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Pour permettre l’accroissement de débit et de robustesse dans les futurs systèmes de communication sans fil, les processus itératifs sont de plus considérés dans les récepteurs. Cependant, l’adoption d’un traitement itératif pose des défis importants dans la conception du récepteur. Dans cette thèse, un récepteur itératif combinant les techniques de détection multi-antennes avec le décodage de canal est étudié. Trois aspects sont considérés dans un contexte MIMOOFDM: la convergence, la performance et la complexité du récepteur. Dans un premier temps, nous étudions les différents algorithmes de détection MIMO à décision dure et souple basés sur l’égalisation, le décodage sphérique, le décodage K-Best et l’annulation d’interférence. Un décodeur K-best de faible complexité (LC-K-Best) est proposé pour réduire la complexité sans dégradation significative des performances. Nous analysons ensuite la convergence de la combinaison de ces algorithmes de détection avec différentes techniques de codage de canal, notamment le décodeur turbo et le décodeur LDPC en utilisant le diagramme EXIT. En se basant sur cette analyse, un nouvel ordonnancement des itérations internes et externes nécessaires est proposé. Les performances du récepteur ainsi proposé sont évaluées dans différents modèles de canal LTE, et comparées avec différentes techniques de détection MIMO. Ensuite, la complexité des récepteurs itératifs avec différentes techniques de codage de canal est étudiée et comparée pour différents modulations et rendement de code. Les résultats de simulation montrent que les approches proposées offrent un bon compromis entre performance et complexité. D’un point de vue implémentation, la représentation en virgule fixe est généralement utilisée afin de réduire les coûts en termes de surface, de consommation d’énergie et de temps d’exécution. Nous présentons ainsi une représentation en virgule fixe du récepteur itératif proposé basé sur le décodeur LC K-Best. En outre, nous étudions l’impact de l’estimation de canal sur la performance du système. Finalement, le récepteur MIMOOFDM itératif est testé sur la plateforme matérielle WARP, validant le schéma proposé. / Recently, iterative processing has been widely considered to achieve near-capacity performance and reliable high data rate transmission, for future wireless communication systems. However, such an iterative processing poses significant challenges for efficient receiver design. In this thesis, iterative receiver combining multiple-input multiple-output (MIMO) detection with channel decoding is investigated for high data rate transmission. The convergence, the performance and the computational complexity of the iterative receiver for MIMO-OFDM system are considered. First, we review the most relevant hard-output and soft-output MIMO detection algorithms based on sphere decoding, K-Best decoding, and interference cancellation. Consequently, a low-complexity K-best (LCK- Best) based decoder is proposed in order to substantially reduce the computational complexity without significant performance degradation. We then analyze the convergence behaviors of combining these detection algorithms with various forward error correction codes, namely LTE turbo decoder and LDPC decoder with the help of Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts. Based on this analysis, a new scheduling order of the required inner and outer iterations is suggested. The performance of the proposed receiver is evaluated in various LTE channel environments, and compared with other MIMO detection schemes. Secondly, the computational complexity of the iterative receiver with different channel coding techniques is evaluated and compared for different modulation orders and coding rates. Simulation results show that our proposed approaches achieve near optimal performance but more importantly it can substantially reduce the computational complexity of the system. From a practical point of view, fixed-point representation is usually used in order to reduce the hardware costs in terms of area, power consumption and execution time. Therefore, we present efficient fixed point arithmetic of the proposed iterative receiver based on LC-KBest decoder. Additionally, the impact of the channel estimation on the system performance is studied. The proposed iterative receiver is tested in a real-time environment using the MIMO WARP platform.

Channel coding plays a vital role in telecommunication. Low-Density Parity- Check (LDPC) codes are linear error-correcting codes. According to the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TS 38.212, LDPC is recommended for the Fifth-generation (5G) New Radio (NR) shared channels due to its high throughput, low latency, low decoding complexity and rate compatibility. LDPC encoding chain has been defined in 3GPP TS 38.212, but some details of LDPC encoding chain are still required to be explored in the MATLAB environment. For example, how to deal with the filler bits for encoding and decoding. However, as the reverse process of LDPC encoding, there is no information on LDPC decoding process for 5G NR shared channels in 3GPP TS 38.212. In this thesis project, LDPC encoding and decoding chains were thoughtfully developed with MATLAB programming based on 3GPP TS 38.212. Several LDPC decoding algorithms were implemented and optimized. The performance of LDPC algorithms was evaluated using block error rate (BLER) v.s. signal to noise ratio (SNR) and CPU time. Results show that the double diagonal structure-based encoding method is an efficient LDPC encoding algorithm for 5G NR. Layered Sum Product Algorithm (LSPA) and Layered Min-Sum Algorithm (LMSA) are more efficient than Sum Product Algorithm (SPA) and Min-Sum Algorithm (MSA). Layered Normalized Min-Sum Algorithm (LNMSA) with proper normalization factor and Layered Offset Min-Sum Algorithm (LOMSA) with good offset factor can optimize LMSA. The performance of LNMSA and LOMSA decoding depends more on code rate than transport block. / Kanalkodning spelar en viktig roll i telekommunikation. Paritetskontrollkoder med låg densitet (LDPC) är linjära felkorrigeringskoder. Enligt tredje generationens partnerskapsprojekt (3GPP) TS 38.212, LDPC rekommenderas för den femte generationens (5G) nya radio (NR) delade kanal på grund av dess höga genomströmning, låga latens, låga avkodningskomplexitet och hastighetskompatibilitet. LDPC kodningskedjan har definierats i 3GPP TS 38.212, men vissa detaljer i LDPC kodningskedjan krävs fortfarande för att utforskas i Matlabmiljön. Till exempel hur man hanterar fyllnadsbitar för kodning och avkodning. Men som den omvända processen för LDPC kodning finns det ingen information om LDPC avkodningsprocessen för 5G NR delade kanaler på 3GPP TS 38.212. I detta avhandlingsprojekt utvecklades LDPC-kodning och avkodningskedjor enligt 3GPP TS 38.212. Flera LDPC-avkodningsalgoritmer implementerades och optimerades. Prestandan för LDPC-algoritmer utvärderades med användning av blockfelshalt (BLER) v.s. signal / brusförhållande (SNR) och CPU-tid. Resultaten visar att den dubbla diagonala strukturbaserade kodningsmetoden är en effektiv LDPC kodningsalgoritm för 5G NR. Layered Sum Product Algorithm (LSPA) och Layered Min-Sum Algorithm (LMSA) är effektivare än Sum Product Algorithm (SPA) och Min-Sum Algorithm (MSA). Layered Normalized Min-Sum Algorithm (LNMSA) med rätt normaliseringsfaktor och Layered Offset Min-Sum Algorithm (LOMSA) med bra offsetfaktor kan optimera LMSA. Prestandan för LNMSA- och LOMSA-avkodning beror mer på kodhastighet än transportblock.

In 2008, the European Digital Video Broadcasting (DVB) standardization committee issued the second generation of Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T2) standard in order to enable the wide broadcasting of high definition and 3D TV programmes. DVB-T2 has adopted several new technologies to provide more robust reception compared to the first genaration standard. One important technology is the bit interleaved coded modulation (BICM) with doubled signal space diversity plus the usage of low-density parity check (LDPC) codes. Both techniques can be combined at the receiver side through an iterative process between the decoder and demapper in order to further increase the system performance. The object of my study was to design and prototype a DVB-T2 receiver which supports iterative process. The two main contributions to the demapper design are the proposal of a linear approximation of Euclidean distance computation and the derivation of a sub-region detection algorithm for the two-dimensional demapper. Both contributions allows the computational complexity of the demapper to be reduced for its hardware implementation. In order to enable iterative processing between the demapper and the decoder, we investigated the use of vertical shuffled Min-Sum LDPC decoding algorithm. A novel vertical shuffled iterative structure aiming at reducing the latency of iterative processing and the corresponding architecture of the decoder were proposed. The proposed demapper and decoder have been integrated in a real DVB-T2 demodulator and tested in order to validate the efficiency of the proposed architecture. The prototype of a simplified DVB-T2 transceiver has been implemented, in which the receiver supports both non-iterative process and iterative process. We published the first paper related to a DVB-T2 iterative receiver.

In this work, a multilayer security solution for digital communication systems is provided by considering the joint effects of physical-layer security channel codes with application-layer cryptography. We address two problems: first, the cryptanalysis of error-prone ciphertext; second, the design of a practical physical-layer security coding scheme. To our knowledge, the cryptographic attack model of the noisy-ciphertext attack is a novel concept. The more traditional assumption that the attacker has the ciphertext is generally assumed when performing cryptanalysis. However, with the ever-increasing amount of viable research in physical-layer security, it now becomes essential to perform the analysis when ciphertext is unreliable. We do so for the simple substitution cipher using an information-theoretic framework, and for stream ciphers by characterizing the success or failure of fast-correlation attacks when the ciphertext contains errors. We then present a practical coding scheme that can be used in conjunction with cryptography to ensure positive error rates in an eavesdropper's observed ciphertext, while guaranteeing error-free communications for legitimate receivers. Our codes are called stopping set codes, and provide a blanket of security that covers nearly all possible system configurations and channel parameters. The codes require a public authenticated feedback channel. The solutions to these two problems indicate the inherent strengthening of security that can be obtained by confusing an attacker about the ciphertext, and then give a practical method for providing the confusion. The aggregate result is a multilayer security solution for transmitting secret data that showcases security enhancements over standalone cryptography.

The importance of quantum error correction in paving the way to build a practical quantum computer is no longer in doubt. Despite the large body of literature in quantum coding theory, many important questions, especially those centering on the issue of "good codes" are unresolved. In this dissertation the dominant underlying theme is that of constructing good quantum codes. It approaches this problem from three rather different but not exclusive strategies. Broadly, its contribution to the theory of quantum error correction is threefold. Firstly, it extends the framework of an important class of quantum codes - nonbinary stabilizer codes. It clarifies the connections of stabilizer codes to classical codes over quadratic extension fields, provides many new constructions of quantum codes, and develops further the theory of optimal quantum codes and punctured quantum codes. In particular it provides many explicit constructions of stabilizer codes, most notably it simplifies the criteria by which quantum BCH codes can be constructed from classical codes. Secondly, it contributes to the theory of operator quantum error correcting codes also called as subsystem codes. These codes are expected to have efficient error recovery schemes than stabilizer codes. Prior to our work however, systematic methods to construct these codes were few and it was not clear how to fairly compare them with other classes of quantum codes. This dissertation develops a framework for study and analysis of subsystem codes using character theoretic methods. In particular, this work established a close link between subsystem codes and classical codes and it became clear that the subsystem codes can be constructed from arbitrary classical codes. Thirdly, it seeks to exploit the knowledge of noise to design efficient quantum codes and considers more realistic channels than the commonly studied depolarizing channel. It gives systematic constructions of asymmetric quantum stabilizer codes that exploit the asymmetry of errors in certain quantum channels. This approach is based on a Calderbank- Shor-Steane construction that combines BCH and finite geometry LDPC codes.

Traditional solutions to information security in communication systems act in the application layer and are oblivious to the effects in the physical layer. Physical-layer security methods, of which information-theoretic security is a special case, try to extract security from the random effects in the physical layer. In information-theoretic security, there are two asymptotic notions of secrecy---weak and strong secrecy This dissertation investigates the problem of information-theoretic strong secrecy on the binary erasure wiretap channel (BEWC) with a specific focus on designing practical codes. The codes designed in this work are based on analysis and techniques from error-correcting codes. In particular, the dual codes of certain low-density parity-check (LDPC) codes are shown to achieve strong secrecy in a coset coding scheme. First, we analyze the asymptotic block-error rate of short-cycle-free LDPC codes when they are transmitted over a binary erasure channel (BEC) and decoded using the belief propagation (BP) decoder. Under certain conditions, we show that the asymptotic block-error rate falls according to an inverse square law in block length, which is shown to be a sufficient condition for the dual codes to achieve strong secrecy. Next, we construct large-girth LDPC codes using algorithms from graph theory and show that the asymptotic bit-error rate of these codes follow a sub-exponential decay as the block length increases, which is a sufficient condition for strong secrecy. The secrecy rates achieved by the duals of large-girth LDPC codes are shown to be an improvement over that of the duals of short-cycle-free LDPC codes.

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Le codage de canal est une opération mathématique qui améliore la qualité des transmissions numériques en corrigeant les bits erronés en réception. Les contraintes des usages comme la qualité de réception, les débits d'utilisation, la latence de calcul, la surface ou encore la consommation électrique favorisent l'usage de différents codes dans la standardisation des protocoles de communication. La tendance industrielle est à la convergence des réseaux de communication pour des usages variés. Ce large choix de codage devient un handicap pour la conception de transmetteurs à bas coûts. Les réseaux médias favorisent des codes correcteurs d'erreurs avancés comme les turbocodes et les codes LDPC pour répondre aux contraintes de qualité de réception. Or ces procédés ont un coût de décodage important sur les récepteurs finaux. Une architecture adaptée à plusieurs types de codes capable d'évoluer en fonction d'une modification du protocole d'accès devient inévitable pour élaborer de nouveaux scénarios d'usages. Ce mémoire présente le principe du codage de canal et la plupart des codes correcteurs d'erreurs avancés sélectionnés dans les standards de communication courants. Les caractéristiques communes des codes QC-LDPC et des turbocodes sont soulignées. Les principaux algorithmes ainsi que certaines architectures de décodage sont présentés. La complexité matérielle des principaux algorithmes de décodage est évaluée. Ils sont comparés pour un même code et à un niveau de correction équivalent pour les codes QC-LDPC. Une étude similaire est réalisée sur les turbocodes. Les algorithmes de décodage sont appliqués sur des codes de tailles et de rendements proches et dimensionnés pour atteindre une correction similaire afin de sélectionner un algorithme de décodage conjoint aux deux familles de code. Les codes QC-LDPC et les turbocodes se structurent à l'aide d'une représentation en treillis commune. La technique de fenêtrage couramment appliquée au décodage des turbocodes est étudiée pour le décodage d'un code QC-LDPC. Enfin, l'entrelacement des codes QC-LDPC est mis en évidence et reconsidéré en fonction des contraintes matérielles. Un coeur de décodage de treillis compatible avec les standards 3GPP LTE et IEEE 802.11n est proposé. Plusieurs structures de décodage sont ensuite introduites incorporant un ou plusieurs de ces coeurs. L'intégration sur cible FPGA est détaillée. Un scénario d'utilisation avec un contexte de décodage évoluant à chaque message reçu est proposé ce qui souligne l'impact de la reconfiguration sur les débits de décodage. La structure multistandard nécessite 4,2 % (respectivement 5,3 %) de ressources matérielles supplémentaires à une structure compatible avec le standard 3GPP LTE (resp. IEEE 802.11n) seul. La dégradation du débit maximal due à la reconfiguration entre le décodage des mots de code est d'au plus 1 %. Une architecture à plusieurs coeurs est également portée sur une cible ASIC de 65 nm. Cette architecture fonctionne à une fréquence de 500 Mhz sur une surface de 2,1 mm2 décodant les mots de code 3GPP LTE et IEEE 802.11n, et acceptant une reconfiguration dynamique entre deux mots de code consécutifs.

La découverte dans les années 90 des Turbo-codes et, plus généralement du principe itératif appliqué au traitement du signal, a révolutionné la manière d'appréhender un système de communications numériques. Cette avancée notable a permis la re-découverte des codes correcteurs d'erreurs inventés par R. Gallager en 1963, appelés codes Low Density Parity Check (LDPC). L'intégration des techniques de codage dites avancées, telles que les Turbo-codes et les codes LDPC, se généralise dans les standards de communications. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier de nouvelles structures de codage de type LDPC associées à des architectures de décodeurs alliant performances et flexibilité.<br />Dans un premier temps, une large présentation des codes LDPC est proposée incluant les notations et les outils algorithmiques indispensables à la compréhension. Cette introduction des codes LDPC souligne l'intérêt qu'il existe à concevoir conjointement le système de codage/décodage et les architectures matérielles. Dans cette optique, une famille de codes LDPC particulièrement intéressante est décrite. En particulier nous proposons des règles de construction de codes pour en contraindre le spectre des distances de Hamming. Ces contraintes sont intégrées dans la définition d'un nouvel algorithme de définition de codes travaillant sur une représentation compressée du code par un graphe.<br />Les propriétés structurelles du code sont ensuite exploitées pour définir l'algorithme de décodage. Cet algorithme, caractérisé par le fait qu'il considère une partie du code comme un code convolutif, converge plus rapidement que les algorithmes habituellement rencontrés tout en permettant une grande flexibilité en termes de rendements de codage. Différentes architectures de décodeurs sont alors décrites et discutées. Des contraintes sur les codes sont ensuite exposées pour exploiter pleinement les propriétés des architectures.<br />Dans un dernier temps, une des architectures proposées est évaluée par l'intégration d'un décodeur sur un composant programmable. Dans différents contextes, des mesures de performances et de complexité montrent l'intérêt de l'architecture proposée.