Cette thèse explore, sous certains paramètres réalistes, l’une des techniques clés pour les réseaux sans fil de demain, i.e., la réduction des interférences permis par la voie de retour (feedback). Nous nous concentrons sur la voie de retour du type d’état, également connu sous le nom de CSIT retardé, qui aide les récepteurs à profiter des observations indésirables par créer des dimensions de signaux supplémentaires. Afin de vérifier l’utilité de la CSIT retardé dans des situations sévères, nous l’étudions avec SNR fini et / ou avec la hétérogénéité de la voie de retour dans une configuration de communication de diffusion, qui est largement utilisé pour modéliser la transmission de liaison descendante dans les systèmes cellulaires. Tout au long de la thèse, nous utilisons des outils de théorie information, par exemple, le codage lossy distribué, bloc Markov codage, la technique de compression (Wyner-Ziv), etc.Dans la première partie de cette thèse, nous sommes surtout intéressés par la performance de CSIT retardée avec SNR fini et l’uniformité à travers les résultats dans le canal Gaussien et dans le canal d’effacement. Plusieurs schémas relativement simples sont proposés pour des canaux de diffusion multiutilisateur (sans mémoire) dans le cas où les états sont supposés être entièrement connus à la destination, mais causalement à l’émetteur. Lors de l’analyse des régions correspondantes les cas Gaussien/ d’effacement, nous avons caractérisé des améliorations en termes de débits symétriques plus élevés et plus d’options de l’alphabet d’entré.Dans la deuxième partie de cette thèse, les algorithmes adaptés aux hétérogénéités différentes de la voie de retour sont ciblés, c’est-à-dire, seulement une partie des nœuds de communication sont impliqués dans le processus de feedback. En particulier, nous nous concentrons sur le canal de 1) diffusion supporté par les voies de retour des récepteurs partiels, 2) diffusion avec relais et voie de retour au relais. Étant donné que (tous /partiel) états retardés sont accessibles à des émetteurs (tous/partiels), les approches proposées, bien qu’ils emploient les méthodes de codages visant à réduire les interférences à tous les récepteurs, doivent soit donner la priorité aux utilisateurs qui fournissent les états et compter sur un gain de codage opportuniste pour les autres, soit forcer chaque source à prendre la responsabilité partielle de transmission. Les améliorations sur les débits réalisables sont justifiées dans des cas avec analyse et quelques exemples. Les résultats et les évaluations de cette thèse, qui donnent quelques indications sur comment le retour d’état peut être exploité dans la transmission de liaison descendante, montrent qu’une bonne performance de débit pourrait être atteinte avec le CSIT retardé même lorsque la puissance de transmission est limitée et lorsque le retour d’état est disponible de façon hétérogène. / This dissertation explores one of the key techniques for future wireless networks, namely feedback enabled interference mitigation, under some realistic settings. We focus on the state-type feedback, also known as delayed CSIT, which helps leverage receivers’ overheard observations to create extra signal dimensions. In order to verify the usefulness of delayed CSIT in harsh situations, we investigate it with finite SNR and/or feedback heterogeneity in a broadcast communication setup, which is widely utilized to model downlink transmission in cellular systems. Throughout the thesis, we use some information theoretical tools, e.g., distributed lossy source coding, block Markov coding, Wyner-Ziv compression technique, e.t.c.In the first part of this dissertation, we are mainly interested in the finite SNR performance of delayed CSIT and the uniformity across the results in the Gaussian broadcast channel and in the erasure channel. Several relatively simple schemes are proposed in multi-user memoryless broadcast channels when states are assumed to be fully known at the destinations but only strictly causally at the transmitter. Enhancements in terms of higher symmetric rates and more input alphabet options are then characterized when analyzing the corresponding regions in Gaussian/erasure cases.In the second part of this dissertation, algorithms adapted to distinct feedback heterogeneities are targeted as only part of the communication nodes are involved in the feedback process. In particular, we concentrate on 1) broadcast channel with feedback from part of all receivers; and 2) broadcast relay channel with feedback at the relay. Given that (partial) delayed states are accessible at (partial) transmitters, the proposed approaches, though employ coding methods aiming at mitigating interference at all receivers, have to either give priority to the users who feedback and rely on opportunistic coding gain for the others or force each source to take limited responsibility in the transmission. Improvements on achievable rates are justified in either cases with analysis and some examples.The results and their evaluations in this thesis, which give some insights on how to exploit the state feedback in downlink transmission, show that good rate performance can be achieved with delayed CSIT even when transmission power is limited and when the state feedback is heterogeneous.

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We consider the problem of secure communications in a Gaussian two-way relay network where two nodes exchange confidential messages only via an untrusted relay. The relay is assumed to be honest but curious, i.e., an eavesdropper that conforms to the system rules and applies the intended relaying scheme. We analyze the achievable secrecy rates by applying network coding on the physical layer or the network layer and compare the results in terms of complexity, overhead, and efficiency. Further, we discuss the advantages and disadvantages of the respective approaches.

Dans cette thèse, nous menons une étude dans le cadre de la théorie de l'information sur deux questions importantes de la communication sans fil : l'amélioration du débit de données dans les réseaux avec interférence grâce à la coopération entre utilisateurs et le renforcement de la sécurité des transmissions à l'aide d'un signal de rétroaction.Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur le modèle le plus simple qui intègre à la fois l'interférence et la coopération, le canal à relais et interférence ou IRC (Interference Relay Channel). Notre objectif est de caractériser dans un nombre fixe de bits la région de capacité du IRC gaussien. À cette fin, nous dérivons une nouvelle limite supérieure de la capacité et deux stratégies de transmission. La limite supérieure est notamment obtenue grâce à une extension non triviale que nous proposons, de la classe de canaux semi-déterministe et injective à l'origine dérivée par Telatar et Tse pour le canal à interférence.Dans la seconde partie, nous étudions le canal avec espion et rétroaction généralisée ou WCGF (Wiretap Channel with Generalized Feedback). Notre objectif est de développer une stratégie de transmission générale qui englobe les résultats existants pour les différents modèles de rétroaction trouvés dans la littérature. À cette fin, nous proposons deux stratégies de transmission différentes sur la capacité du WCGF sans mémoire. Nous dérivons d'abord une stratégie qui est basée sur le codage source-canal conjoint. Nous introduisons ensuite une seconde stratégie où le signal de rétroaction est utilisé pour générer une clé secrète qui permet de chiffrer le message partiellement ou totalement. / In this thesis, we conduct an information-theoretic study on two important aspects of wireless communications: the improvement of data throughput in interference-limited networks by means of cooperation between users and the strengthening of the security of transmissions with the help of feedback.In the first part of the thesis, we focus on the simplest model that encompasses interference and cooperation, the Interference Relay Channel (IRC). Our goal is to characterize within a fixed number of bits the capacity region of the Gaussian IRC, independent of any channel conditions. To do so, we derive a novel outer bound and two inner bounds. Specifically, the outer bound is obtained thanks to a nontrivial extension we propose of the injective semideterministic class of channels, originally derived by Telatar and Tse for the Interference Channel (IC).In the second part of the thesis, we investigate the Wiretap Channel with Generalized Feedback (WCGF) and our goal is to provide a general transmission strategy that encompasses the existing results for different feedback models found in the literature. To this end, we propose two different inner bounds on the capacity of the memoryless WCGF. We first derive an inner bound that is based on the use of joint source-channel coding, which introduces time dependencies between the feedback outputs and the channel inputs through different time blocks. We then introduce a second inner bound where the feedback link is used to generate a key that encrypts the message partially or completely.

Dans cette thèse, nous menons une étude dans le cadre de la théorie de l'information sur deux questions importantes de la communication sans fil : l'amélioration du débit de données dans les réseaux avec interférence grâce à la coopération entre utilisateurs et le renforcement de la sécurité des transmissions à l'aide d'un signal de rétroaction.Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur le modèle le plus simple qui intègre à la fois l'interférence et la coopération, le canal à relais et interférence ou IRC (Interference Relay Channel). Notre objectif est de caractériser dans un nombre fixe de bits la région de capacité du IRC gaussien. À cette fin, nous dérivons une nouvelle limite supérieure de la capacité et deux stratégies de transmission. La limite supérieure est notamment obtenue grâce à une extension non triviale que nous proposons, de la classe de canaux semi-déterministe et injective à l'origine dérivée par Telatar et Tse pour le canal à interférence.Dans la seconde partie, nous étudions le canal avec espion et rétroaction généralisée ou WCGF (Wiretap Channel with Generalized Feedback). Notre objectif est de développer une stratégie de transmission générale qui englobe les résultats existants pour les différents modèles de rétroaction trouvés dans la littérature. À cette fin, nous proposons deux stratégies de transmission différentes sur la capacité du WCGF sans mémoire. Nous dérivons d'abord une stratégie qui est basée sur le codage source-canal conjoint. Nous introduisons ensuite une seconde stratégie où le signal de rétroaction est utilisé pour générer une clé secrète qui permet de chiffrer le message partiellement ou totalement. / In this thesis, we conduct an information-theoretic study on two important aspects of wireless communications: the improvement of data throughput in interference-limited networks by means of cooperation between users and the strengthening of the security of transmissions with the help of feedback.In the first part of the thesis, we focus on the simplest model that encompasses interference and cooperation, the Interference Relay Channel (IRC). Our goal is to characterize within a fixed number of bits the capacity region of the Gaussian IRC, independent of any channel conditions. To do so, we derive a novel outer bound and two inner bounds. Specifically, the outer bound is obtained thanks to a nontrivial extension we propose of the injective semideterministic class of channels, originally derived by Telatar and Tse for the Interference Channel (IC).In the second part of the thesis, we investigate the Wiretap Channel with Generalized Feedback (WCGF) and our goal is to provide a general transmission strategy that encompasses the existing results for different feedback models found in the literature. To this end, we propose two different inner bounds on the capacity of the memoryless WCGF. We first derive an inner bound that is based on the use of joint source-channel coding, which introduces time dependencies between the feedback outputs and the channel inputs through different time blocks. We then introduce a second inner bound where the feedback link is used to generate a key that encrypts the message partially or completely.

Due to its significant advantage in spectral efficiency, multiple-antenna communication technology will undoubtedly be a major component in future wireless system implementations. However, the full exploitation of this technology also requires perfect feedback of channel state information (CSI) to the transmitter-- something that is not practically feasible. This motivates the study of limited feedback systems, where CSI feedback is rate limited. This thesis focuses on the optimal design of limited feedback systems for three types of communication channels: the relay channel, the single-user point-to-point channel, and the multiuser broadcast channel. For the relay channel, we prove the efficiency of the Grassmannian codebooks as the source and relay beamforming codebooks, and propose a method for CSI exchange between the relay and the destination when global CSI is not available at destination. For the single-user point-to-point channel, we study the joint power control and beamforming problem and address the channel magnitude and direction quantization codebook design problem. It is shown that uniform quantization of the channel magnitude (in dB scale) is asymptotically optimal regardless of the channel distribution. The analysis further derives the optimal split of feedback bandwidth between the magnitude and direction quantization codebooks. For the multiuser broadcast channel, we first prove the sufficiency of a product magnitude-direction quantization codebook for managing the multiuser interference. We then derive the optimal split of feedback bandwidth across the users and their magnitude and direction codebooks. The optimization results reveal an inherent structural difference between the single-user and multiuser quantization codebooks: a multiuser codebook should have a finer direction quantization resolution as compared to a single-user codebook. It is further shown that the users expecting higher rates and requiring more reliable communication should provide a finer quantization of their CSI. Finally, we determine the minimum required total feedback rate based on users' quality-of-service constraints and derive the scaling of the system performance with the total feedback rate.

Due to its significant advantage in spectral efficiency, multiple-antenna communication technology will undoubtedly be a major component in future wireless system implementations. However, the full exploitation of this technology also requires perfect feedback of channel state information (CSI) to the transmitter-- something that is not practically feasible. This motivates the study of limited feedback systems, where CSI feedback is rate limited. This thesis focuses on the optimal design of limited feedback systems for three types of communication channels: the relay channel, the single-user point-to-point channel, and the multiuser broadcast channel. For the relay channel, we prove the efficiency of the Grassmannian codebooks as the source and relay beamforming codebooks, and propose a method for CSI exchange between the relay and the destination when global CSI is not available at destination. For the single-user point-to-point channel, we study the joint power control and beamforming problem and address the channel magnitude and direction quantization codebook design problem. It is shown that uniform quantization of the channel magnitude (in dB scale) is asymptotically optimal regardless of the channel distribution. The analysis further derives the optimal split of feedback bandwidth between the magnitude and direction quantization codebooks. For the multiuser broadcast channel, we first prove the sufficiency of a product magnitude-direction quantization codebook for managing the multiuser interference. We then derive the optimal split of feedback bandwidth across the users and their magnitude and direction codebooks. The optimization results reveal an inherent structural difference between the single-user and multiuser quantization codebooks: a multiuser codebook should have a finer direction quantization resolution as compared to a single-user codebook. It is further shown that the users expecting higher rates and requiring more reliable communication should provide a finer quantization of their CSI. Finally, we determine the minimum required total feedback rate based on users' quality-of-service constraints and derive the scaling of the system performance with the total feedback rate.

The number of secure data streams a relay-assisted interference channel can support has been an intriguing problem. The problem is not solved even for a fundamental scenario with a single antenna at each transmitter, receiver and relay. In this paper, we study the achievable secure degrees of freedom of instantaneous relay-assisted interference channels with real and complex coefficients. The study of secure degrees of freedom with complex coefficients is not a trivial multiuser extension of the scenarios with real channel coefficients as in the case for the degrees of freedom, due to secrecy constraints. We tackle this challenge by jointly designing the improper transmit signals and widely-linear relay processing strategies.

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.