Les réseaux de 5ème génération se caractérisent par la communication directe entre machines (M2M) et l’Internet des Objets, un réseau unifié d’objets connectés. Dans ce contexte, les appareils communicants sont des décideurs autonomes qui coopérent, coordonnent leurs actions et se reconfigurent de manière dynamique enfonction de leur environnement. L’enjeu est de développer des algorithmes efficaces pour coordonner les actions des appareils autonomes constituant le réseau.La théorie de l’information nous permet d’étudier le comportement de long-terme des appareils grâce aux distributions de probabilité conjointes. En particulier, nous sommes intéressés par la coordination forte, qui exige que la distribution induite sur les suites d’actions converge en distance L^1 vers une distribution i.i.d. cible.Nous considérons un model point-à-point composé d’une source d’information, d’un encodeur, d’un canal bruité, d’un décodeur, d’une information commune et nous cherchons à coordonner les signaux en entrée et en sortie du canal avec la source et sa reconstruction.Nos premiers résultats sont des bornes intérieures et extérieure pour la région de coordination forte, c’est-à-dire l’ensemble des distributions de probabilité conjointes réalisables et la quantité d’information commune requise.Ensuite, nous caractérisons cette région de coordination forte dans trois cas particuliers: lorsque le canal est parfait, lorsque le décodeur est sans perte et lorsque les variables aléatoires du canal sont indépendantes des variables aléatoires de la source. L’étude de ce dernier cas nous permet de remettre en cause le principe de séparation source-canal pour la coordination forte. Nous démontrons également que la coordination forte offre “gratuitement” des garanties de sécurité au niveau de la couche physique.Par ailleurs, nous étudions la coordination sous l’angle du codage polaire afin de développer des algorithmes de codage implémentables. Nous appliquons la polarisation de la source de manière à créer un schéma de codage explicite qui offre une alternative constructive aux preuves de codage aléatoires. / 5G networks will be characterized by machine to machine communication and the Internet of Things, a unified network of connected objects. In this context, communicating devices are autonomous decision-makers that cooperate, coordinate their actions, and reconfigure dynamically according to changes in the environment.To do this, it is essential to develop effective techniques for coordinating the actions of the nodes in the network.Information theory allows us to study the long-term behavior of the devices through the analysis of the joint probability distribution of their actions. In particular, we are interested in strong coordination, which requires the joint distribution of sequences of actions to converge to an i.i.d. target distribution in L^1 distance.We consider a two-node network comprised of an information source and a noisy channel, and we require the coordination of the signals at the input and at the output of the channel with the source and the reconstruction. We assume that the encoder and decoder share a common source of randomness and we introduce a state capturing theeffect of the environment.The first objective of this work is to characterize the strong coordination region, i.e. the set of achievable joint behaviors and the required minimal rates of common randomness. We prove inner and outer bounds for this region. Then, we characterize the exact coordination region in three particular cases: when the channel is perfect, when the decoder is lossless and when the random variables of the channel are separated from the random variables of the source.The study of the latter case allows us to show that the joint source-channel separation principle does not hold for strong coordination. Moreover, we prove that strong coordination offers “free” security guarantees at the physical layer.The second objective of this work is to develop practical codes for coordination: by exploiting the technique of source polarization, we design an explicit coding scheme for coordination, providing a constructive alternative to random coding proofs.

Les codes polaires constituent une classe de codes correcteurs d’erreurs inventés récemment qui suscite l’intérêt des chercheurs et des industriels, comme en atteste leur sélection pour le codage des canaux de contrôle dans la prochaine génération de téléphonie mobile (5G). Un des enjeux des futurs réseaux mobiles est la virtualisation des traitements numériques du signal, et en particulier les algorithmes de codage et de décodage. Afin d’améliorer la flexibilité du réseau, ces algorithmes doivent être décrits de manière logicielle et être déployés sur des architectures programmables. Une telle infrastructure de réseau permet de mieux répartir l’effort de calcul sur l’ensemble des noeuds et d’améliorer la coopération entre cellules. Ces techniques ont pour but de réduire la consommation d’énergie, d’augmenter le débit et de diminuer la latence des communications. Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’implémentation logicielle des algorithmes de décodage de codes polaires et la conception d’architectures programmables spécialisées pour leur exécution.Une des caractéristiques principales d’une chaîne de communication mobile est l’instabilité du canal de communication. Afin de remédier à cette instabilité, des techniques de modulations et de codages adaptatifs sont utilisées dans les normes de communication.Ces techniques impliquent que les décodeurs supportent une vaste gamme de codes : ils doivent être génériques. La première contribution de ces travaux est l’implémentation logicielle de décodeurs génériques des algorithmes de décodage "à Liste" sur des processeurs à usage général. En plus d’être génériques, les décodeurs proposés sont également flexibles.Ils permettent en effet des compromis entre pouvoir de correction, débit et latence de décodage par la paramétrisation fine des algorithmes. En outre, les débits des décodeurs proposés atteignent les performances de l’état de l’art et, dans certains cas, les dépassent.La deuxième contribution de ces travaux est la proposition d’une nouvelle architecture programmable performante spécialisée dans le décodage de codes polaires. Elle fait partie de la famille des processeurs à jeu d’instructions dédiés à l’application. Un processeur de type RISC à faible consommation en constitue la base. Cette base est ensuite configurée,son jeu d’instructions est étendu et des unités matérielles dédiées lui sont ajoutées. Les simulations montrent que cette architecture atteint des débits et des latences proches des implémentations logicielles de l’état de l’art sur des processeurs à usage général. La consommation énergétique est réduite d’un ordre de grandeur. En effet, lorsque l’on considère le décodage par annulation successive d’un code polaire (1024,512), l’énergie nécessaire par bit décodé est de l’ordre de 10 nJ sur des processeurs à usage général contre 1 nJ sur les processeurs proposés.La troisième contribution de ces travaux est également une architecture de processeur à jeu d’instructions dédié à l’application. Elle se différencie de la précédente par l’utilisation d’une méthodologie de conception alternative. Au lieu d’être basée sur une architecture de type RISC, l’architecture du processeur proposé fait partie de la classe des architectures déclenchées par le transport. Elle est caractérisée par une plus grande modularité qui permet d’améliorer très significativement l’efficacité du processeur. Les débits mesurés sont alors supérieurs à ceux obtenus sur les processeurs à usage général. La consommation énergétique est réduite à environ 0.1 nJ par bit décodé pour un code polaire (1024,512) avec l’algorithme de décodage par annulation successive. Cela correspond à une réduction de deux ordres de grandeur en comparaison de la consommation mesurée sur des processeurs à usage général. / Polar codes are a recently invented class of error-correcting codes that are of interest to both researchers and industry, as evidenced by their selection for the coding of control channels in the next generation of cellular mobile communications (5G). One of the challenges of future mobile networks is the virtualization of digital signal processing, including channel encoding and decoding algorithms. In order to improve network flexibility, these algorithms must be written in software and deployed on programmable architectures.Such a network infrastructure allow dynamic balancing of the computational effort across the network, as well as inter-cell cooperation. These techniques are designed to reduce energy consumption, increase through put and reduce communication latency. The work presented in this manuscript focuses on the software implementation of polar codes decoding algorithms and the design of programmable architectures specialized in their execution.One of the main characteristics of a mobile communication chain is that the state of communication channel changes over time. In order to address issue, adaptive modulationand coding techniques are used in communication standards. These techniques require the decoders to support a wide range of codes : they must be generic. The first contribution of this work is the software implementation of generic decoders for "List" polar decoding algorithms on general purpose processors. In addition to their genericity, the proposed decoders are also flexible. Trade-offs between correction power, throughput and decodinglatency are enabled by fine-tuning the algorithms. In addition, the throughputs of the proposed decoders achieve state-of-the-art performance and, in some cases, exceed it.The second contribution of this work is the proposal of a new high-performance programmable architecture specialized in polar code decoding. It is part of the family of Application Specific Instruction-set Processors (ASIP). The base architecture is a RISC processor. This base architecture is then configured, its instruction set is extended and dedicated hardware units are added. Simulations show that this architecture achieves through puts and latencies close to state-of-the-art software implementations on generalpurpose processors. Energy consumption is reduced by an order of magnitude. The energy required per decoded bit is about 10 nJ on general purpose processors compared to 1nJ on proposed processors when considering the Successive Cancellation (SC) decoding algorithm of a polar code (1024,512).The third contribution of this work is also the design of an ASIP architecture. It differs from the previous one by the use of an alternative design methodology. Instead of being based on a RISC architecture, the proposed processor architecture is part of the classof Transport Triggered Architectures (TTA). It is characterized by a greater modularity that allows to significantly improve the efficiency of the processor. The measured flowrates are then higher than those obtained on general purpose processors. The energy consumption is reduced to about 0.1 nJ per decoded bit for a polar code (1024,512) with the SC decoding algorithm. This corresponds to a reduction of two orders of magnitude compared to the consumption measured on general purpose processors.

Les applications dans le domaine des communications numériques deviennent de plus en plus complexes et diversifiées. En témoigne la nécessité de corriger les erreurs des messages transmis. Pour répondre à cette problématique, des codes correcteurs d’erreurs sont utilisés. En particulier, les Codes Polaires qui font l’objet de cette thèse. Ils ont été découverts récemment (2008) par Arıkan. Ils sont considérés comme une découverte importante dans le domaine des codes correcteurs d’erreurs. Leur aspect pratique va de paire avec la capacité à proposer une implémentation matérielle de décodeur. Le sujet de cette thèse porte sur l’exploration architecturale de décodeurs de Codes Polaires implémentant des algorithmes de décodage particuliers. Ainsi, le sujet gravite autour de deux algorithmes de décodage : un premier algorithme de décodage à décisions dures et un autre algorithme de décodage à décisions souples.Le premier algorithme de décodage, à décisions dures, traité dans cette thèse repose sur l’algorithme par annulation successive (SC) comme proposé originellement. L’analyse des implémentations de décodeurs montre que l’unité de calcul des sommes partielles est complexe. De plus,la quantité mémoire ressort de cette analyse comme étant un point limitant de l’implémentation de décodeurs de taille importante. Les recherches menées afin de palier ces problèmes montrent qu’une architecture de mise à jour des sommes partielles à base de registres à décalages permet de réduire la complexité de cette unité. Nous avons également proposé une nouvelle méthodologie permettant de revoir la conception d’une architecture de décodeur déjà existante de manière relativement simple afin de réduire le besoin en mémoire. Des synthèses en technologie ASIC et sur cibles FPGA ont été effectués pour caractériser ces contributions. Le second algorithme de décodage, à décisions souples, traité dans ce mémoire, est l’algorithme SCAN. L’étude de l’état de l’art montre que le seul autre algorithme à décisions souples implémenté est l’algorithme BP. Cependant, il nécessite une cinquantaine d’itérations pour obtenir des performances de décodages au niveau de l’algorithme SC. De plus, son besoin mémoire le rend non implémentable pour des tailles de codes élevées. L’intérêt de l’algorithme SCAN réside dans ses performances qui sont meilleures que celles de l’algorithme BP avec seulement 2 itérations.De plus, sa plus faible empreinte mémoire le rend plus pratique et permet l’implémentation de décodeurs plus grands. Nous proposons dans cette thèse une première implémentation de cetalgorithme sur cibles FPGA. Des synthèses sur cibles FPGA ont été effectuées pour pouvoir comparer le décodeur SCAN avec les décodeurs BP de l’état de l’art.Les contributions proposées dans cette thèse ont permis d’apporter une réduction de la complexité matérielle du calcul des sommes partielles ainsi que du besoin général du décodeur en éléments de mémorisation. Le décodeur SCAN peut être utilisé dans la chaîne de communication avec d’autres blocs nécessitant des entrées souples. Cela permet alors d’ouvrir le champ d’applications des Codes Polaires à ces blocs. / Applications in the field of digital communications are becoming increasingly complex and diversified. Hence, the need to correct the transmitted message mistakes becomes an issue to be dealt with. To address this problem, error correcting codes are used. In particular, Polar Codes that are the subject of this thesis. They have recently been discovered (2008) by Arikan. They are considered an important discovery in the field of error correcting codes. Their practicality goes hand in hand with the ability to propose a hardware implementation of a decoder. The subject of this thesis focuses on the architectural exploration of Polar Code decoders implementing particular decoding algorithms. Thus, the subject revolves around two decoding algorithms: a first decoding algorithm, returning hard decisions, and another decoding algorithm, returning soft decisions.The first decoding algorithm, treated in this thesis, is based on the hard decision algorithm called "successive cancellation" (SC) as originally proposed. Analysis of implementations of SC decoders shows that the partial sum computation unit is complex. Moreover, the memory amount from this analysis limits the implementation of large decoders. Research conducted in order to solve these problems presents an original architecture, based on shift registers, to compute the partial sums. This architecture allows to reduce the complexity and increase the maximum working frequency of this unit. We also proposed a new methodology to redesign an existing decoder architecture, relatively simply, to reduce memory requirements. ASIC and FPGA syntheses were performed to characterize these contributions.The second decoding algorithm treated in this thesis is the soft decision algorithm called SCAN. The study of the state of the art shows that the only other implemented soft decision algorithm is the BP algorithm. However, it requires about fifty iterations to obtain the decoding performances of the SC algorithm. In addition, its memory requirements make it not implementable for huge code sizes. The interest of the SCAN algorithm lies in its performances which are better than those of the BP algorithm with only two iterations. In addition, its lower memory footprint makes it more convenient and allows the implementation of larger decoders. We propose in this thesis a first implementation of this algorithm on FPGA targets. FPGA syntheses were carried out in order to compare the SCAN decoder with BP decoders in the state of the art.The contributions proposed in this thesis allowed to bring a complexity reduction of the partial sum computation unit. Moreover, the amount of memory required by an SC decoder has been decreased. At last, a SCAN decoder has been proposed and can be used in the communication field with other blocks requiring soft inputs. This then broadens the application field of Polar Codes.