Avec la croissance rapide des appareils et des applications mobiles, les besoins en débit et en connectivité dans les réseaux sans fil augmentent rapidement. Il est prouvé que les communications coopératives peuvent augmenter significativement l’efficacité spectrale et la fiabilité des transmissions entre les nœuds extrémaux. Le concept de coopération dans un réseau sans fil compte parmi les sujets de recherche les plus actifs en télécommunications, le but étant d'identifier les stratégies de coopération qui maximiseraient les gains en efficacité spectrale et en puissance d'émission. Pour coopérer, les nœuds du réseau partagent leurs ressources (énergie, bande de fréquence, etc. ...) pour améliorer mutuellement leurs transmissions et leurs réceptions. Dans les réseaux sans fil avec relais, les relais sont des nœuds dédiés à améliorer la qualité de la communication entre les nœuds sources et destination.Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur un réseau sans fil avec relais spécifique où l'ensemble de sources (mobiles) veulent communiquer leurs messages à une destination commune (station de base) avec l'aide d'un ensemble de relais (contexte cellulaire, sens montant). Nous étudions, sur les plans théorique et pratique, un schéma coopératif dans lequel les relais, après une durée d'écoute fixée a priori, essayent de décoder les messages des sources et commencent à transmettre des signaux utiles pour ceux qui sont décodés correctement. Ces signaux utiles sont le résultat d'un codage canal-réseau conjoint.Une des limitations du système coopératif précédent est précisément que le temps d'écoute des relais est figé et ne peut pas être adapté à la qualité fluctuante (aléatoire) des liens instantanés sources-relais. Pour pallier cette difficulté, nous proposons et analysons, dans une seconde partie de la thèse, un schéma de coopération plus avancé où le temps d'écoute de chaque relais peut être dynamique. Dans ces conditions, un relais bénéficiant d'une meilleure qualité de réception des sources peut commencer à coopérer plus tôt que d'autres relais ayant une qualité de réception moindre.Enfin, dans la troisième et dernière partie de la thèse, nous considérons la présence d'une information de retour limitée (limited feedback) entre la destination et les sources et les relais, et tentons de caractériser l'efficacité spectrale d'un tel système. / With the rapid growth of wireless technologies, devices and mobile applications, the quest of high throughput and omnipresent connectivity in wireless networks increases rapidly as well. It is well known that cooperation increases significantly the spectral efficiency (coding gain) and the reliability (diversity gain) of the transmission between the nodes. The concept of cooperation in wireless relays network is still one of the most active research topics in wireless communication, scientists are still searching for the optimal cooperation strategies that make the possible gains at the maximum. Cooperation results when nodes in a network share their power and/or bandwidth resources to mutually enhance their transmissions and receptions. In wireless relay networks, the relays are special nodes that are used to improve the quality of communication between the source nodes and the destination nodes. In particular, the use of relays guarantees more efficient and reliable networks. In this work, we focus on a special wireless relay network where a set of sources (mobiles) want to communicate their messages to a common destination (base station) with the help of a set of relaysAt the beginning of this work, we focused on the cooperative scheme where the relay, after a fixed portion of time, tries to understand (decode) the source’s messages and forwards helpful signals for the correctly decoded ones. One of the limitations of the previous cooperative scheme is the fixe listening time of the relays, which cannot be adapted to the quality of the instantaneous sources-relays links. To solve this problem we propose a more advanced cooperative scheme where the listening time of each relay can be dynamic and not fixed in advanced. So the relay that has strong links with the sources can start cooperating earlier than the other relays with weak links. Currently, we are investigating other directions of possible improvements, for example, how can we use feedback signals to improve the efficiency of the network.

Abstract The goal of this thesis is to provide a unified concept of lossy-forwarding from the theoretical analysis to practical scheme design for the decode-and-forward-based multiple access relay channel (MARC) system. To improve the performance of MARC with the relay subject to resources or/and time constraints, the erroneous estimates output from simple detection schemes are used at the relay are forwarded and exploited. A correlation is then found between two sequences: one is the network-coded sequence sent from the relay, and the other is their corresponding exclusive-OR-ed information sequence. Several joint network-channel coding (JNCC) techniques are provided in which the correlation is utilized to update the log-likelihood ratio sequences during the iterative decoding process at the destination. As a result, the bit error rate (BER) and frame error rate (FER) are improved compared with those of MARC with select DF strategy (SDF-MARC). The MARC proposed above is referred to as erroneous estimates-exploiting MARC (e-MARC). To investigate the achieved FER performance of the e-MARC system, the outage probability for e-MARC with two source nodes is theoretically derived. We re-formulate the e-MARC system and identify its admissible rate region according to the Slepian-Wolf theorem with a helper. Then, the outage probability is obtained by a set of integral over the rate region with respect to the probability density functions of all the links' instantaneous signal-to-noise power ratios. It is found through simulations that, as one of the source nodes is far away from both the relay and destination, e-MARC is superior to SDF-MARC in terms of outage performance. Furthermore, a joint adaptive network-channel coding (JANCC) technique is then proposed to support e-MARC with more source nodes. A vector is constructed at the destination in JANCC to identify the indices of the incorrectly decoded source node(s), and re-transmitted to the relay for requesting additional redundancy. The relay performs network-coding only over the estimates specified by the vector upon receiving the request. Numerical results show that JANCC-aided e-MARC is superior to e-MARC in terms of FER and goodput efficiency. In addition, compared iterative decoding is performed at relay with SDF-MARC, the use of differential detection with JANCC-aided e-MARC significantly reduces the computational complexity and latency with only a small loss in the FER. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tarkoituksena on tuottaa yhtenäinen kokonaisuus häviöllisestä lähetyksestä pura-ja-lähetä (DF) -pohjaisessa monikäyttörelejärjestelmässä (MARC) sekä teoreettisesta että käytännöllisestä näkökulmasta. Parantaakseen resurssi- tai aikarajoitetun MARC-järjestelmän suorituskykyä, vastaanotin hyödyntää riippuvuussuhdetta releen välittämien informaatiosekvenssien virheellisten estimaattien ja suoraan lähteestä tulevien informaatiosekvenssien välillä (e-MARC). Työssä ehdotetaan useita yhdistetyn verkko -ja kanavakoodauksen menetelmiä (JNCC), joissa log-uskottavuussuhdesekvenssit iteratiivisen purkamisprosessin aikana päivitetään hyödyntämällä sekvenssien riippuvuussuhdetta vastaanottimessa. Tämän tuloksena sekä bittivirhe- että kehysvirhesuhdetta saadaan parannettua verrattuna selektiiviseen pura-ja-lähetä menetelmää käyttävään MARC-strategiaan (SDF-MARC). Kehysvirheen suorituskyvyn tarkastelua varten työssä johdetaan teoreettinen epäkäytettävyyden todennäköisyys e-MARC-menetelmälle kahden lähettimen tapauksessa. Lisäksi e-MARC-menetelmälle määritetään tiedonsiirtonopeusalue Slepian-Wolf -teoreeman mukaisesti. Tämän jälkeen saadaan epäkäytettävyyden todennäköisyys kaikkien linkkien signaalikohinasuhteen todennäköisyystiheysfunktion integraalina tiedonsiirtonopeusalueen yli. Simulointitulokset osoittavat e-MARC-menetelmän paremman epäkäytettävyyden todennäköisyyden verrattuna SDF-MARC-menetelmään silloin kun yksi lähettimistä on kaukana sekä releestä että vastaanottimesta. Mahdollistaakseen useamman lähteen käytön e-MARC-menetelmässä, työssä ehdotetaan lisäksi adaptiivinen yhdistetyn verkko-ja kanavakoodauksen menetelmä (JANCC). Siinä vastaanotin määrittää väärin purettujen sekvenssien lähettimet ja ilmoittaa ne vektorimuodossa takaisin releelle pyytääkseen näiden lähettimien informaation uudelleenlähetystä. Tämän jälkeen rele suorittaa verkkokoodauksen vain tunnistusvektorin määrittämien informaatiosekvenssien estimaatteihin perustuen. Tulokset näyttävät, että JANCC-menetelmää käyttävä e-MARC saavuttaa paremman kehysvirheen ja hyödyllisen läpäisyn tehokkuuden verrattuna e-MARC-menetelmään.

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.