Interference is a key limiting factor in modern communication systems. In a wireless cellular network, the performance of cell-edge users is severely limited by the intercell interference. This thesis studies the use of interference-channel and relay-channel techniques to mitigate intercell interference and to improve the throughput and coverage of cellular networks. The aim of this thesis is to demonstrate the benefit of the proposed interference mitigation schemes through both information theoretical studies and applications in the cellular network. There are three mains results in this thesis: First, it is shown that for the $K$-user cyclic Gaussian interference channel, where the $k$th user interferes with only the ($k -1$)th user (mod $K$) in the network, the Etkin-Tse Wang power splitting strategy achieves the capacity region to within 2 bits in the weak interference regime. For the special 3-user case, this gap can be sharpened to $1\frac{1}{2}$ bits by the time-sharing technique. Second, it is shown that for a two-user Gaussian interference channel with an in-band-reception and out-of-band transmission relay, generalized hash-and-forward together with Han-Kobayashi information splitting can achieve the capacity region of this channel to within a constant number of bits in a certain weak-relay regime. A generalized-degrees-of-freedom analysis in the high signal-to-noise ratio regime reveals that in the symmetric channel setting, each common relay bit improves the sum rate up to two bits. The third part of this thesis studies an uplink multicell joint processing model in which the base stations are connected to a centralized processing server via rate-limited digital backhaul links. This thesis proposes a suboptimal achievability scheme employing the Wyner-Ziv compress-and-forward relaying technique and successive-interference-cancellation decoding. The main advantage of the proposed approach is that it results in achievable rate regions that are easily computable, in contrast to previous schemes in which the rate regions can only be characterized by exponential number of rate constraints.

Interference is a key limiting factor in modern communication systems. In a wireless cellular network, the performance of cell-edge users is severely limited by the intercell interference. This thesis studies the use of interference-channel and relay-channel techniques to mitigate intercell interference and to improve the throughput and coverage of cellular networks. The aim of this thesis is to demonstrate the benefit of the proposed interference mitigation schemes through both information theoretical studies and applications in the cellular network. There are three mains results in this thesis: First, it is shown that for the $K$-user cyclic Gaussian interference channel, where the $k$th user interferes with only the ($k -1$)th user (mod $K$) in the network, the Etkin-Tse Wang power splitting strategy achieves the capacity region to within 2 bits in the weak interference regime. For the special 3-user case, this gap can be sharpened to $1\frac{1}{2}$ bits by the time-sharing technique. Second, it is shown that for a two-user Gaussian interference channel with an in-band-reception and out-of-band transmission relay, generalized hash-and-forward together with Han-Kobayashi information splitting can achieve the capacity region of this channel to within a constant number of bits in a certain weak-relay regime. A generalized-degrees-of-freedom analysis in the high signal-to-noise ratio regime reveals that in the symmetric channel setting, each common relay bit improves the sum rate up to two bits. The third part of this thesis studies an uplink multicell joint processing model in which the base stations are connected to a centralized processing server via rate-limited digital backhaul links. This thesis proposes a suboptimal achievability scheme employing the Wyner-Ziv compress-and-forward relaying technique and successive-interference-cancellation decoding. The main advantage of the proposed approach is that it results in achievable rate regions that are easily computable, in contrast to previous schemes in which the rate regions can only be characterized by exponential number of rate constraints.

In this thesis we formulate joint cell, channel and power allocation problems within wireless communication networks. The objectives are to maximize the user with mini- mum data throughput (Shannon capacity) or to maximize the total system throughput, referred to as the max-min and max-sum problem respectively. The complexity is stud- ied together with proposed optimization- and heuristic-based approaches. In the first paper an overall joint cell, channel and power allocation max-min prob- lem is formulated. We show that the decision problem is NP-hard and that the op- timization problem is not approximable unless P is equal to NP, for instances with a sufficiently large number of channels. Further, it follows that for a feasible binary cell and channel allocation, the remaining continuous power allocation optimization problem is still not approximable unless P is equal to NP. In addition, it is shown that first-order optimality conditions give global optimum of the single channel power al- location optimization problem, although the problem is in general not convex. In the following two papers heuristics for solving the overall problem are proposed. In the second paper we consider the single channel problem with convex combinations of the max-min and the max-sum objective functions. This variable utility provides the ability of tuning the amount of fairness and total throughput. The third paper investi- gates the multiple channel setting. On a system with three cells, eight mobile users and three channels, we perform an exhaustive search over feasible cell and channel alloca- tions. The exhaustive search is then compared to the less computationally expensive heuristic approaches, presenting potential earnings to strive for. A conclusion is that several of the proposed heuristics perform very well. The final paper incorporates fixed relay stations into the overall joint cell, channel and power allocation max-min problem. The complexity is inherited from the formula- tion without relay stations. Further, we propose a heuristic channel allocation approach that shows good performance, compared to an optimization based approach, in numer- ical simulations on the relay setting. / Financial support by the Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) QC 20110915

Au cours des 15 dernières années, des progrès spectaculaires dans l'analyse et la conception des codes définis par des graphes bipartites et dé-codables par des algorithmes itératifs ont permis le développement de systèmes de correction d'erreurs, avec des performances de plus en plus proches la limite théorique de Shannon. Dans ce contexte, un rôle déterminant a été joué par la famille des codes à matrice de parité creuse, appelés codes LDPC (pour « Low-Density Parity-Check », en anglais), introduit par Gallager au début des années 60 et décrits plus tard en termes de graphes bipartites. Négligés pendant de longues années, ces codes ont été redécouverts à la fin des années 90, après que la puissance du décodage itératif a été mise en évidence grâce à l'invention des Turbo-codes. Ce n'est qu'au début des années 2000 que les techniques nécessaires à l'analyse et l'optimisation des codes LDPC ont été développées, techniques qui ont permis ensuite la construction des codes avec des performances asymptotiques proches de la limite de Shannon. Cette remarquable avancée a motivé l'intérêt croissant de la communauté scientifique et soutenu le transfert rapide de cette technologie vers le secteur industriel. Plus récemment, un intérêt tout particulier a été porté aux codes LDPC définis sur des alphabets non-binaires, grâce notamment à leur meilleure capacité de correction en « longueur finie ». Bien que Gallager ait déjà proposé l'utilisation des alphabets non-binaires, en utilisant l'arithmétique modulaire, les codes LDPC non-binaires définis sur les corps finis n'ont étés étudiés qu'à partir de la fin des années 90. Il a été montré que ces codes offrent de meilleures performances que leurs équivalents binaires lorsque le bloc codé est de longueur faible à modérée, ou lorsque les symboles transmis sur le canal sont eux-mêmes des symboles non-binaires, comme par exemple dans le cas des modulations d'ordre supérieur ou des canaux à antennes multiples.Cependant, ce gain en performance implique un coût non négligeable en termes de complexité de décodage, quipeut entraver l'utilisation des codes LDPC non binaires dans des systèmes réels, surtout lorsque le prix à payer encomplexité est plus important que le gain en performance.Cette thèse traite de l'analyse et de la conception des codes LDPC non binaires pour des canaux à évanouissements. L'objectif principal de la thèse est de démontrer que, outre le gain en performance en termes de capacité de correction, l'emploi des codes LDPC non binaires peut apporter des bénéfices supplémentaires,qui peuvent compenser l'augmentation de la complexité du décodeur. La « flexibilité » et la « diversité »représentent les deux bénéfices qui seront démontrées dans cette thèse. La « flexibilité » est la capacité d'unsystème de codage de pouvoir s'adapter à des débits (rendements) variables tout en utilisant le même encodeuret le même décodeur. La « diversité » se rapporte à sa capacité d'exploiter pleinement l'hétérogénéité du canal de communication.La première contribution de cette thèse consiste à développer une méthode d'approximation de l'évolution de densité des codes LDPC non-binaires, basée sur la simulation Monte-Carlo d'un code « infini ». Nous montrons que la méthode proposée fournit des estimations très fines des performances asymptotiques des codes LDPCnon-binaires et rend possible l'optimisation de ces codes pour une large gamme d'applications et de modèles de canaux.La deuxième contribution de la thèse porte sur l'analyse et la conception de système de codage flexible,utilisant des techniques de poinçonnage. Nous montrons que les codes LDPC non binaires sont plus robustes au poinçonnage que les codes binaires, grâce au fait que les symboles non-binaires peuvent être partialement poinçonnés. Pour les codes réguliers, nous montrons que le poinçonnage des codes non-binaires obéit à des règles différentes, selon que l'on poinçonne des symboles de / Over the last 15 years, spectacular advances in the analysis and design of graph-basedcodes and iterative decoding techniques paved the way for the development of error correctionsystems operating very close to the theoretical Shannon limit. A prominent rolehas been played by the class of Low Density Parity Check (LDPC) codes, introduced inthe early 60's by Gallager's and described latter in terms of sparse bipartite graphs. In theearly 2000's, LDPC codes were shown to be capacity approaching codes for a wide rangeof channel models, which motivated the increased interest of the scientific community andsupported the rapid transfer of this technology to the industrial sector. Over the past fewyears there has been an increased interest in non-binary LDPC codes due to their enhancedcorrection capacity. Although Gallager already proposed in his seminal work the use ofnon-binary alphabets (by using modular arithmetic), non-binary LDPC codes defined overfinite fields have only been investigated starting with the late 90's. They have been provento provide better performance than their binary counterparts when the block-length issmall to moderate, or when the symbols sent through channel are not binary, which is thecase for high-order modulations or for multiple-antennas channels. However, the performancegain comes at a non-negligible cost in the decoding complexity, which may prohibitthe use of non-binary LDPC codes in practical systems, especially when the price to payin decoding complexity is too high for the performance gain that one can get.This thesis addresses the analysis and design of non-binary LDPC codes for fadingchannels. The main goal is to demonstrate that besides the gain in the decoding performance,the use of non-binary LDPC codes can bring additional benefits that may offsetthe extra cost in decoding complexity. Flexibility and diversity are the two benefitsthat we demonstrate in this thesis. The exibility is the capacity of a coding system toaccommodate multiple coding rates through the use of a unique encoder/decoder pair. Thediversity of a coding system relates to its capacity to fully exploit the communicationchannel's heterogeneity.The first contribution of the thesis is the development of a Density Evolution approximationmethod, based on the Monte-Carlo simulation of an infinite code. We showthat the proposed method provides accurate and precise estimates of non-binary ensemblethresholds, and makes possible the optimization of non-binary codes for a wide range ofapplications and channel models.The second contribution of the thesis consists of the analysis and design of flexiblecoding schemes through the use of puncturing. We show that the non-binary LDPCcodes are more robust to puncturing than their binary counterparts, thanks to the factthat non-binary symbol-nodes can be only partially punctured. For regular codes, we showthat the design of puncturing patterns must respect different rules depending on whetherthe symbol-nodes are of degree 2 or higher. For irregular codes we propose an optimizationprocedure and we present optimized puncturing distributions for non-binary LDPC codes,iiiwhich exhibit a gap to capacity between 0.2 and 0.5dB , for punctured rates varying from0.5 to 0.9.The third contribution investigates the non-binary LDPC codes transmitted over aRayleigh (fast) fading channel, in which different modulated symbols are affected by differentfading factors. In case of one-to-one correspondence between modulated and codedsymbols, deep fading can make some coded symbols totally unrecoverable, leading to apoor system performance. In order to avoid this phenomenon, binary diversity can beexploited by using a bit-interleaver module placed between the encoder and the modulator.We propose an optimized interleaving algorithm, inspired from the Progressive Edge-Growth (PEG) method, which ensures maximum girth of th

NASCIMENTO, M. F. S. TV white space for digital inclusion in Brazil. 2017. 72 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. / Submitted by Renato Vasconcelos (ppgeti@ufc.br) on 2017-09-08T18:02:47Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_mfnascimento.pdf: 5688076 bytes, checksum: 1cc24af829d0f32975a0885021225eb2 (MD5) / Rejected by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br), reason: Prezado Matheus: Existe uma orientação para que normalizemos as dissertações e teses da UFC, em suas paginas pré-textuais e lista de referencias, pelas regras da ABNT. Por esse motivo, sugerimos consultar o modelo de template, para ajudá-lo nesta tarefa, disponível em: http://www.biblioteca.ufc.br/educacao-de-usuarios/templates/ Vamos agora as correções sempre de acordo com o template: 1. Na capa as informações relativas a hierarquia institucional deve ser em língua portuguesa, Nome da INSTITUIÇÃO; do CENTRO; do DEPARTAMENTO e do PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO. Nesta ordem. 2. Na folha de rosto (que segue a capa) Apenas o titulo deve ficar em inglês as demais informações são em português. A partir da folha de rosto, todas as outras devem ficar em inglês. 3. A dedicatória está fora da distancia necessária até o final da folha. 4. A palavra Acknowledgments é em caixa alta, negrito e centralizada na folha. 5. A epígrafe está fora da distancia necessária até o final da folha. 6. O resumo deve vir antes do Abstract, mesmo quando o trabalho for em língua inglesa. A palavra resumo é em caixa alta, negrito e centralizada na folha. E a expressão Palavras-chave deve ser em negrito. 7. O sumário deve ser todo em negrito e nas seções com 3 dígitos (2.2.1) além de negrito deve ser em itálico. 8. Na lista de referências, veja o espaço entre as linhas que a ABNT determina. Coloque os nomes dos autores entrando pelo sobrenome, seguido do pré nome. Ex. Coelho Junior, Hélio. Se vc optar por abreviar os nomes em toda a lista eles devem ser abreviados. Se vc optar em colocar por extenso em toda e lista deve ficar por extenso para haver uma padronização. Os títulos das publicações devem ser destacadas com o uso do negrito (não use aspas). Com exceção dos artigos de periódicos que devem ser destacados o nome das revistas e não o titulo do artigo. Ao citar os artigos coloque as abreviações v. n. p. e não vol. no e pp. Após essas correções, enviaremos o nada consta por e-mail. Att. Marlene Rocha mmarlene@ufc.br on 2017-09-11T11:58:36Z (GMT) / Submitted by Renato Vasconcelos (ppgeti@ufc.br) on 2017-10-03T13:58:21Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_mfnascimento.pdf: 5700235 bytes, checksum: b2c4f7caca78f61b98f57321ad854e92 (MD5) / Rejected by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br), reason: Prezado Renato: CORRIGIR O NOME DO ARQUIVO PARA: 2017_dis_mfsnascimento Prezado Matheus: Falta ainda vc corrigir de acordo com template 1. No sumário quando colocar em itálico as seções terciárias ( 3 dígitos) os algarismos também ficam em itálico. Vc só colocou em itálico o título da seção. 2. Na lista de referencias, Vc colocou os sobrenomes na ordem correta como falei, mas esqueceu que são TODOS em caixa alta. Corrigir em toda a lista. Ex. MUECK, M. Att. Marlene on 2017-10-03T18:55:29Z (GMT) / Submitted by Renato Vasconcelos (ppgeti@ufc.br) on 2017-10-06T12:47:58Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_mfsnascimento.pdf: 5699792 bytes, checksum: fe9750751514aac9e39d3926f7adb7ed (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2017-10-06T17:35:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_dis_mfsnascimento.pdf: 5699792 bytes, checksum: fe9750751514aac9e39d3926f7adb7ed (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-06T17:35:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_dis_mfsnascimento.pdf: 5699792 bytes, checksum: fe9750751514aac9e39d3926f7adb7ed (MD5) Previous issue date: 2017-07-21 / This work presents a technological opportunity to make efficient use of the spectrum and at the same time shows its importance to provide digital inclusion in Brazil. The method- ology is applied in a case study investigating the area of Cear ́a, a Brazilian state, where a significant amount of spectrum that can be unleashed via TV White Space exploitation is relevant to be considered, due to its geographic and economical conditions. These white spaces can fill up some holes in the state that do not present any mobile coverage and improve the telecommunication services in other areas. The technology concept, world regulation situation and possible applications using the resource are described throughout this work. The main purpose is to use TV White Spaces together with the LTE band, as a way to soften part of the poor coverage services of 3G, 4G. / Este trabalho apresenta uma oportunidade tecnológica para fazer o uso eficiente do espectro e, ao mesmo tempo, mostra sua importância para a inclusão digital no Brasil. A metodologia é aplicada em um estudo de caso que investiga a área do Ceará, estado brasileiro, onde uma quantidade significativa de espectro que pode ser desencadeada através da exploração dos Espaços em Brancos de TV é relevante a ser considerada, devido as suas condições geográficas e econômicas. Estes espaços em branco podem preencher alguns buracos no estado que não apresentam qualquer cobertura móvel e melhorar os serviços de telecomunicações em outras áreas. O conceito de tecnologia, situação de regulação mundial e possíveis aplicações usando o recurso são descritos ao longo deste trabalho. A principal finalidade é usar os Espaços em Brancos de TV juntamente com a banda do LTE, para tentar suavizar parte do péssimo serviço de cobertura das redes 3G e 4G.

Au cours des 15 dernières années, des progrès spectaculaires dans l'analyse et la conception des codes définis par des graphes bipartites et décodables par des algorithmes itératifs ont permis le développement de systèmes de correction d'erreurs, avec des performances de plus en plus proches la limite théorique de Shannon. Dans ce contexte, un rôle déterminant a été joué par la famille des codes à matrice de parité creuse, appelés codes LDPC (pour " Low-Density Parity-Check ", en anglais), introduit par Gallager au début des années 60 et décrits plus tard en termes de graphes bipartites. Négligés pendant de longues années, ces codes ont été redécouverts à la fin des années 90, après que la puissance du décodage itératif a été mise en évidence grâce à l'invention des Turbo-codes. Ce n'est qu'au début des années 2000 que les techniques nécessaires à l'analyse et l'optimisation des codes LDPC ont été développées, techniques qui ont permis ensuite la construction des codes avec des performances asymptotiques proches de la limite de Shannon. Cette remarquable avancée a motivé l'intérêt croissant de la communauté scientifique et soutenu le transfert rapide de cette technologie vers le secteur industriel. Plus récemment, un intérêt tout particulier a été porté aux codes LDPC définis sur des alphabets non-binaires, grâce notamment à leur meilleure capacité de correction en " longueur finie ". Bien que Gallager ait déjà proposé l'utilisation des alphabets non-binaires, en utilisant l'arithmétique modulaire, les codes LDPC non-binaires définis sur les corps finis n'ont étés étudiés qu'à partir de la fin des années 90. Il a été montré que ces codes offrent de meilleures performances que leurs équivalents binaires lorsque le bloc codé est de longueur faible à modérée, ou lorsque les symboles transmis sur le canal sont eux-mêmes des symboles non- binaires, comme par exemple dans le cas des modulations d'ordre supérieur ou des canaux à antennes multiples. Cependant, ce gain en performance implique un coût non négligeable en termes de complexité de décodage, qui peut entraver l'utilisation des codes LDPC non binaires dans des systèmes réels, surtout lorsque le prix à payer en complexité est plus important que le gain en performance. Cette thèse traite de l'analyse et de la conception des codes LDPC non binaires pour des canaux à évanouissements. L'objectif principal de la thèse est de démontrer que, outre le gain en performance en termes de capacité de correction, l'emploi des codes LDPC non binaires peut apporter des bénéfices supplémentaires, qui peuvent compenser l'augmentation de la complexité du décodeur. La " flexibilité " et la " diversité " représentent les deux bénéfices qui seront démontrées dans cette thèse. La " flexibilité " est la capacité d'un système de codage de pouvoir s'adapter à des débits (rendements) variables tout en utilisant le même encodeur et le même décodeur. La " diversité " se rapporte à sa capacité d'exploiter pleinement l'hétérogénéité du canal de communication. La première contribution de cette thèse consiste à développer une méthode d'approximation de l'évolution de densité des codes LDPC non-binaires, basée sur la simulation Monte-Carlo d'un code " infini ". Nous montrons que la méthode proposée fournit des estimations très fines des performances asymptotiques des codes LDPC non-binaires et rend possible l'optimisation de ces codes pour une large gamme d'applications et de modèles de canaux. La deuxième contribution de la thèse porte sur l'analyse et la conception de système de codage flexible, utilisant des techniques de poinçonnage. Nous montrons que les codes LDPC non binaires sont plus robustes au poinçonnage que les codes binaires, grâce au fait que les symboles non-binaires peuvent être partialement poinçonnés. Pour les codes réguliers, nous montrons que le poinçonnage des codes non-binaires obéit à des règles différentes, selon que l'on poinçonne des symboles de degré 2 ou des symboles de degré plus élevé. Pour les codes irréguliers, nous proposons une procédure d'optimisation de la " distribution de poinçonnage ", qui spécifie la fraction de bits poinçonnés par symbole non-binaire, en fonction du degré du symbole. Nous présentons ensuite des distributions de poinçonnage optimisées pour les codes LDPC non binaires, avec des performances à seulement 0,2 - 0,5 dB de la capacité, pour des rendements poinçonnés variant de 0,5 à 0,9. La troisième contribution de la thèse concerne les codes LDPC non binaires transmis sur un canal de Rayleigh à évanouissements rapides, pour lequel chaque symbole modulé est affecté par un coefficient d'évanouissement différent. Dans le cas d'une correspondance biunivoque entre les symboles codés et les symboles modulés (c.-à-d. lorsque le code est définit sur un corps fini de même cardinalité que la constellation utilisée), certains symboles codés peuvent être complètement noyés dans le bruit, dû aux évanouissements profonds du canal. Afin d'éviter ce phénomène, nous utilisons un module d'entrelacement au niveau bit, placé entre l'encodeur et le modulateur. Au récepteur, le module de désentrelacement apporte de la diversité binaire en entrée du décodeur, en atténuant les effets des différents coefficients de fading. Nous proposons un algorithme d'entrelacement optimisé, inspirée de l'algorithme " Progressive Edge-Growth " (PEG). Ainsi, le graphe bipartite du code est élargi par un nouvel ensemble de nœuds représentant les symboles modulés, et l'algorithme proposé établit des connections entre les nœuds représentant les symboles modulés et ceux représentant les symboles codés, de manière à obtenir un graphe élargi de maille maximale. Nous montrons que l'entrelaceur optimisé permet d'obtenir un gain de performance par rapport à un entrelaceur aléatoire, aussi bien en termes de capacité de correction que de détection d'erreurs. Enfin, la quatrième contribution de la thèse consiste en un schéma de codage flexible, permettant d'atteindre la diversité maximale d'un canal à évanouissements par blocs. La particularité de notre approche est d'utiliser des codes Root-LDPC non binaires couplés avec des codes multiplicatifs non binaires, de manière à ce que le rendement de codage puisse facilement s'adapter au nombre de blocs d'évanouissement. Au niveau du récepteur, une simple technique de combinaison de diversité est utilisée en entrée du décodeur. Comme conséquence, la complexité du décodage reste inchangée quel que soit le nombre de blocs d'évanouissement et le rendement du code utilisé, tandis que la technique proposée apporte un réel bénéfice en termes de capacité de correction.

On étudie le problème de la transmission de l'information à travers le canal AWGN en utilisant des réseaux. On commence par considérer des constellations infinies. Une nouvelle famille de réseaux obtenus par Construction A à partir de codes linéaires non binaires est proposée. Ces réseaux sont appelés LDA ("Low-Density Construction A") et sont caractérisés par des matrices de parité p-aires creuses, qui les mettent en relation directe avec les codes LPDC. Deux résultats sur leur possibilité d'atteindre la capacité de Poltyrev sont provés ; cela est d'abord démontré pour des poids des lignes logarithmiques des matrices de parité associées, puis pour des poids constants. Le deuxième résultat est basé sur certaines propriétés d'expansion des graphes de Tanner correspondants à ces matrices. Un autre sujet de ce travail concerne les constellations finies de réseaux. une nouvelle preuve est donnée du fait que des réseaux aléatoires obtenus par Construction A generale atteignent la capacité avec décodage de type "lattice decoding". Cela prolonge et améliore le travail de Erez et Zamir (2004), Ordentlich et Edrez (2012) Ling et Belfiore (2013). Cette preuve est basée sur les constellations de Coronoï et la multiplication par le coefficient de Wiener ("MMSE scaling") du siganl en sortie du canal. Finalement, ce résultat est adapté au cas des réseaux LDA, qui eux aussi atteignent la capacité avec le même procédé de transmission. Encore une fois, il est nécessaire d'exploiter les propriétés d'expansion des graphes de Tanner. A la fin de la dissertation, on présente un algorithme de décodage itératif et de type "message-passing" approprié au décodage des LDA en grandes dimensions. / The probleme of transmission of information over the AWGN channel using lattices is addressed. Firstly, infinite constellations are considered. A nex family of integer lattices built by means of construction A with non-binary linear condes is introduced. These lattices are called LPA (Low-Density Construction A) and are characterised by sparse p-ary parity-chedk matrices, that put them in direct relation with LPDC codes. Two results about the Poltyrev-capacity-archieving qualities of this family are proved, respectively for logarithmic row degree and constant row degree of the associated parity-check matrices. The second result is based on some expansion poperties of the Tanner graphs related to these matrices. Another topic of this work concerns finite lattice constellations. A new proff that heneral random Construction A lattices achieve capacity under lattice deconding is provided, continuing and pimproving the work of Erez and Zamir (2004), Ordentlich an Erez (2012), and Ling and Belfiore (2013). This proof is based on Voronoi lattice constellations and MMSE scaling of the channel output. Finally, this approach is adapted to the LDA case abd ut us scgiwn tgat LDA lattices achive capacity with the ame transmission scheme, too. Once again, it is necessary to exploit the expansion properties of the Tanner graphs. At he end of the dissertation, an iterative message-passing algorithm suitable for decoding LDA lattices in high dimensions is presented.

The interest in the development of wireless high-speed data services is in response to the strong market demand for high-speed wireless Internet access. Current standards aim at delivering a peak data rate greater than 2Mbps on the forward link. Since data services and voice services are fundamentally different, new concepts were introduced in the design of the forward data channel. In addition, methods of evaluating the performance of a cellular CDMA system have to be revisited. This thesis proposes a method which can be used to find the forward link peak and average data rates, throughput and coverage of a cellular CDMA system which is capable of delivering high-speed wireless data. A summary of changes in design philosophy and recent advances in technologies which enable high-speed wireless data delivery are presented. The proposed method takes into account major aspects commonly found in the forward data channel and applies the generalized Shannon capacity formula for multi-element antenna (MEA) systems. The analysis focuses on the physical layer and is flexible enough to be adapted to various propagation environments, antenna configurations, multicode allocations, user distributions and cell site configurations. Sample numerical results for various multicode allocations are shown using a system model with two-tier interfering cells with one transmit antenna and two receive antennas operating under a frequency selective slow fading channel with propagation environment described by the Recommendation ITU-R M. 1225 indoor office, outdoor to indoor and pedestrian and vehicular test environments. Different transmit / receive antenna configurations and multicode allocations and their impact on the average data rate is also explored.

The interest in the development of wireless high-speed data services is in response to the strong market demand for high-speed wireless Internet access. Current standards aim at delivering a peak data rate greater than 2Mbps on the forward link. Since data services and voice services are fundamentally different, new concepts were introduced in the design of the forward data channel. In addition, methods of evaluating the performance of a cellular CDMA system have to be revisited. This thesis proposes a method which can be used to find the forward link peak and average data rates, throughput and coverage of a cellular CDMA system which is capable of delivering high-speed wireless data. A summary of changes in design philosophy and recent advances in technologies which enable high-speed wireless data delivery are presented. The proposed method takes into account major aspects commonly found in the forward data channel and applies the generalized Shannon capacity formula for multi-element antenna (MEA) systems. The analysis focuses on the physical layer and is flexible enough to be adapted to various propagation environments, antenna configurations, multicode allocations, user distributions and cell site configurations. Sample numerical results for various multicode allocations are shown using a system model with two-tier interfering cells with one transmit antenna and two receive antennas operating under a frequency selective slow fading channel with propagation environment described by the Recommendation ITU-R M. 1225 indoor office, outdoor to indoor and pedestrian and vehicular test environments. Different transmit / receive antenna configurations and multicode allocations and their impact on the average data rate is also explored.

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.