L'objectif de cette thèse est de concevoir, implémenter et évaluer les algorithmes cross-layer pratiques. Nous nous concentrons sur la technologie LTE et les réseaux non coordonnés post-LTE où l'interférence est un enjeu majeur compte tenu des nouvelles tendances du trafic. L'objectif est d'allouer les ressources radio d'une manière efficace. Nous développons des modèles d'interférence mathématiques et informatiques qui nous permettent de comprendre le comportement de ces réseaux et nous appliquons une approche basée sur la théorie de l'information à différents scénarios d'interférence et caractéristiques du trafic. Nous avons essayé de s'approcher le plus possible de systèmes réels pour être en mesure de tester la faisabilité des techniques proposées. La thèse porte sur l'évaluation de la performance des scénarios d'interférence dans les réseaux 4G, en particulier celles qui découlent du déploiements de cellules de petite taille ("small cells"). Le travail dans cette thèse s'adresse également à l'analyse de l'allocation des ressources et la requête de répétition automatique hybride (HARQ) à redondance incrémentale pour les interférences sporadiques (de façon plus générale les canaux variables dans le temps) qui permet uniquement des informations partielles de l'état du canal à l'émetteur. Ce travail est ensuite appliquée à la conception d'ordonnanceur pour les stations de base LTE et inclut une analyse de performance pour les modems LTE réels. / The aim of this thesis is to design, implement and evaluate practical cross-layer algorithms. We focus on LTE and post-LTE uncoordinated networks where interference is a key issue given the new traffic patterns. The goal is to allocate the radio resources in an efficient way. We develop mathematical and computational interference models that allow us to understand the behavior of such networks and we apply an information-theoretic approach to different interference scenarios and traffic characteristics. We have tried to remain as close as possible to practical systems to be able to test the feasibility of the proposed techniques. The thesis deals with performance evaluation of interference scenarios in 4G networks, in particular those arising from small-cell deployments. The work in this thesis also deals with analysis of resource-allocation and incremental-redundancy based hybrid automatic repeat request (HARQ) for bursty interference (or more general time-varying channels) which allows for only partial channel state information at the transmitter. The work is then applied to practical scheduler design for LTE base stations and includes performance analysis for real LTE modems.

A drastic increase in traffic of mobile broadband is seen in the past few years, which is further accelerated by the increase in usage of smart phones and its applications. The availability of good smart phones and better data connectivity are encouraging mobile users to use video services. This huge increase in usage will pose a lot of challenges to the wireless networks. The wireless network has to become content aware in order to offer enhanced quality of video service through efficient utilization of the wireless spectrum. This thesis focuses on improving the Quality of Experience (QoE) for video transmission over Long Term Evolution (LTE) networks by imparting the content awareness to the system and providing unequal error protection for critical video packets. Two different schemes for the improvement of video quality delivery over LTE networks are presented in this thesis. Using content awareness, the retransmission count of Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) are changed dynamically such that the most important video frame gets more number of retransmission attempts, which increases its success for delivery in-turn increasing the received video quality. Since Radio Link Control (RLC) is the link layer for radio interface, the second approach focuses on optimizing this layer for efficient video transmission. As part of this scheme, a new operation mode called Hybrid Mode (HM) for RLC is defined. This mode performs retransmission only for the critical video frames, leaving other frames to unacknowledged transmission. The simulation results of both proposed schemes provide significant improvement in achieving good video quality without affecting the system performance.

A drastic increase in traffic of mobile broadband is seen in the past few years, which is further accelerated by the increase in usage of smart phones and its applications. The availability of good smart phones and better data connectivity are encouraging mobile users to use video services. This huge increase in usage will pose a lot of challenges to the wireless networks. The wireless network has to become content aware in order to offer enhanced quality of video service through efficient utilization of the wireless spectrum. This thesis focuses on improving the Quality of Experience (QoE) for video transmission over Long Term Evolution (LTE) networks by imparting the content awareness to the system and providing unequal error protection for critical video packets. Two different schemes for the improvement of video quality delivery over LTE networks are presented in this thesis. Using content awareness, the retransmission count of Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) are changed dynamically such that the most important video frame gets more number of retransmission attempts, which increases its success for delivery in-turn increasing the received video quality. Since Radio Link Control (RLC) is the link layer for radio interface, the second approach focuses on optimizing this layer for efficient video transmission. As part of this scheme, a new operation mode called Hybrid Mode (HM) for RLC is defined. This mode performs retransmission only for the critical video frames, leaving other frames to unacknowledged transmission. The simulation results of both proposed schemes provide significant improvement in achieving good video quality without affecting the system performance.

Cette thèse porte sur l'allocation de ressources dans les réseaux mobiles ad hoc basés sur les protocoles ARQ Hybrides (HARQ), qui offrent une souplesse de déploiement rapide pour des communications à court terme dans le cadre d'applications militaires ou de futurs réseaux intelligents. L'OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) est considérée en particulier, en tant que solution prometteuse dans les standards de communication sans fil les plus récents. Bien qu'une coordination centralisée des communications soit rendue possible grâce à une organisation en clusters, il est toutefois difficile de remonter au coordinateur des informations fiables sur l'état du canal en vertu de la latence due à l'organisation de ce réseau. Ainsi les performances des liens seront renforcées par des mécanismes de retransmission HARQ, qui permettent de gérer les variations rapides du canal. L'objectif principal de cette thèse est l'allocation des ressources OFDMA dans les réseaux mobiles ad hoc basés sur les protocoles HARQ, en utilisant uniquement les statistiques à long terme du canal. Pour répondre à un besoin industriel, des schémas de modulation et de codage pratiques seront considérés en lieu et place des outils de capacité hérités de la théorie de l'information. En particulier, nous concevons et analysons de nouveaux algorithmes qui optimisent l'attribution de puissance, de largeur de bande, d'ordre de modulation et de rendement de codage, pour les mécanismes HARQ insérés dans le schéma multi-utilisateurs proposé. En raison de la présence de protocoles HARQ dans le réseau, une partie de la thèse est dédiée à l'étude des performances de l'HARQ que nous étendons à de nouveaux contextes.

A drastic increase in traffic of mobile broadband is seen in the past few years, which is further accelerated by the increase in usage of smart phones and its applications. The availability of good smart phones and better data connectivity are encouraging mobile users to use video services. This huge increase in usage will pose a lot of challenges to the wireless networks. The wireless network has to become content aware in order to offer enhanced quality of video service through efficient utilization of the wireless spectrum. This thesis focuses on improving the Quality of Experience (QoE) for video transmission over Long Term Evolution (LTE) networks by imparting the content awareness to the system and providing unequal error protection for critical video packets. Two different schemes for the improvement of video quality delivery over LTE networks are presented in this thesis. Using content awareness, the retransmission count of Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) are changed dynamically such that the most important video frame gets more number of retransmission attempts, which increases its success for delivery in-turn increasing the received video quality. Since Radio Link Control (RLC) is the link layer for radio interface, the second approach focuses on optimizing this layer for efficient video transmission. As part of this scheme, a new operation mode called Hybrid Mode (HM) for RLC is defined. This mode performs retransmission only for the critical video frames, leaving other frames to unacknowledged transmission. The simulation results of both proposed schemes provide significant improvement in achieving good video quality without affecting the system performance.

With the ever-growing demand for higher data rate in next generation communication systems, researchers are pushing the limits of the existing architecture. Due to the stochastic nature of communication channels, most systems use some form of adaptive methods to adjust the transmitting parameters and allocation of resources in order to overcome channel variations and achieve optimal throughput. We will study four cases of adaptive transmission and dynamic resource allocation in collaborative systems that are practically significant. Firstly, we study hybrid automatic repeat request (HARQ) techniques that are widely used to handle transmission failures. We propose HARQ policies that improve system throughput and are suitable for point-to-point, two-hop relay, and multi-user broadcast systems. Secondly, we study the effect of having bits of mixed SNR qualities in finite length codewords. We prove that by grouping bits according to their reliability so that each codeword contains homogeneous bit qualities, the finite blocklength capacity of the system is increased. Thirdly, we study the routing and resource allocation problem in multiple collaborative networks. We propose an algorithm that enables collaboration between networks which needs little to no side information shared across networks, but rather infers necessary information from the transmissions. The collaboration between networks provides a significant gain in overall throughput compared to selfish networks. Lastly, we present an algorithm that allocates disjoint transmission channels for our cognitive radio network in the DARPA Spectrum Collaboration Challenge (SC2). This algorithm uses the real-time spectrogram knowledge perceived by the radios and allocates channels adaptively in a crowded spectrum shared with other collaborative networks.

Dans le canal sans fil, la communication coopérative permet à un ou plusieurs relais d’aider la transmission entre la source et la destination. L'objectif de cette thèse est de développer des outils d'analyse de performance pour les systèmes coopératifs utilisant des techniques HARQ. Le premier chapitre de cette thèse donne des informations sur le codage de réseau dans les réseaux coopératifs, et introduit la motivation pour ce travail. L’objectif du deuxième chapitre est d’analyser et d’évaluer les performances de la qualité de service (QoS) des schémas ARQ-STBC, HARQ et FEC, dans le contexte de l’efficacité énergétique, aux niveaux des couches MAC et IP. Afin d’atteindre ce but, une nouvelle méthode d'analyse est dérivé et appliqué au scénario de communication point à point (P2P). Ceci nous permet de comparer les schémas avec et sans retransmissions, et d’établir la consommation d’énergie de chaque système considéré. Cela nous permet de déterminer dans quelles conditions il est énergétiquement plus efficace d’utiliser la protection cross-layer, ou le simple codage de canal. Dans le troisième chapitre une classe de protocoles coopératifs déterministes est introduite. Les protocoles que nous considérons sont différents en termes du comportement de relais(s) de source(s), et de la destination. Nous considérons deux types de protocoles coopératifs: decode-and-forward (DCF), et demodulate-and-forward (DMF). Les performances de chacun de ces protocoles sont analysés, avec et sans combining à la destination. Les évaluations de QoS qui sont examinés sont: le taux d'erreur de trame, le délai, l'efficacité, et le goodput. Les dérivations analytiques sont effectuées à l'aide de la machine à états finis de Markov, ainsi que grâce à l’approche combinatoire. Cependant, il est démontré, que la complexité de ces dérivations augmente au moment ou le crédit de retransmissions et/ou des nœuds dans le réseau est augmentée. Donc cette approche devient non-traitable pour des grands schémas coopératifs. Le quatrième chapitre présente une classe de protocoles de communication probabilistes, où les nœuds retransmettent avec une certaine probabilité. Il est démontré l'existence d'une classe de protocoles probabilistes équivalents, qui permettent d’obtenir les mêmes performances des protocoles déterministes précédemment traités. En utilisant la preuve de concept, nous démontrons que le protocole probabiliste permet d’effectuer les évaluations analytiques de réseaux multi-nœuds, même dans le cas d'un grand nombre de nœuds dans le réseau. Basée sur cela, nous déduisons les paramètres QoS, et les évaluons également par des simulations Monte-Carlo. Les paramètres d'évaluation de performances dérivées sont optimisés en limitant le taux d'erreur de trame, et en essayant de trouver le nombre de transmissions optimal et le code rate qui maximisent le goodput. Il est également démontré que la classe de protocoles probabilistes peut atteindre une région d’optimalité plus grand que la classe de protocoles déterministes. / In the wireless channel, cooperative communications allow one or many relays to assist the communication between the source and the destination. The aim of this thesis is the development of tools for the analysis of cooperative systems, when HARQ techniques are employed to provide cross-layer error protection. The first chapter of the thesis gives background information on network coding in cooperative relay networks, and introduces the motivation for this work. The second chapter is devoted to the analysis of the energetic-fair performance evaluations of FEC, ARQ-STBC and HARQ schemes at the MAC and IP layers. New analytical framework is derived and applied to a point-to-point network scenario. This framework allows to make energetic fair comparisons between the schemes with and without retransmissions. We determine under which channel conditions the cross-layer error protection is energetically more efficient than the simple channel coding. In the third chapter of this thesis we study the cooperative deterministic protocols. The protocols that we consider differ based on the behaviour of the relay(s), source(s), and destination. We consider two major types of cooperative protocols: decode-and forward (DCF), and demodulate-and-forward (DMF). Each of these protocols in its turn is analysed with and without combining mechanisms at the destination. We derive the soft decoders at the destination side for each respective case, and compare the performances of these protocols at the MAC layer. The following quality of service metrics are evaluated: frame error rate, delay, efficiency, goodput. The analysis is done evaluating the steady-state, using finite state Markov chains and a combinatorial approach. The analysis, however, becomes very complex as the number of transmissions and/or nodes in the network increases. The fourth chapter introduces a class of probabilistic communication protocols, where the devices retransmit with a given probability. We prove the existence of an equivalent class of protocols, with the same performances as the deterministic class. Using proofs of concept it is shown that the probabilistic protocol class allows for tractable steady-state analysis, even for many nodes in the network. Based on this, we then derive the QoS metrics and evalute them also by simulations. The derived performance evaluation metrics are then optimized by constraining the frame error rate, and trying to find the most optimal transmissions number and code rates which maximize the goodput. It is furthermore shown, that the equivalent protocol has larger optimal region than the deterministic one.

Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'étude des canaux de diffusion avec des contraintes de transmission pratiques. Tout d'abord, on a étudié l'impact de la contrainte pratique de l'utilisation d'un alphabet fini à l'entrée du canal de diffusion Gaussien avec deux utilisateurs. Deux modèles de canaux de diffusion sont considérés lorsqu'il y a, en plus d'un message commun pour les deux utilisateurs, (i) un message privé pour l'un des deux utilisateurs sans contrainte de sécurité (ii) un message confidentiel pour l'un des deux utilisateurs qui doit être totalement caché de l'autre utilisateur. On a présenté plusieurs stratégies de diffusion distinguées par leur complexité d'implémentation. Plus précisément, on a étudié les régions des débits atteignables en utilisant le partage de temps, la superposition de modulation et le codage par superposition. Pour la superposition de modulation et le cas général du codage par superposition, les régions des débits atteignables maximales sont obtenues en maximisant par rapport aux positions des symboles dans la constellation et la distribution de probabilité jointe. On a étudié le compromis entre la complexité d'implémentation des stratégies de transmission et leurs efficacités en termes de gains en débits atteignables. On a étudié aussi l'impact de la contrainte de sécurité sur la communication en comparant les débits atteignables avec et sans cette contrainte. Enfin, on a étudié les performances du système avec des schémas d'accusés de réception hybrides (HARQ) pour un canal à écoute à évanouissement par blocs lorsque l'émetteur n'a pas une information parfaite sur l'état instantané du canal mais connait seulement les statistiques. On a considéré un schéma adaptatif pour la communication sécurisée en utilisant des canaux de retour à niveaux multiples vers l'émetteur pour changer la longueur des sous mots de code à chaque retransmission afin que le débit utile secret soit maximisé sous des contraintes d'"outages". / In this thesis, we aim to study broadcast channels with practical transmission constraints. First, we study the impact of finite input alphabet constraint on the achievable rates for the Gaussian broadcast channel with two users. We consider two models of broadcast channels, when there is in addition of a common message for two users, (i) a private message for one of them without secrecy constraint (ii) a confidential message for one of them which should be totally hidden from the other user. We present several broadcast strategies distinguished by their complexity of implementation. More precisely, we study achievable rate regions using time sharing, superposition modulation and superposition coding. For superposition modulation and superposition coding strategies, maximal achievable rate regions are obtained by maximizing over both symbol positions in the constellation and the joint probability distribution. We study the tradeoff between the complexity of implementation of the transmission strategies and their efficiency in terms of gains in achievable rates. We study also the impact of the secrecy constraint on communication by comparing the achievable rates with and without this constraint. Finally, we study the system performance using HARQ schemes for the block-fading wiretap channel when the transmitter has no instantaneous channel state information but knows channel statistics. We consider an adaptive-rate scheme for the secure communication by using multilevel feedback channels to change sub-codeword lengths at each retransmission, in order to maximize the secrecy throughput under outage probabilities constraints.

Dans cette thèse, les techniques de coopération ont été étudiées pour un canal multi-accès multi-relais composé d'au moins deux sources qui communiquent avec une seule destination à l'aide d'au moins deux nœuds de relayage en mode semi-duplex. Le multiplexage par répartition dans le temps est supposé. Tout d'abord, l’algorithme d’adaptation de lien est exécuté par l'ordonnanceur centralisé. Durant la première phase de transmission, les sources transmettent chacune à leur tour leur message respectif pendant des intervalles de temps consécutifs. Dans chaque intervalle de temps dans la deuxième phase, la destination planifie un nœud pour transmettre les redondances, mettant en œuvre un protocole coopératif d'Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ), où les canaux de contrôle limités bidirectionnels sont disponibles depuis les sources et les relais vers la destination. Dans la première partie de la thèse, les stratégies de sélection des nœuds centralisé sont proposées pour la deuxième phase de transmission. Les décisions d’ordonnancement sont prises en fonction de la connaissance des ensembles de sources correctement décodées par chaque noeud et ayant comme objectif de maximiser l’efficacité spectrale moyenne. L'analyse de la probabilité de coupure de l'information ainsi que les simulations Monte-Carlo (MC) sont effectués afin de valider ces stratégies. Dans la seconde partie, un algorithme d’adaptation de lien lent est proposé afin de maximiser l’efficacité spectrale moyenne sous contrainte de vérification d'une qualité de service individuelle cible pour une famille donnée de schémas de modulation et de codage, réposant sur l'information sur la distribution des canaux signalée. Les débits des sources discrets sont déterminés en utilisant l’approche "Genie-Aided" suivie d’un algorithme itératif de correction de débit. Les simulations MC montrent que l’algorithme d’adaptation de lien proposé offre des performances proches de celles de la recherche exhaustive. Dans la troisième partie, les performances de protocole HARQ à redondance incrémentale (IR) avec codage mono et multi-utilisateur, ainsi que l'HARQ de type Chase Combining avec codage mono-utilisateur sont comparées. Les simulations MC montrent que l'IR-HARQ avec codage mono-utilisateur offre le meilleur compromis entre performance et complexité pour le scénario de petit nombre de sources. Un schéma de codage pratique est proposé et validé à l'aide de simulations MC. / In this thesis, cooperation techniques have been studied for Multiple Access Multiple Relay Channel, consisted of at least two sources which communicate with a single destination with the help of at least two half-duplex relaying nodes. Time Division Multiplexing is assumed. First, the link adaptation algorithm is performed at the centralised scheduler. Sources transmit in turns in consecutive time slots during the first transmission phase. In each time slot of the second phase, the destination schedules a node to transmit redundancies, implementing a cooperative Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) protocol, where bidirectional limited control channels are available from sources and relays towards the destination. In the first part of the thesis, centralized node selection strategies are proposed for the second phase. The scheduling decisions are made based on the knowledge of the correctly decoded source sets of each node, with the goal to maximize the average spectral efficiency. An information outage analysis is conducted and Monte-Carlo (MC) simulations are performed to evaluate their performance. In the second part, a slow-link adaptation algorithm is proposed which aims at maximizing the average spectral efficiency under individual QoS targets for a given modulation and coding scheme family relying on the reported Channel Distribution Information of all channels. Discrete source rates are first determined using the "Genie-Aided" assumption, which is followed by an iterative rate correction algorithm. The resulting link adaptation algorithm yields performance close to the exhaustive search approach as demonstrated by MC simulations. In the third part, performances of Incremental Redundancy (IR) HARQ with Single and Multi User encoding, as well as the Chase Combining HARQ with Single User encoding are compared. MC simulations demonstrate that IR-HARQ with Single User encoding offers the best trade-off between performance and complexity for a small number of sources in our setting. Practical coding scheme is proposed and validated using MC simulations.

使用無線網路時常會遇到傳送訊號衰減、通訊死角或氣候不佳等原因，造成傳輸失敗。高畫質影像H.264/MPEG-4 編碼考慮影音封包具有不同重要性，對影音封包須制定不同的重傳機制。本研究改善WiMAX2中HARQ（Auto Repeat Request）的流程，將高畫質影像藉由TCP-Like方式傳輸影像，辨識影音封包資訊，確保GOP-Tree中＂骨幹＂節點的抵達率並利用Lagrange Method of Multiplier方法，對GOP-Tree中非骨幹節點提出合適的Trade-off。IEEE 802.16m標準支援Mobile Multi-hop Relay （MMR）的架構，針對目前基地台覆蓋範圍不足及遮蔽效應等問題提出中繼傳輸站(Relay Station，RS）來提升網路吞吐量並增進無線通訊品質。但也因此需要有較多的連線頻道及頻寬。然而此方式不能保證所有頻道都處於良好傳輸狀態，此而常有相當高的資料傳送失敗率。 混和自動重傳要求（Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ）的提出就是用來確保資料傳遞成功的機制。HARQ早在IEEE 802.16-2004就被提出，然而我們發現HARQ機制在IEEE 802.16m效能不佳，更無法保證QoS (Quality of Service）的服務品質要求。在本研究中我們改善Chen [4]所提出的Dynamic Pre-allocation HARQ（DP-HARQ）機制，考慮當slot分配不足，封包在發生非連續錯誤時造成延遲時間增加等問題。我們所提出的方法加入具服務品質感知（QoS aware）的機制，來降低整體延遲時間（delay）並能有效提高吞吐量（throughput）。在模擬實驗中，我們以具二個hop，二個BS及十個SS以上的模擬環境，對不同方法做不同效能的評比，並以PSNR值檢驗所提出之方法是否能提升畫質，以確保影像傳輸品質。我們透過實驗數據證明提出的方法優於IEEE 802.16m的HARQ機制。 / This research focus on running high definition video over WiMAX2.It is usually that transmission fails through wireless network as it encounters factors like (transmission) signal attenuation, dead zone, bad weather, etc. The high definition video coding in H.264/MPEG-4 involves different degress of important video frames considering the video package. It defines different re-transmission mechanisms for video package. This research starts with the enhancement on the process of HARQ （Hybrid Auto Repeat Request）over WiMAX2, transmitting high definition video signals by“TCP-Like”protocol and indentifying the video package information to ensure a stable arrival rate of the “backbone” nodes in GOP-Tree. Furthermore, we apply Lagrange’s Method of Multiplier and propose an appropriate customization to the non-backbone part in GOP-Tree. Though the IEEE 802.16 standards has the concept of Mobile Multi-hop Relay（MMR）, yet there are problems to be resolved and improved when it comes to reality due to the facts like coverage deficiency of base stations and shadow effect. The IEEE 802.16m standard uses Relay Station (RS）to enhance network traffic throughput and improve QoS over wireless network.Relay transmission stations are set for data transmission in Mobile Multi-hop Relay (MMR),thus it requires more connection channels and bandwidth. The thesis concludes with performance comparison under the simulation environments of 2 hops, 2 BSs and 10 SSs, evaluation of the methodology with PSNR for enhancing the QoS of HD video transmission.The proposed method is proved to surpass the HARQ methodology in IEEE 802.16m.