Une qualité de service uniforme pour les utilisateurs mobiles et une utilisation distribuée du spectre représentent les ingrédients clés des réseaux cellulaires de prochaine génération. Dans ce but, la coopération au niveau de la couche physique entre les nœuds de l’infrastructure et les nœuds du réseau sans fil a émergé comme une technique à fort potentiel. La coopération s’appuie sur les propriétés de diffusion du canal sans fil, c’est-à-dire que la même transmission peut être entendue par plusieurs nœuds, ouvrant ainsi la possibilité pour les nœuds de s’aider à transmettre les messages à leur destination finale. La coopération promet aussi d’offrir une façon nouvelle et intelligente de gérer les interférences, au lieu de simplement les ignorer et les traiter comme du bruit. Comprendre comment concevoir ces systèmes radio coopératifs, afin que les ressources disponibles soient pleinement utilisées, est d’une importance fondamentale. L’objectif de cette thèse est de mener une étude du point de vue de la théorie de l’information, pour des systèmes sans fil pertinents dans la pratique, où les nœuds de l’infrastructure coopèrent en essayant d’améliorer les performances du réseau. Les systèmes radio avec des relais semi-duplex ainsi que les scénarios où une station de base aide à servir les utilisateurs mobiles associés à une autre station de base, sont les réseaux sans fil coopératifs étudiés dans cette thèse. Le but principal est la progression vers la caractérisation de la capacité de ces systèmes sans fil au moyen de dérivation de nouvelles bornes supérieures pour les performances et la conception de nouvelles stratégies de transmission permettant de les atteindre. / A uniform mobile user quality of service and a distributed use of the spectrum represent the key-ingredients for next generation cellular networks. Toward this end, physical layer cooperation among the network infrastructure and the wireless nodes has emerged as a potential technique. Cooperation leverages the broadcast nature of the wireless medium, that is, the same transmission can be heard by multiple nodes, thus opening up the possibility that nodes help one another to convey the messages to their intended destination. Cooperation also promises to offer novel and smart ways to manage interference, instead of just simply disregarding it and treating it as noise. Understanding how to properly design such cooperative wireless systems so that the available resources are fully utilized is of fundamental importance.The objective of this thesis is to conduct an information theoretic study on practically relevant wireless systems where the network infrastructure nodes cooperate among themselves in an attempt to enhance the network performance in many critical aspects, such as throughput, robustness and coverage. Wireless systems with half-duplex relay stations as well as scenarios where a base station overhears another base station and consequently helps serving this other base station's associated mobile users, represent the wireless cooperative networks under investigation in this thesis. The prior focus is to make progress towards characterizing the capacity of such wireless systems by means of derivation of novel outer bounds and design of new provably optimal transmission strategies.