Abstract Lattice codes achieve AWGN capacity and naturally fit in many multi-terminal networks because of their inherited structure. Although extensive information theoretic research has been done to prove the importance of lattice codes for these networks, the progress in finding practical low-complexity lattice schemes is limited. Hence, the motivation of this thesis is to develop several methods to make lattice codes practical for communication networks. First, we propose an efficient lattice coding scheme for real-valued, full-duplex one- and two-way relay channels. Lattice decomposition, superposition, and block Markov encoding are used to propose a simple, yet near capacity achieving encoding/decoding schemes for these relay channels. By using information theoretic tools, we prove the achievable rates of these schemes, which are equal to the best known rates. Then, we construct practical, low-complexity implementations of the proposed relay schemes using low-density lattice codes. Numerical evaluation is presented and they show that our schemes achieve performance as close as 2.5dB away from theoretical limits. The effect of shaping/coding loss on the performance of relay channels is studied. Then, we propose a low complexity lattice code construction that provides high shaping and coding gains. First, integer information is encoded to shaped integers. Two methods are proposed for this task: ''Voronoi integers'' and ''non uniform integers''. These shaped integers have shaping gains over the integer lattice. Then for the second step, we present a general framework to systematically encode these integers, using any high dimensional lattice with lower-triangular generator or parity check matrices, retaining the same shaping gain. The proposed scheme can be used to shape high dimensional lattices such as low density lattice codes, LDA-lattice, etc. Comprehensive analysis is presented using low density lattice codes. By using E8 and BW16 as shaping lattices, we numerically show the Voronoi integers result in the shaping gain of these lattices, that is, as much as 0.65dB and 0.86dB. It is numerically observed that non-uniform integers have shaping gains of up to 1.25dB. These shaping operations can be implemented with less complexity than previous low density lattice codes shaping approaches and shaping gains are higher than in previously reported cases, which are in the order of 0.4dB. Lastly, we propose a low complexity practical code construction for compute-and-forward. A novel code construction called ''mixed nested lattice code construction'' is developed. This code construction uses a pair of distinct nested lattices to encode the integers where shaping is provided by a small dimensional lattice with high shaping gain and coding is performed using a high coding gain and a high dimensional lattice. This construction keeps the shaping and the coding gains of respective shaping and coding lattices. Further, we prove an existence of an isomorphism in this construction such that linear combination of lattice codes can be mapped to a linear combination of integers over a finite field. Hence, this construction can be readily used for any compute-and-forward applications. A modified LDLC decoder is proposed to estimate a linear combination of messages. Performance is numerically evaluated. / Tiivistelmä Hilakoodit saavuttavat AWGN kapasiteetin ja sopivat luonnollisesti moniin monen päätelaitteen verkkoihin niihin sisältyvän rakenteen vuoksi. Vaikka lukuisat informaatioteoreettiset tutkimustyöt todistavat hilakoodien tärkeyden näille verkoille, käytännössä alhaisen kompleksisuuden hilajärjestelmiä on vielä vähän. Näin ollen tämän tutkielman tarkoitus on kehittää useita metodeja, jotta hilakoodeista saadaan käytännöllisiä viestintäverkkoihin. Aluksi, ehdotamme tehokkaan hilakoodausjärjestelmän reaaliarvoisille, full duplexisille yksi- ja kaksisuuntaisille välittäjäkanaville. Käytämme hilan hajottamista, superpositiota ja lohko-Markov -koodausta ehdottaessamme yksinkertaiset ja siltikin kapasiteetin saavuttavat koodaus- ja dekoodausjärjestelmät näihin välityskanaviin. Käyttämällä informaatioteoreettisia työkaluja, osoitamme näiden järjestelmien saavutettavat nopeudet, jotka ovat yhtä suuret kuin parhaimmat tunnetut nopeudet. Sitten rakennamme käytännölliset ja alhaisen monimutkaisuuden toteutukset ehdotetuille välitysjärjestelmille käyttäen alhaisen tiheyden hilakoodeja. Esitämme näille järjestelmille numeeriset arvioinnit, jotka näyttävät että nämä toteutukset saavuttavat tehokkuuden, joka on 2.5dB:n päässä teoreettisista rajoista. Tutkimme muotoilu- ja koodaushäviön vaikutusta välityskanavien tehokkuuteen. Sitten, ehdotamme alhaisen monimutkaisuuden hilakoodirakenteen, joka tarjoaa korkean muotoilu- ja koodausvahvistuksen. Ensin, kokonaislukuinformaatio on koodattu muotoiltuihin kokonaislukuihin. Esitämme kaksi metodia tähän tehtävään; 'Voronoi kokonaisluvut' ja 'ei yhtenäiset kokonaisluvut'. Näillä muotoilluilla kokonaisluvuilla on muotoiluvahvistusta kokonaislukuhilalle. Toisena askeleena, esitämme yleiset puitteet systemaattiseen kokonaislukujen koodaukseen käyttäen korkeaulotteisia hiloja alhaisen kolmiogeneraattori- tai pariteettivarmistusmatriiseja, jotka säilyttävät samalla muotoiluvahvistuksen. Ehdotettua järjestelmää voidaan käyttää muotoilemaan korkeaulotteisia hiloja kuten alhaisen tiheyden hilakoodeja, LDA-hiloja, jne. Esitämme kattavan analyysin käyttäen alhaisen tiheyden hilakoodeja. Käyttämällä muotoiluhiloina E8aa ja BW16a, näytämme numeerisesti 'Voronoi kokonaislukujen' käyttämisen seurauksena saavutettavat hilojen muotoiluvahvistukset, jotka ovat jopa 0.65dB ja 0.86dB. Näytämme myös numeerisesti että 'ei yhtenäisillä kokonaisluvuilla' on muotoiluvahvistusta jopa 1.25dB. Nämä muotoiluoperaatiot voidaan toteuttaa alhaisemmalla monimutkaisuudella kuin aikaisemmat 'alhaisen tiheyden hilakoodien muotoilumenetelmät' ja muotoiluvahvistukset ovat suuremmat kuin aikaisemmin raportoidut tapaukset, jotka ovat suuruusluokaltaan 0.4dB. Viimeiseksi, ehdotamme käytännöllisen koodikonstruktion alhaisella monimutkaisuudella 'laske ja lähetä' -menetelmään. Kehitämme uuden koodikonstruktion, jota kutsumme 'sekoitetuksi sisäkkäiseksi hilakoodikonstruktioksi'. Tämä koodikonstruktio käyttää kahta eroteltavissa olevaa sisäkkäistä hilaa koodaamaan kokonaisluvut siellä, missä muotoilu tehdään pienen ulottuvuuden hiloilla korkean muotoiluvahvistuksella ja koodaus toteutetaan käyttäen korkean koodausvahvistuksen omaavaa korkeaulottuvuuksista hilaa. Tämä konstruktio säilyttää muotoilu- ja koodausvahvistukset kullekin muotoilu- ja koodaushilalle. Lisäksi, todistamme isomorfismin olemassaolon tässä konstruktiossa siten, että lineaarisen hilakoodien kombinaatio voidaan kuvata lineaarisena kokonaislukujen kombinaationa äärellisessä kunnassa. Näin ollen tätä konstruktiota voidaan helposti käyttää missä tahansa 'laske ja lähetä' -sovelluksessa. Esitämme muokatun LDLC dekooderin lineaarisen viestikombinaation estimointiin. Arvioimme tehon numeerisesti.

Dans cette thèse, les réseaux coopératifs sont étudiés sous cette hypothèse que la source est incertain par rapport le canal en opération. Dans le premier chapitre, des stratégies coopératives sont développées pour les canaux à relais simultanés (SRC) lesquelles se composent d'un ensemble de deux canaux à relais parmi lesquels le canal en opération est choisi. Cela est équivalent au canal de diffusion à relais (BRC). Les bornes sur la région de capacité de BRC général sont dérivées. Les résultats de capacité sont obtenus pour les cas particuliers du canal à relais simultané semi-dégradé et dégradé Gaussien. Dans le deuxième chapitre, le canal à relais composite est considéré où le canal est tiré aléatoirement d'un ensemble de la distribution conditionnelle. Le débit est fixé en dépit du canal actuel et la probabilité d'erreur (EP) asymptotique est caractérisée. Une nouvelle stratégie de codage sélectif (SCS) est introduit permettant aux relais de choisir -selon leur mesurage du canal – la meilleur schéma de codage entre Décoder-et-Transmettre (DF) et Comprimer-et-Transmettre (CF). Les théorèmes de codage de réseau bruit généralisées sont démontrés pour le cas de réseau unicast général où les relais utilisent soit DF soit CF. Dans le troisième chapitre, le spectre asymptotique de EP est introduit en tant que nouvelle mesure de performance pour réseaux composites. Il est démontré que chaque code avec le débit hors de la borne cut-set, abouti à EP égal à un et le spectre asymptotique de EP coïncide avec la probabilité d'outage pour les réseaux satisfaisant la converse forte. / In this thesis, cooperative networks are studied under the assumption that the source is uncertain about the channel in operation. In the first chapter, cooperative strategies are developed for simultaneous relay channels (SRC) which consist of a set of two single relay channels out of which the channel in operation is chosen. This is equivalent to the broadcast relay channel (BRC). Bounds on the capacity region of the general BRC with two helper relays are derived. Capacity results are obtained for specific cases of semi-degraded and degraded Gaussian simultaneous relay channels. In the second chapter, the composite relay channel is considered where the channel is randomly drawn from a set of conditional distributions according to a given distribution. The transmission rate is fixed regardless of the current channel and the asymptotic error probability (EP) is characterized. A novel selective coding strategy (SCS) is introduced which enables relays to select –based on their channel measurement– the best coding scheme between Compress-and-Forward (CF) and Decode-and-Forward (DF). Generalized Noisy Network Coding theorems are shown for the case of unicast general networks where the relays use either DF or CF scheme. In the third chapter, the asymptotic behavior of EP is studied for composite multiterminal networks. The asymptotic spectrum of EP is introduced as a novel performance measure for composite networks. It is shown that every code with rate outside cut-set bound, yields EP equal to one and for the networks satisfying strong converse condition, the asymptotic spectrum of EP coincides with the outage probability.

The area of cooperative communications has received tremendous research interest in recent years. This interest is not unwarranted, since cooperative communications promises the ever-so-sought after diversity and multiplexing gains typically associated with multiple-input multiple-output (MIMO) communications, without actually employing multiple antennas. In this dissertation, we consider several cooperative communication channels, and for each one of them, we develop information theoretic coding schemes and derive their corresponding performance limits. We next develop and design practical coding strategies which perform very close to the information theoretic limits. The cooperative communication channels we consider are: (a) The Gaussian relay channel, (b) the quasi-static fading relay channel, (c) cooperative multiple-access channel (MAC), and (d) the cognitive radio channel (CRC). For the Gaussian relay channel, we propose a compress-forward (CF) coding strategy based on Wyner-Ziv coding, and derive the achievable rates specifically with BPSK modulation. The CF strategy is implemented with low-density parity-check (LDPC) and irregular repeataccumulate codes and is found to operate within 0.34 dB of the theoretical limit. For the quasi-static fading relay channel, we assume that no channel state information (CSI) is available at the transmitters and propose a rateless coded protocol which uses rateless coded versions of the CF and the decode-forward (DF) strategy. We implement the protocol with carefully designed Raptor codes and show that the implementation suffers a loss of less than 10 percent from the information theoretical limit. For the MAC, we assume quasi-static fading, and consider cooperation in the low-power regime with the assumption that no CSI is available at the transmitters. We develop cooperation methods based on multiplexed coding in conjunction with rateless codes and find the achievable rates and in particular the minimum energy per bit to achieve a certain outage probability. We then develop practical coding methods using Raptor codes, which performs within 1.1 dB of the performance limit. Finally, we consider a CRC and develop a practical multi-level dirty-paper coding strategy using LDPC codes for channel coding and trellis-coded quantization for source coding. The designed scheme is found to operate within 0.78 dB of the theoretical limit. By developing practical coding strategies for several cooperative communication channels which exhibit performance close to the information theoretic limits, we show that cooperative communications not only provide great benefits in theory, but can possibly promise the same benefits when put into practice. Thus, our work can be considered a useful and necessary step towards the commercial realization of cooperative communications.

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.