De nombreuses techniques de codage de canal sont spécifiées dans les nouvelles normes de communications numériques, chacune adaptée à des besoins applicatifs spécifiques (taille de trame, type de canal de transmission, rapport signal-à-bruit, bande-passante, etc.). Si l'on considère les applications naissantes multi-mode et multi-standard, ainsi que l'intérêt croissant pour la radio logicielle et la radio cognitive, la combinaison de plusieurs techniques de correction d'erreur devient incontournable. Néanmoins, des solutions optimales en termes de performance, de consommation d'énergie et de surface sont encore à inventer et ne doivent pas être négligées au profit de la flexibilité. Dans ce contexte, ce travail de thèse a exploré le modèle d'architecture multi-ASIP dans le but d¿unifier l'approche orientée sur la flexibilité et celle orientée sur l'optimalité dans la conception de décodeurs de canal flexibles. En considérant principalement les applications exigeantes de décodage itératif des turbocodes et des codes LDPC, des architectures multi-ASIP de décodeurs de canal sont proposées ciblant une grande flexibilité combinée à une haute efficacité architecturale en termes de bits/cycle/iteration/mm2. Différentes solutions architecturales et différentes approches de conception sont explorées pour proposer trois contributions originales. La première contribution concerne la conception d'un décodeur LDPC/Turbo multi-ASIP extensible, flexible et haut débit. Plusieurs objectifs de conception sont atteints en termes d'extensibilité, de partage de ressources, et de vitesse de configuration. Le décodeur proposé, nommé DecASIP, supporte le décodage des codes LDPC et turbocodes spécifiés dans les normes WiFi, WiMAX et LTE. L'extensibilité apportée par l'approche multi-ASIP basée sur des réseaux sur puces (NoC) permet d'atteindre les besoins en haut débit des normes actuelles et futures. La deuxième contribution concerne la conception d'un ASIP paramétré pour le turbo-décodage (TDecASIP). L'objectif étant d'étudier l'efficacité maximale atteignable pour un turbo décodeur basé sur le concept ASIP en maximisant l¿exploitation du parallélisme de sous-blocs. En outre, avec cette architecture nous avons démontré la possibilité de concevoir des c¿urs de traitement paramétrables et dédiés à l¿application en utilisant le flot de conception ASIP existant. La troisième contribution correspond à la conception d'un ASIP optimisé pour le décodage des codes LDPC (LDecASIP). Comme pour TDecASIP, l'objectif étant d'étudier l'efficacité maximale atteignable pour un décodeur de codes LDPC basé sur le concept ASIP en augmentant le degré de parallélisme et la bande passante des mémoires. Une quatrième contribution principale de cette thèse porte sur le prototypage matériel. Une plateforme de communication complète intégrant 4-DecASIP pour le décodage de canal a été prototypé sur une carte à base de circuits FPGA. À notre connaissance, c'est le premier prototype FPGA publié de décodeur de canal flexible supportant le décodage des turbocodes et des codes LDPC avec une architecture multi-ASIP intégrant des NoC. De plus, une intégration ASIC de ce décodeur a été réalisée par le CEA-LETI dans la puce MAG3D visant des applications de communications pour la 4G. Ces résultats démontrent le cycle de conception rapide et l'efficacité offerte par l'approche de conception basée sur le concept ASIP dans ce domaine d'application, permettant ainsi d¿affiner les compromis de conception par rapport aux divers objectifs ciblés.

Low-density parity-check codes have recently received much attention because of their excellent performance and the availability of a simple iterative decoder. The decoder, however, requires large amounts of memory, which causes problems with memory consumption. We investigate a new decoding scheme for low density parity check codes to address this problem. The basic idea is to define a reliability measure and a threshold, and stop updating the messages for a bit whenever its reliability is higher than the threshold. We also consider some modifications to this scheme, including a dynamic threshold more suitable for codes with cycles, and a scheme with soft thresholds which allow the possibility of removing a decision which have proved wrong. By exploiting the bits different rates of convergence we are able to achieve an efficiency of up to 50% at a bit error rate of less than 10^-5. The efficiency should roughly correspond to the power consumption of a hardware implementation of the algorithm.

Luby Transform Codes were the first class of universal erasure codes introduced to fully realize the concept of scalable and fault‐tolerant distribution of data over computer networks, also called Digital Fountain. Later Raptor codes, a generalization of the LT codes were introduced to trade off complexity with performance. In this work, we show that an even broader class of codes exists that are near optimal for the erasure channel and that the Raptor codes form a special case. More precisely, Raptorlike codes can be designed based on an iterative (joint) decoding schedule wherein information is transferred between the LT decoder and an outer decoder in an iterative manner. The design of these codes can be formulated as a LP problem using EXIT Charts and density evolution. In our work, we show the existence of codes, other than the Raptor codes, that perform as good as the existing ones. We extend this framework of joint decoding of the component codes to the additive white Gaussian noise channels and introduce the design of Rateless codes for these channels. Under this setting, for asymptotic lengths, it is possible to design codes that work for a class of channels defined by the signal‐to‐noise ratio. In our work, we show that good profiles can be designed using density evolution and Gaussian approximation. EXIT charts prove to be an intuitive tool and aid in formulating the code design problem as a LP problem. EXIT charts are not exact because of the inherent approximations. Therefore, we use density evolution to analyze the performance of these codes. In the Gaussian case, we show that for asymptotic lengths, a range of designs of Rateless codes exists to choose from based on the required complexity and the overhead. Moreover, under this framework, we can design incrementally redundant schemes for already existing outer codes to make the communication system more robust to channel noise variations.

In this thesis, we investigate the basics of Low-Density Parity-Check (LDPC) codes over binary and non-binary alphabets. We especially focus on the message passing decoding algorithms, which have different message definitions such as a posteriori probabilities, log-likelihood ratios and Fourier transforms of probabilities. We present the simulation results that compare the performances of small block length binary and non-binary LDPC codes, which have regular and irregular structures over GF(2),GF(4) and GF(8) alphabets. We observe that choosing non-binary alphabets improve the performance with careful selection of mean column weight by comparing LDPC codes with variable node degrees of 3, 2.8 and 2.6, since it is effective in the order of GF(2), GF(4) and GF(8) performances.

This thesis investigates applications of puncturing in error-correction coding and physical layer security with an emphasis on binary and non-binary LDPC codes. Theoretical framework for the analysis of punctured binary LDPC codes at short block lengths is developed and a novel decoding scheme is designed that achieves considerably faster convergence than conventional approaches. Subsequently, optimized puncturing and shortening is studied for non-binary LDPC codes over binary input channels. Framework for the analysis of punctured/shortened non-binary LDPC codes over the BEC channel is developed, which enables the optimization of puncturing and shortening patterns. Insight from this analysis is used to develop algorithms for puncturing and shortening of non-binary LDPC codes at finite block lengths that perform well. It is confirmed that symbol-wise puncturing is generally bad and that bit-wise punctured non-binary LDPC codes can significantly outperform their binary counterparts, thus making them an attractive solution for future communication systems; both for error-correction and distributed compression. Puncturing is also considered in the context of physical layer security. It is shown that puncturing can be used effectively for coding over the wiretap channel to hide the message bits from eavesdroppers. Further, it is shown how puncturing patterns can be optimized for enhanced secrecy. Asymptotic analysis confirms that eavesdroppers are forced to operate at BERs very close to 0.5, even if their signal is only slightly worse than that of the legitimate receivers. The proposed coding scheme is naturally applicable at finite block lengths and allows for efficient, almost-linear time encoding. Finally, it is shown how error-correcting codes can be used to solve an open problem of compressing data encrypted with block ciphers such as AES. Coding schemes for multiple chaining modes are proposed and it is verified that considerable compression gains are attainable for binary sources.

Longtemps considérée comme une curiosité de laboratoire, la distribution quantique de clés s'est aujourd'hui imposée comme une solution viable de sécurisation des données. Les lois fondamentales de la physique quantique permettent en effet de garantir la sécurité inconditionnelle des clés secrètes distribuées.<br /><br />Nous avons proposé un système de distribution quantique de clés par photons uniques exploitant un véritable codage en fréquence de l'information. Cette nouvelle méthode de codage permet de s'affranchir de dispositifs interférométriques et offre donc une grande robustesse. Un démonstrateur basé sur des composants optiques intégrés standard a été réalisé et a permis de valider expérimentalement le principe de codage. Nous avons ensuite étudié un système mettant en oeuvre un protocole de cryptographie quantique par « variables continues », codant l'information sur l'amplitude et la phase d'états cohérents. Le dispositif proposé est basé sur un multiplexage fréquentiel du signal porteur d'information et d'un oscillateur local. <br /><br />Les débits atteints par les systèmes de distribution de clés ne sont pas uniquement limités par des contraintes technologiques, mais aussi par l'efficacité des protocoles de réconciliation utilisés. Nous avons proposé un algorithme de réconciliation de variables continues efficace, basé sur des codes LDPC et permettant d'envisager de réelles distributions de clés à haut débit avec les protocoles à variables continues.

ITC/USA 2014 Conference Proceedings / The Fiftieth Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 20-23, 2014 / Town and Country Resort & Convention Center, San Diego, CA / In some flight test scenarios the telemetry link is noise limited at long slant ranges or during signal fade events caused by antenna pattern nulls. In these situations, a mitigation technique such as forward error correction (FEC) can add several decibels to the link margin. The particular FEC code discussed in this paper is a variant of a low-density parity check (LDPC) code and is coupled with SOQPSK modulation in the hardware tested. This paper will briefly cover lab testing of the flight-ready hardware then present flight test results comparing a baseline uncoded telemetry link with a LDPC-coded telemetry link. This is the first known test dedicated to this specific FEC code in a real-world test environment with flight profile tailored to assess the viability of an LDPC-coded telemetry link.

At a time where almost 1.75 billion people around the world use the Internet on a regular basis, optical communication over optical fibers that is used in long distance and high demand applications has to be capable of providing higher communication speed and re-liability. In recent years, strong demand is driving the dense wavelength division multip-lexing network upgrade from 10 Gb/s per channel to more spectrally-efficient 40 Gb/s or 100 Gb/s per wavelength channel, and beyond. The 100 Gb/s Ethernet is currently under standardization, and in a couple of years 1 Tb/s Ethernet is going to be standardized as well for different applications, such as the local area networks (LANs) and the wide area networks (WANs). The major concern about such high data rates is the degradation in the signal quality due to linear and non-linear impairments, in particular polarization mode dispersion (PMD) and intrachannel nonlinearities. Moreover, the higher speed transceivers are expensive, so the alternative approaches of achieving the required rates is preferably done using commercially available components operating at lower speeds.In this dissertation, different LDPC-coded modulation techniques are presented to offer a higher spectral efficiency and/or power efficiency, in addition to offering aggregate rates that can go up to 1Tb/s per wavelength. These modulation formats are based on the bit-interleaved coded modulation (BICM) and include: (i) three-dimensional LDPC-coded modulation using hybrid direct and coherent detection, (ii) multidimensional LDPC-coded modulation, (iii) subcarrier-multiplexed four-dimensional LDPC-coded modulation, (iv) hybrid subcarrier/amplitude/phase/polarization LDPC-coded modulation, and (v) iterative polar quantization based LDPC-coded modulation.

Ce travail est consacré à la conception, l'analyse et l'optimisation des codes correcteurs d'effacements de niveau applicatif (AL-FEC). Nous nous intéressons à une famille des codes LDPC généralisés (GLDPC), nommés les codes GLDPC-Staircase, qui sont com- posés d'un code LDPC-Staircase (code de base) ainsi que des codes Reed-Solomon (RS) (codes externes). Dans la première partie de cette thèse, nous commençons par montrer que les codes RS ayant une construction basée sur la matrice "quasi" Hankel sont les codes MDS les plus appropriés pour obtenir la structure des codes GLDPC-Staircase. Ensuite, nous proposons un nouveau type de décodage à ces codes, baptisé le décodage hybride (IT/RS/ML), pour atteindre les caspacités de correction du décodage par maximum de vraisemblance (ML) avec de faible complexité. Afin d'étudier l'impact de la structure des codes GLDPC- Staircase sur le décodage, nous proposons une autre construction : ils se diffèrent sur la nature des symboles de redondance LDPC générés. Puis, pour prédire le seuil de décodage et les écarts par rapport à la limite de Shannon des codes GLDPC-Staircase, nous élaborons une analyse asymptotique en fonction de la technique d'évolution de densité (DE), la technique EXIT (Extrinsic Information Transfer) et le théorème d'air. Finalement, en se basant sur l'analyse à taille finie et l'analyse asymptotique, nous ajustons les différentes paramètres internes de ces codes pour obtenir la configuration optimale sous le décodage hybride (IT/RS/ML). La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude des codes GLDPC-Staircase dans diverses situations. Tout d'abord, nous montrons que ces codes ont des performances asymptotiquement très proches de la limite de Shannon. En plus, à taille finie, ils permet- tent d'atteindre d'excellentes capacités de correction d'effacements (i.e., très proches de celles des codes MDS) peu importe la taille des objets : très faible overhead de décodage, faible plancher d'erreur, et une zone "waterfall" raide. Nous montrons aussi que les performances de ces codes sont trés proches des codes RaptorQ et surpassent celles des codes Raptor, les codes LDPC-Staircase, et un autre code GLDPC avec une construction différente. Finalement, nous proposons une méthodologie générale pour étudier l'impact de l'ordonnancement des paquets envoyés sur les performances des codes GLDPC-Staircase sur un grand nombre des canaux à effacements (avec des pertes en rafale ou pas). Cette étude montre le meilleur ordonnancement de paquets. Tous les résultats mentionnés ci-dessus montrent que les codes GLDPC-Staircase peuvent considérés comme des codes AL-FEC universels.

This thesis addresses the problem of inference in factor graphs, especially the LDPC codes, almost solved by message-passing algorithms. In particular, the Belief Propagation algorithm (BP) is investigated as a particular message-passing algorithm whose suboptimality is discussed in the case where the factor graph has a loop-like topology. From the equivalence between the BP and the Bethe approximation in statistical physics that is generalized to the region-based approximation, is detailed the Generalized Belief Propagation algorithm (GBP), a message-passing algorithm between clusters of the factor graph. It is experimentally shown to surpass the BP in the cases where the clustering deals with the harmful topological structures that prevents the BP from rightly decoding any LDPC code, namely the trapping sets. We do not only confront the BP and the GBP algorithms according to their performance from the point of view of the channel coding with the error-rate, but also according to their dynamical behaviors for non-trivial error-events for which both algorithms can exhibit chaotic beahviors. By means of classical and original dynamical quantifiers, it is shown that the GBP algorithm can overcome the BP algorithm.