that with a proper Convolutional Code (CC), partial relaying can achieve full diversity gain and same coding gain as the classical (full) relaying protocol in finite signal-to-noise ratio region while it obtains a better spectrum usage. Moreover, we propose a new protocol based on partial relaying in opportunistic relaying cooperative networks and show that this protocol significantly outperforms the NC-based cooperation in some circumstances.

Ces travaux ont pour application la détection l'identification des signaux audio et particulièrement les signaux d'alarmes de voitures prioritaires. Dans un premier temps, nous proposons une méthode de détection des signaux d'alarme dans un environnement bruité, fondée sur des techniques d'analyse temps-fréquence des signaux. Cette méthode permet de détecter et d'identifier des signaux d'alarmes noyés dans du bruit, y compris pour des rapports signal à bruit négatifs. Puis nous proposons une quantification des signaux robuste aux bruits de transmission. Il s'agit de remplacer chaque niveau de bit d'un vecteur d'échantillons temporels ou fréquentiels par un mot binaire de même longueur fourni par un codeur correcteur d'erreur. Dans une première approche, chaque niveau de bits est quantifié indépendamment des autres selon le critère de minimisation de la distance de Hamming. Dans une seconde approche, pour réduire l'erreur de quantification à robustesse égale, les différents niveaux de bits sont quantifiés successivement selon un algorithme de type matching pursuit. Cette quantification donne aux signaux une forme spécifique permettant par la suite de les reconnaitre facilement parmi d'autres signaux. Nous proposons donc enfin deux méthodes de détection et d'identification des signaux fondées sur la quantification robuste, opérant dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel, par minimisation de la distance entre les signaux reçus restreints à leurs bits de poids fort et les signaux de référence. Ces méthodes permettent de détecter et d'identifier les signaux dans des environnements à rapport signal à bruit très faible et ceci grâce à la quantification. Par ailleurs, la première méthode, fondée sur la signature temps-fréquence, s'avère plus performante avec les signaux quantifiés. / This work targets the detection and identification of audio signals and in particular alarm signals from priority cars. First, we propose a method for detecting alarm signals in a noisy environment, based on time-frequency signal analysis. This method makes it possible to detect and identify alarm signals embedded in noise, even with negative signal-to-noise ratios. Then we propose a signal quantization robust against transmission noise. This involves replacing each bit level of a vector of time or frequency samples with a binary word of the same length provided by an error- correcting encoder. In a first approach, each bit level is quantized independently of the others according to the Hamming distance minimization criterion. In a second approach, to reduce the quantization error at equal robustness, the different bit levels are quantized successively by a matching pursuit algorithm. This quantization gives the signals a specific shape that allows them to be easily recognized among other signals. Finally, we propose two methods for detecting and identifying signals based on robust quantization, operating in the time domain or in the frequency domain, by minimizing the distance between the received signals restricted to their high-weight bits and the reference signals. These methods make it possible to detect and identify signals in environments with very low signal-to-noise ratios, thanks to quantization. In addition, the first method, based on the time-frequency signature, is more efficient with quantized signals.

Les systèmes de communication sans fil actuels évoluent vers un renforcement des réactivités des protocles de la gestion des ressources radio (RRM) et adaptation du lien radipe (FLA) afin d'optimiser conjointement les couches MAC et PHY. En parallèle, la technologie d'antenne multiples et turbo récepteurs avancés ont un grand potentiel pour augmenter l’efficacité spectrale dans les futurs systèmes de communication sans fil. Ces deux tendances, à savoir, l'optimisation inter couche et le traitement de turbo, nécessitent le développement de nouvelles abstractions de la couche PHY (aussi appelée méthode de prédiction de la performance) qui peuvent capturer les performances du récepteur itératif par itération pour permettre l'introduction en douceur de ces récepteurs avancés dans FLA et RRM.La thèse de doctorat revisite en détail l'architecture du turbo récepteur, plus particulièrement, la classe d'algorithme itératif effectuant la détection linéaire par minimisation d’erreur quadratique moyenne avec l'annulation d’interférence (LMMSE-IC). Ensuite, une méthode semi-analytique de prédiction de la performance est proposée pour analyser son l'évolution par la modélisation stochastique de chacun des composants. Intrinsèquement, la méthode de prédiction de la performance est subordonnée à la disposition de connaissance d’information d’état du canal au niveau du récepteur (CSIR), le type de codage de canal (code convolutif ou un code turbo), le nombre de mots de code ainsi que le type d’information probabilistic sur les bits codés réinjectée par le décodeur pour la reconstruction et l'annulation d'interférence à l'intérieur d’algorithme de LMMSE -IC itératif.Dans la deuxième partie, l’adaptation du lien en boucle fermée dans les systèmes MIMO codés basés sur les abstractions de la couche PHY proposées pour les récepteurs LMMSE -IC itératifs ont été abordés. Le schéma proposé d'adaptation de liaison repose sur un faible taux de rétroaction et exploite la sélection du précodeur spatiale (par exemple, la sélection d'antennes) et du schéma de modulation et de codage (MCS) de façon à maximiser le taux moyen soumis à une contrainte de taux d'erreur de bloc. Différents schémas de codage sont testés, tels qu’un codage parcourant tous les antennes où un codage par antenne. Les simulations montrent bien le gain important obtenu avec les turbo récepteurs comparée à celui d’un récepteur MMSE classique. / Current wireless communication systems evolve toward an enhanced reactivity of Radio Resource Management (RRM) and Fast Link Adaptation (FLA) protocols in order to jointly optimize the Media Access Control (MAC) and Physical (PHY) layers. In parallel, multiple antenna technology and advanced turbo receivers have a large potential to increase the spectral efficiency of future wireless communication system. These two trends, namely, cross layer optimization and turbo processing, call for the development of new PHY-layer abstractions (also called performance prediction method) that can capture the iterative receiver performance per iteration to enable the smooth introduction of such advanced receivers within FLA and RRM. The PhD thesis first revisits in detail the architecture of the turbo receiver, more particularly, the class of iterative Linear Minimum Mean-Square Error (soft) Interference Cancellation (LMMSE-IC) algorithms. Then, a semi-analytical performance prediction method is proposed to analyze its evolution through the stochastic modeling of each of the components. Intrinsically, the performance prediction method is conditional on the available Channel State Information at Receiver (CSIR), the type of channel coding (convolutional code or turbo code), the number of codewords and the type of Log Likelihood Ratios (LLR) on coded bits fed back from the decoder for interference reconstruction and cancellation inside the iterative LMMSE-IC algorithms. In the second part, closed-loop FLA in coded MIMO systems based on the proposed PHY-layer abstractions for iterative LMMSE-IC receiver have been tackled. The proposed link adaptation scheme relies on a low rate feedback and operates joint spatial precoder selection (e.g., antenna selection) and Modulation and Coding Scheme (MCS) selection so as to maximize the average rate subject to a target block error rate constraint. The cross antenna coding (the transmitter employs a Space-Time Bit-Interleaved Coded Modulation (STBICM) ) and per antenna coding (Each antenna employs an independent Bit-Interleaved Coded Modulation(BICM)) cases are both considered. The simulations clearly show the significant gain obtained with turbo receivers compared to that of a conventional MMSE receiver.