Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et à la conception pratique de schémas de codage conjoint réseau/canal adaptés à différents scénarii de communications dans les réseaux sans fil. Contrairement aux hypothèses conventionnelles retenues dans la littérature (accès multiple orthogonal, absence d'erreurs sur certains liens), les caractéristiques de diffusion et de superposition des signaux propres au canal radio et la présence d'évanouissements lents et de bruit sur tous les liens sont prises en compte dans la formulation du problème et exploitées. Différentes stratégies de coopération au niveau du ou des relais sont examinées et comparées. Le point commun entre toutes ces stratégies est que le système doit fonctionner même en absence de coopération. Seuls le ou les relais et la destination sont informés d'une coopération. Ni les sources, ni le ou les relais ne connaissent l'état du canal à l'émission.
Le premier volet de la thèse porte sur le canal à accès multiple avec relais unique (slow fading MARC). Le problème du codage et décodage conjoint canal/réseau (JNCC/JNCD) est étudié sur un plan théorique et pratique. Différentes hypothèses au niveau de l'accès multiple (semi-orthogonal et non-orthogonal) et différents modes de fonctionnement du relais (half-duplex et full-duplex) sont envisagés. Une nouvelle stratégie de coopération adaptative (SDF pour selective decode and forward) est définie dans laquelle le relais calcule et retransmet une fonction déterministe des messages de sources qu'il a pu décoder sans erreur. Le ré-encodage, défini sur un corps fini (corps binaire), est également conçu de manière à assurer que la performance finale au niveau de la destination atteint bien un ordre de diversité 2.
Le modèle de canal MARC est par la suite étendu à plusieurs relais (slow fading MAMRC). Une analyse théorique est conduite et des nouveaux schémas JNCC/JNCD permettant de s'approcher des limites théoriques sont décrits. Afin d'assurer la diversité pleine, nous proposons de combiner un codage canal binaire et un codage réseau non-binaire.
Pour les deux types de canaux, nous montrons que l'interférence naturellement induite par la diffusion des signaux dans un environnement sans fil, n'est pas un inconvénient mais bien un avantage dès lors qu'on est en mesure de la traiter via des techniques de codage et de décodage sophistiquées (turbo codes et leur décodage, turbo détection). Les gains en termes de capacité (rapportée à une certaine probabilité de coupure) obtenus avec un accès multiple semi-orthogonal ou non-orthogonal sont substantiels comparés à un accès multiple orthogonal (référence).
Dans la dernière partie de la thèse, la stratégie de coopération SDF est comparée à deux autres stratégies de coopération s'appuyant sur un procédé de décodage-et-retransmission "souple" (sans prise de décisions intermédiaires) : l'une basée sur les rapports logarithmiques de probabilité a posteriori sur les bits codés et l'autre basée sur l'estimation de l'erreur quadratique moyenne (MSE). Nous vérifions que la stratégie de coopération SDF fonctionne bien dans la plupart des configurations, les stratégies de coopération souples n'améliorant légèrement les performances que dans certains cas extrêmes.

Pour certaines applications, le besoin de recourir à des communications furtives est essentiel, notamment pour des transmissions militaires. Le canal acoustique sous-marin est un milieu naturellement très bruité. Il est sujet à de nombreuses sources de bruits, de réfections et de réfractions des ondes acoustiques qui font apparaître des trajets multiples. En tenant compte de l'aspect multi-trajets du canal sous-marin et de l'émission d'ondes acoustiques peu détectables pour les besoins de notre application, nous avons proposé un système de transmission basé sur l'étalement de spectre par séquence directe et de l'accès multiple à répartition par codes. Nous avons présenté les récepteurs adaptés à cette méthode de transmission et nous avons étudié leurs performances pour des canaux multi-trajets avec de l'interférence multi-utilisateurs. La structure de ces récepteurs permet à la fois d'estimer les paramètres des canaux multi-trajets par l'application d'un banc de filtres adaptés aux signaux d'étalements des différents utilisateurs et de profiter de la diversité spatiale du canal sous-marin grâce à une recombinaison cohérente de l'énergie des différents trajets, après l'estimation du canal. L'estimation des temps des retards et des amplitudes sont obtenues à la sortie des filtres adaptés aux signaux des utilisateurs, au rythme symbole. Nous montrons qu'il est possible d'améliorer les performances du système en appliquant une méthode de suppression successive de l'interférence. Les résultats obtenus montrent que le système proposé permet de garantir de très bonnes performances à des rapports signal à bruit très faible, avec une convergence rapide en seulement trois étages d'itérations. Enfin, nous proposons d'introduire un codage de canal afin d'améliorer les performances en termes de robustesse grâce à des codes correcteurs d'erreurs. Certains des algorithmes développés au cours de cette thèse ont finalement été testés sur des données réelles, ce qui a permis notamment de démonter en pratique les bonnes performances du système. Le dépouillement des données réelles a permis de mettre en évidence le profil des canaux multi-trajets dans les zones d'expérimentation. Comme l'estimation du canal et la détection des signaux peuvent être coûteuses en temps de calcul, nous proposons de tenir compte du profil réel des canaux multi-trajets et de réduire le nombre des trajets à considérer selon la puissance du trajet principal d'une manière adaptative.

Les Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (STIC) continuent de progresser de façon spectaculaire dans tous les domaines de l'ingénierie ou de la production, des secteurs les plus traditionnels jusqu'aux industries de pointe. Les technologies mettant en oeuvre le traitement du signal et l'informatique permettant la mise au point de modèle de plus en plus réalistes, sont et seront à la base d'importantes innovations dans presque tous les secteurs de l'activité humaine : ingénierie, télécommunications, éducation, médecine, environnement, prévisions météorologiques, défense, transports, commerce et distribution, finance, loisirs, etc. Avec les outils de traitement et de modélisation, les STIC permettent également de nombreuses avancées dans les autres sciences : physique, chimie, biologie, sciences de la terre, sciences humaines ou sociales, etc. Dans le domaine des télécommunications, de nombreux secteurs sont concernés par l'apport de ces nouveaux outils. Dans le domaine du traitement de la parole, les performances des codeurs ont tendance à se dégrader au fur et à mesure que leurs débits diminuent, même si leurs conceptions font appel à des modèles de plus en plus sophistiqués. Le choix d'un codeur de parole est un compromis entre différents facteurs : qualité souhaitée, débit et complexité. En téléphonie acoustique numérique sous-marine, la portée dépend de la fréquence sachant que les fréquences élevées sont rapidement amorties. Des bas, très bas débits sont nécessaires pour atteindre des distances acceptables. On fera appel à des codeurs bas, voir très bas débits suivant la qualité de parole souhaitée. La montée en puissance des processeurs de signaux (Digital Signal Processor DSP), une puissance multipliée, par un facteur de l'ordre de 1000 dans les quinze dernières années, permet d'offrir aujourd'hui une large gamme de choix pouvant répondre à la plupart des situations rencontrées dans le domaine industriel. Après les codeurs temporels à hauts débits type MIC (64 kbits/s), MICDA DECT( Digital European Cordless Telephone 32 kbits/s), MIC bande élargie(64 kbits/s), les codeurs mixtes (paramétriques et temporels) à bas débits de type CELP{Code Excited Linear Prediction}} (4.8 kbits/s) ou MELP{Mixed Excited Linear Prediction}} (2.4 kbits/s), avec leurs nouveaux algorithmes de compression offrent de très bonne qualité de parole. La première partie de mes travaux de recherche a été consacrée au codage de source avec l'étude et le développement d'un codeur de type CELP (5,45 kbits/s) et à son implémentation sur un DSP{de type Motorola fréquence d'horloge 27 Mhz, 13.5 MIPS). Compte tenu des contraintes temps réel, l'intégration a été entièrement réalisée en langage d'assemblage, elle fait l'objet d'un chapitre dans le rapport final. Dans le domaine des communications numériques, après transmission sur un canal physique, le flux de données est entaché d'erreurs provenant de phénomènes d'évanouissements, d'interférences entre symboles, de bruits d'origines diverses (thermique, milieu, etc..). En codage canal, l'arrivée des systèmes itératifs, connus sous le nom de "Turbo Codes", avec les deux grandes familles, TCC (Turbo Codes Convolutifs) et TCB (Turbo Codes en Blocs), est à l'origine de nombreuses avancées permettant de récupérer l'information émise quasiment sans erreur dans les conditions de fonctionnement. Le codage de canal permet ainsi en réception, après égalisation éventuelle et démodulation, de corriger les erreurs de parcours avec un pourcentage de réussite très élevé. Les TCC et les TCB commencent à être intégrés dans différentes normes (satellites, communications mobiles, télévisions numériques etc.) et de nombreux travaux visent à les intégrer dans les secteurs les plus divers. Le département Signal et Communications de l'ENST-Bretagne s'intéresse plus particulièrement au TCB, à la fois à partir des codes BCH binaires, et des codes de Reed-Solomon RS. En 1996 j'ai commencé les premiers travaux d'intégration des TCB sur processeurs de signaux (DSP). Avec ses très grandes possibilités de parallélisme, l'option circuit permet d'atteindre des débits très élevés. L'option DSP apporte une très grande souplesse malgré son parallélisme limité et permet une évolutivité au niveau de l'intégration et de la mise à jour rapide des systèmes. Différents algorithmes ont été mis en oeuvre pour le décodage pondéré des TCB, à la fois de type BCH (Chase-Pyndiah, Chase-Hartmann-Rudolph-Nazarov) et de type RS (Chase-Pyndiah-Berlekamp-Massey), dans le cadre des thèses que j'ai co-encadrées et de différents travaux réalisés dans le cadre de contrats (SEEE-AM sur canal VLF-LF) ou de projets DS-GET (codage canal pour BLUETOOTH avec TCB, communications indoor sur canal 60 GHz. Les différents algorithmes ont été initialement développés en langage C en format flottant. Les implémentations{l'implémentation des codes RS est aujourd'hui en cours de développement dans le cadre d'un nouveau projet}, en format fixe, sur processeurs de signaux ont été optimisées en langage d'assemblage (DSP Motorola 56xxx, DSP Texas Instruments TMS320C6201) Avant de conclure un dernier chapitre est plus particulièrement consacré à la présentation d'une approche des activités temps réel. Il nous permet de présenter la téléphonie acoustique sous-marine et notamment les différentes plate-formes mises en oeuvre au cours des essais de 1994 et ceux de 2003 dans rade de Brest. Une plate forme temps réel d'essais de Turbo codes en blocs est également présentée. Son objectif est plus pédagogique. Un certain nombre de conclusions sont tirées en fin de rapport avant de présenter les perspectives pour la suite des travaux.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et à la conception pratique de schémas de codage conjoint réseau/canal adaptés à différents scénarii de communications dans les réseaux sans fil. Contrairement aux hypothèses conventionnelles retenues dans la littérature (accès multiple orthogonal, absence d'erreurs sur certains liens), les caractéristiques de diffusion et de superposition des signaux propres au canal radio et la présence d'évanouissements lents et de bruit sur tous les liens sont prises en compte dans la formulation du problème et exploitées. Différentes stratégies de coopération au niveau du ou des relais sont examinées et comparées. Le point commun entre toutes ces stratégies est que le système doit fonctionner même en absence de coopération. Seuls le ou les relais et la destination sont informés d'une coopération. Ni les sources, ni le ou les relais ne connaissent l'état du canal à l'émission.
Le premier volet de la thèse porte sur le canal à accès multiple avec relais unique (slow fading MARC). Le problème du codage et décodage conjoint canal/réseau (JNCC/JNCD) est étudié sur un plan théorique et pratique. Différentes hypothèses au niveau de l'accès multiple (semi-orthogonal et non-orthogonal) et différents modes de fonctionnement du relais (half-duplex et full-duplex) sont envisagés. Une nouvelle stratégie de coopération adaptative (SDF pour selective decode and forward) est définie dans laquelle le relais calcule et retransmet une fonction déterministe des messages de sources qu'il a pu décoder sans erreur. Le ré-encodage, défini sur un corps fini (corps binaire), est également conçu de manière à assurer que la performance finale au niveau de la destination atteint bien un ordre de diversité 2.
Le modèle de canal MARC est par la suite étendu à plusieurs relais (slow fading MAMRC). Une analyse théorique est conduite et des nouveaux schémas JNCC/JNCD permettant de s'approcher des limites théoriques sont décrits. Afin d'assurer la diversité pleine, nous proposons de combiner un codage canal binaire et un codage réseau non-binaire.
Pour les deux types de canaux, nous montrons que l'interférence naturellement induite par la diffusion des signaux dans un environnement sans fil, n'est pas un inconvénient mais bien un avantage dès lors qu'on est en mesure de la traiter via des techniques de codage et de décodage sophistiquées (turbo codes et leur décodage, turbo détection). Les gains en termes de capacité (rapportée à une certaine probabilité de coupure) obtenus avec un accès multiple semi-orthogonal ou non-orthogonal sont substantiels comparés à un accès multiple orthogonal (référence).
Dans la dernière partie de la thèse, la stratégie de coopération SDF est comparée à deux autres stratégies de coopération s'appuyant sur un procédé de décodage-et-retransmission "souple" (sans prise de décisions intermédiaires) : l'une basée sur les rapports logarithmiques de probabilité a posteriori sur les bits codés et l'autre basée sur l'estimation de l'erreur quadratique moyenne (MSE). Nous vérifions que la stratégie de coopération SDF fonctionne bien dans la plupart des configurations, les stratégies de coopération souples n'améliorant légèrement les performances que dans certains cas extrêmes. / With the rapid growth of wireless technologies, devices and mobile applications, the quest of high throughput and ubiquitous connectivity in wireless communications increases rapidly as well. Relaying is undoubtedly a key concept to provide coverage extension and capacity increase in wireless networks. Network coding, which allows the intermediate nodes to share their computation capabilities in addition to their resource and their power, has grabbed a significant research attention since its inception in information theory. It has become an attractive candidate to bring promising performance improvement, especially in terms of throughput, in relay-based cellular networks. Substantial research efforts are currently focused on theoretical analysis, implementation and evaluation of network coding from a physical layer perspective. The question is, what is the most efficient and practical way to use network coding in wireless relay-based networks, and whether it is beneficial to exploit the broadcast and multiple-access properties of the wireless medium to perform network coding. It is in such a context, that this thesis proceeds. In the first part of the thesis, the problem of Joint Network-Channel Coding (JNCC) for a Multiple Access Relay Channel (MARC) is investigated in the presence of multiple access interferences and for both of the relay operating modes, namely, half-duplex and full-duplex. To this end, three new classes of MARC, referred to as Half-Duplex Semi-Orthogonal MARC (HD-SOMARC), Half-Duplex Non-Orthogonal MARC (HD-NOMARC), and Full-Duplex Non-Orthogonal MARC (FD-NOMARC) have been introduced and studied. The relaying function in all of the classes is based on a Selective Decode-and-Forward (SDF) strategy, which is individually implemented for each source, i.e, the relay forwards only a deterministic function of the error-free decoded messages. For each class, an information-theoretic analysis is conducted, and practical coding and decoding techniques are proposed. The proposed coding schemes, perform very close to the outage limit for both cases of HD-SOMARC and HD-NOMARC. Besides, in the case of HD-NOMARC, the optimal allocation of the transmission time to the relay is considered. It is also verified that exploiting multiple access interferences, either partially or totally, results in considerable gains for MARC compared to the existing interference-avoiding structures, even in the case of single receive antenna. In the second part of the thesis, the network model is extended by considering multiple relays which help multiple sources to communicate with a destination. A new class of Multiple Access Multiple Relay Channel (MAMRC), referred to as Half-Duplex Semi-Orthogonal MAMRC (HD-SOMAMRC) is then proposed and analyzed from both information theoretic and code design perspective. New practical JNCC schemes are proposed, in which binary channel coding and non binary network coding are combined, and they are shown to perform very close to the outage limit. Moreover, the optimal allocation of the transmission time to the sources and relays is considered. Finally, in the third part of the thesis, different ways of implementing cooperation, including practical relaying protocols are investigated for the half-duplex MARC with semi-orthogonal transmission protocol and in the case of JNCC. The hard SDF approach is compared with two Soft Decode and Forward (SoDF) relaying functions: one based on log a posterior probability ratios (LAPPRs) and the other based on Mean Square Error (MSE) estimate. It is then shown that SDF works well in most of the configurations and just in some extreme cases, soft relaying functions (based on LAPPR or MSE estimate) can slightly outperform the hard selective one.