We investigate, in this thesis, the use of Hierarchical Modulation (HM), a physical layer technique that enables to exploit multiuser diversity, for resource allocation in OFDMA-based systems with and without use of relaying, so as to improve the system capacity. HM allows the sharing of the resources, namely subcarriers and power, between users of different radio conditions by sending an additional stream to a user with good radio conditions on a subcarrier that was initially allocated to carry an original stream to a user with lower radio conditions. And this, without affecting the original user's rate nor the total amount of power assigned to the shared subcarrier. In the literature, most of the works that consider the use of HM focus solely on the physical layer performance, notably in terms of the bit error rate. And this for a static user scenario,i.e., with a fixed number of users in the system, each with an infinite service duration. This configuration however does not reflect the real system behavior where the number of users is dynamic, i.e., the users come to the system at random time epochs and leave it after a finite duration, corresponding to the completion of their services. The study of the system at the flow-level, as opposed to the packet level, for a dynamic user configuration, enables us to investigate the realistic relationship between capacity and demand and to quantify several system-level performance metrics, such as mean transfer times and blocking rates, which are meaningful both to the user and the network operator/provider.

Les systèmes de communication par satellite d’aujourd’hui reposent principalement sur le multiplexage temporel pour optimiser leurs performances. Chaque utilisateur utilise le canal pendant une fraction de temps connu. Pendant cette période, la modulation et le taux de codage sont choisis de manière à transmettre le plus d’information possible. En pratique, ce schéma est facile à mettre en œuvre ce qui justifie sa popularité. Cependant, il est désormais bien connu que la répartition temporelle n’est pas optimale en termes d’efficacité spectrale offerte aux récepteurs. En effet, la stratégie qui consiste à superposer des données offre de meilleures performances que le multiplexage temporel. C’est dans ce contexte que s’inscrit la problématique de cette thèse. Le travail réalisé propose des applications du codage par superposition dans le domaine des communications par satellite. Tout d’abord, nous étudions la modulation hiérarchique qui est une implémentation du codage par superposition au niveau de la modulation. Les performances de ce type de modulation sont évaluées d’un point de vue théorique et pratique. Dans un deuxième temps, nous quantifions l’amélioration en termes d’efficacité spectrale que peut apporter la modulation hiérarchique pour les systèmes de communication par satellite. Les standards de diffusion par satellite DVB-SH et DVB-S2 fournissent un cadre pratique. Nous montrons que des gains non négligeables sont envisageables selon la configuration du système. Le dernier point abordé concerne un système où des utilisateurs communiquent entre eux à l’aide d’un satellite qui sert de relais. Nous proposons un schéma de communication où plusieurs utilisateurs émettent en même temps en coordonnant leur puissance de transmission. Ainsi, les signaux vont naturellement se superposer. Les récepteurs utilisent deux mécanismes pour le décodage des signaux : le codage réseau couche physique et la démodulation de constellations superposées. Finalement, les gains de performance obtenus dans les différents domaines par le codage par superposition ouvrent des perspectives pour des travaux futurs. / Modern satellite communication systems mainly rely on time sharing to optimize the throughput. Each receiver uses the channel during a given fraction of time. During this period, the transmission parameters (i.e., the modulation and the coding rate) are chosen in order totransmit as much information as possible. The scheme is easy to implement which explains its popularity. However, it is today well established that time sharing is not optimal in terms of spectrum efficiency offered to the receivers. Indeed, the scheme that consists in sending superposed data offers better performance than the time sharing. This thesis investigates the application of superposition coding in satellite communication systems. First of all, we study the performance of hierarchical modulation which is an implementation of superposition coding at the modulation level. We propose a performance evaluation method for such modulations. We also compare the performance of hierarchical and non hierarchical modulations in terms of spectrum efficiency and link unavailability. These two criteria are very important for broadcast system and we show that hierarchical modulations often offer better performance than non hierarchical modulations.Then, we study the performance improvement in terms of spectrum efficiency when using hierarchical modulation in satellite communication systems. Two issues are addressed. The first one is how to group the receivers in pairs in order to transmit data with a hierarchical modulation. The second issue is the computation of the spectrum efficiency. We show that significant gains are possible depending on the system configuration. The last part considers a system where multiple users communicate through a satellite. The satellite acts as a relay in our scenario. We propose a communication scheme where several users emit at the same time with appropriate transmitting power. Thus the signals naturally superpose and generate interference. The receivers use two mechanisms for decoding the signals: physical layer network coding and demodulation of superposed constellations. Finally, we explain how the performance improvements obtained by superposition coding in several scenarios open perspectives for future work.

Nous proposons dans cette thèse d'exploiter la Modulation Hiérarchique (MH) dans un système OFDMA avec et sans utilisation des relais en vue d'améliorer d'avantage la capacité du système en tirant profit de la diversité d'utilisateurs. MH permet de transmettre un flux supplémentaire à un utilisateur de bonnes conditions radio sur une sous-porteuse initialement allouée à un utilisateur de mauvaises conditions radio. Ceci est différent des techniques classiques d’allocation de ressources proposées dans la littérature qui respectent une orthogonalité parfaite lors de l'allocation : une sous-porteuse est allouée à un seul utilisateur et aucun autre utilisateur ne pourra l'utiliser en même temps. Dans la littérature, la plupart des travaux qui se sont intéressés à l'utilisation de la MH se sont concentrés seulement sur les performances en termes de couche basse avec un nombre fixe d'utilisateurs dans le système correspondant à une configuration statique. Toutefois, cette configuration ne reflète pas la dynamicité du nombre d'utilisateurs dans un tel système, où les utilisateurs arrivent selon une loi aléatoire et partent après avoir fini leurs services. Dans cette thèse, nous exposons l'étude des performances de l'utilisation de la MH avec des configurations dynamiques d'utilisateurs correspondant à une étude au niveau flux. Cela nous permet d'évaluer les performances en termes de nouvelles métriques à savoir le temps moyen de transfert et la probabilité de blocage qui sont importantes pour l'utilisateur et pour l'opérateur. / We investigate, in this thesis, the use of Hierarchical Modulation (HM), a physical layer technique that enables to exploit multiuser diversity, for resource allocation in OFDMA-based systems with and without use of relaying, so as to improve the system capacity. HM allows the sharing of the resources, namely subcarriers and power, between users of different radio conditions by sending an additional stream to a user with good radio conditions on a subcarrier that was initially allocated to carry an original stream to a user with lower radio conditions. And this, without affecting the original user's rate nor the total amount of power assigned to the shared subcarrier. In the literature, most of the works that consider the use of HM focus solely on the physical layer performance, notably in terms of the bit error rate. And this for a static user scenario,i.e., with a fixed number of users in the system, each with an infinite service duration. This configuration however does not reflect the real system behavior where the number of users is dynamic, i.e., the users come to the system at random time epochs and leave it after a finite duration, corresponding to the completion of their services. The study of the system at the flow-level, as opposed to the packet level, for a dynamic user configuration, enables us to investigate the realistic relationship between capacity and demand and to quantify several system-level performance metrics, such as mean transfer times and blocking rates, which are meaningful both to the user and the network operator/provider.

Relay-assisted cooperative communications are promising solutions for error-performance improvement and cell coverage extension. In this thesis, we propose several efficient cooperative relay communication schemes. First, an efficient space-time coded cooperative relay communications scheme that employs linear precoding and transmission-pattern selection is proposed. This is built upon an existing block linear precoding technique for conventional multiple-input multiple-output systems in order to improve the diversity performance of a multihop relay network. Second, we consider several multiuser cooperative relay communication schemes employing layered modulations, such as hierarchical modulation and superposition coding. Conventional cooperative relay communication is effective in mitigating fading effects. However, additional resources, such as time slots or frequency bands are required for the relay, which reduce the overall throughput. Reduction of throughput will become more severe as the number of users increases. In order to overcome this limitation, multiuser cooperative relaying schemes that employ hierarchical modulation and superposition coding are proposed. These schemes exploit the superimposed message for users in the network and allow the system to transmit two or more independent data streams simultaneously. The proposed schemes do not require additional resources than the conventional schemes, while improving the error performance by flexibly controlling the power division coefficient of superposition coding or the distance parameter of hierarchical modulation. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 28, 2011 - Sept. 28, 2012

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.