Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’application du codage réseau pour garantir la qualité de service (QoS) dans les réseaux sans fil multi-sauts. Comme le support de transmission est partagé, les réseaux sans fil souffrent de l’impact négatif des interférences sur la bande passante. Il est alors intéressant de proposer une approche basée sur le codage réseau qui prenne en compte ces interférences durant le processus de routage. Dans ce contexte, nous proposons d’abord un algorithme minimisant l’impact des interférences pour des flux unicast tout en respectant la bande passante qu’ils exigent. Puis, nous le combinons avec le codage réseau afin d’augmenter le nombre des flux acceptés et avec le contrôle de topologie pour améliorer davantage la gestion des interférences. Nous montrons par simulation l’intérêt de combiner les trois domaines : codage réseau, gestion des interférences et contrôle de topologie. Nous abordons également la gestion du délai pour les flux multicast et utilisons le codage réseau basé sur les générations (GBNC) qui combine les paquets par bloc. La plupart des travaux portant sur le GBNC considèrent une taille de génération fixe mais à cause des variations de l’état du réseau le délai de décodage et de récupération du bloc de paquets peut varier, dégradant la QoS. Pour résoudre ce problème, nous proposons une méthode qui ajuste la taille de la génération de façon dynamique pour respecter un certain délai de décodage avec prise en compte des contextes réseau et contenu. De plus, nous améliorons notre approche pour contrecarrer les pertes des acquittements. Puis, nous proposons de l’utiliser dans un réseau de domicile pour la diffusion de vidéo à la demande. Notre solution améliore la QoS et la qualité d’expérience pour l’utilisateur final sans équipement additionnel. Finalement, nous abordons un sujet plus théorique dans lequel nous présentons un nouveau réseau basé sur le schéma Butterfly pour des flux multi-sources multi-destinations. Nous caractérisons la taille du buffer du nœud source en utilisant la théorie des files d’attente et montrons qu’elle correspond aux résultats de simulation. / In this thesis we deal with the application of Network Coding to guarantee the Quality of Service (QoS) for wireless multi-hop networks. Since the medium is shared, wireless networks suffer from the negative interference impact on the bandwidth. It is thus interesting to propose a Network Coding based approach that takes into account this interference during the routing process. In this context, we first propose an algorithm minimizing the interference impact for unicast flows while respecting their required bandwidth. Then, we combine it with Network Coding to increase the number of admitted flows and with Topology Control to still improve the interference management. We show by simulation the benefit of combining the three fields: Network Coding, interference consideration and Topology Control. We also deal with delay management for multicast flows and use the Generation-Based Network Coding (GBNC) that combines the packets per blocks. Most of the works on GBNC consider a fixed generation size. Because of the network state variations, the delay of decoding and recovering a block of packets can vary accordingly degrading the QoS. To solve this problem, we propose a network-and content-aware method that adjusts the generation size dynamically to respect a certain decoding delay. We also enhance it to overcome the issue of acknowledgement loss. We then propose to apply our approach in a Home Area Network for Live TV and video streaming. Our solution provides QoS and Quality of Experience for the end user with no additional equipment. Finally, we focus on a more theoretical work in which we present a new Butterfly-based network for multi-source multi-destination flows. We characterize the source node buffer size using the queuing theory and show that it matches the simulation results.

Codage de réseau (NC) a gagné beaucoup d'attention de la recherche comme un candidat potentiel pour résoudre la demande de plus grande efficacité spectrale des communications modernes sans fil. De nombreux travaux de recherche ont étudié la performance des réseaux NC-aidés telles que le débit et la capacité de panne. Cependant, l'analyse de la NC dans des systèmes pratiques où NC est combiné avec d'autres techniques telles que le codage de canal est encore immature pour comprendre pleinement son potentiel de performance. Dans cette thèse, nous nous efforçons de concevoir des récepteurs de haute performance et d'analyser sa performance pour les réseaux de coopération réseau codé dans des scénarios pratiques. Tout d’abord, nous vous proposons deux Itératif Décodage de Réseau /Canal (IDRC) algorithmes pour le canal de relais d'accès multiple (MARC) avec deux systèmes de relais de notables nommés décodage-et-transfert et démoduler et transfert. L'algorithme du RIDC fonctionne sur la base de méthodes de décodage turbo-comme et réduit l'impact du problème de la propagation de l'erreur à l'aide d'un modèle de récepteur de canal courant. Tant parfaite information de la parfait CSI et imparfait CSI au côté récepteur sont étudiées. Nous proposons un procédé pratique qui transmet la version quantifiée des erreurs de décodage de relais à la destination. Il est démontré que les algorithmes proposés réaliser un gain de diversité complète et surpasse les solutions qui ne prennent pas soin de propagation d'erreur significative. Nous montrons également que le nombre de symboles pilotes ne concerne que le gain de codage, mais a un impact négligeable sur l'ordre de la diversité, alors que le niveau de quantification affecte à la fois la diversité et le gain de codage.Deuxièmement, nous proposons un Conjoint Décodage de Réseau/Canal Près Optimal (CDRCPO) algorithme pour le MARC qui permet d'analyser le taux de bits du système d'erreur (BER). L'algorithme de CDRCPO exécute le décodage de réseau et de décodage de canal en une seule étape de décodage du code superbe, qui se compose de tous les états de treillis de code individuel aux sources via NC. En outre, NC combiné avec la sélection de relais (RS) est considéré et l'ordre de diversité possible est étudié à l'aide de l'analyse de panne. Nous montrons analytiquement que la sélection de relais simple (SRS) permet toujours d'obtenir une ordonnance de la diversité et de la sélection de deux relais multiple (MRS) peut obtenir gain de diversité complète que lorsque le nombre de relais sélectionné dépasse le nombre de sources.En fin, nous proposons un protocole dit relais partielle d'améliorer l'efficacité spectrale pour le codage des réseaux de relais assisté canal. Forme-proche expression du BER et l'ordre de la diversité du système sont calculés pour le relais partiel. Nous montrons, par l'analyse et la simulation, qui avec un code convolutif bon, le relais partiel peut obtenir gain de diversité complète et même gain de codage que le classique (complet) relayer protocole fini région signal-sur-bruit alors qu'il obtient une meilleure utilisation du spectre. De plus, nous proposons un nouveau protocole basé sur le relais partiel dans les réseaux de coopération relayant opportunistes et montrons que ce protocole surpasse de manière significative la coopération sur la NC dans certaines circonstances. / Network coding (NC) has gained much research attention as a potential candidate to solve the demand for higher spectral efficiency of modern wireless communications. Many research papers have investigated the performance of NC-aided networks such as throughput and outage capacity. However, the analysis of NC in practical systems where NC is combined with other techniques such as channel coding is still immature to fully understand its potential performance. In this thesis, we aim to design high performance receivers and analyze its performance for network-coded cooperative networks in practical scenarios.Firstly, we propose two Iterative Network/Channel Decoding (INCD) algorithms for the Multiple-Access Relay Channel (MARC) with two notable relaying schemes named Decode-and-Forward (DF) and Demodulate-and-Forward (DMF). The INCD algorithm operates based on turbo-like decoding methods and reduces the impact of the error propagation problem with the aid of a channel-aware receiver design. Both perfect Channel State Information (CSI) and imperfect CSI at the receiver side are investigated. We propose a practical method that forwards the quantized version of the relay decoding errors to the destination. It is shown that the proposed algorithms achieve full diversity gain and significantly outperforms solutions which do not take care of error propagation. We also show that the number of pilot symbols affects only the coding gain but has a negligible impact on the diversity order, while the quantization level affects both the diversity and coding gain.Secondly, we propose a Near Optimal Joint Network/Channel Decoding (NOJNCD) algorithm for the MARC that allows to analyze the system Bit Error Rate (BER). The NOJNCD algorithm performs network decoding and channel decoding in one decoding step of the super code, which comprises of all trellis states of individual code at the sources via NC. Furthermore, NC combined with Relay Selection (RS) is considered and the achievable diversity order is studied with the aid of outage analysis. We analytically show that Single Relay Selection (SRS) always achieves a diversity order two and Multiple Relay Selection (MRS) can achieve full diversity gain only when the number of selected relays exceeds the number of the sources.Last but not least, we propose a so-called partial relaying protocol to improve the spectral efficiency for channel coding assisted relay networks. Closed-form expression of the BER and the system diversity order are computed for partial relaying. We show, by analysis and simulations, that with a proper Convolutional Code (CC), partial relaying can achieve full diversity gain and same coding gain as the classical (full) relaying protocol in finite signal-to-noise ratio region while it obtains a better spectrum usage. Moreover, we propose a new protocol based on partial relaying in opportunistic relaying cooperative networks and show that this protocol significantly outperforms the NC-based cooperation in some circumstances.

Dans cette thèse, nous avons envisagé l’utilisation des codes en métrique rang pour des applications de communication sans fil en général, et les réseaux de capteurs en particulier. Après avoir introduit les codes en métrique rang, ces codes, qui ont été proposés dans le contexte de la cryptographie, sont adaptés par la suite pour la correction d’erreurs. Pour cela, une étude est faite sur le comportement de ces familles de codes dans un scénario de transmission sans fil en utilisant le codage réseau. Dans ce contexte, trois types d’erreurs sont considérés : le bruit de fond, les erreurs injectés dans le réseau par un utilisateur malveillant et les effacements qui peuvent être dus aux pannes des nœuds. L’analyse qui a été faite sur la famille des codes Low Rank Parity Check (LRPC) a montré que ces derniers sont plus adaptés aux réseaux de capteurs sans fil par rapport aux codes Gabidulin utilisés dans la littérature. Cette analyse a été généralisée dans le contexte multi-sources et a montré que les codes LRPC sont plus efficaces dans ce contexte. Ces contributions apportent un nouveau souffle à l’utilisation des codes en métrique rang et offrent des perspectives de poursuite intéressantes. / In this thesis, we have considered the rank metric codes for wireless sensor networks. Firstly, we have introduced the rank metric codes. Then, we adapted these codes, which were originally dedicated to cryptography applications, for error correction. To this end, we have studied the behavior of the family of rank metric codes in a wireless communication scenario using network coding. In this context, three types of errors are considered, background noise, errors injected into the network by a malicious user and erasures caused by node failures. Our analysis of the Low Rank Parity Check codes (LRPC) has shown that they are more suited to wireless sensor networks and they perform better than Gabidulin codes used in the literature. This analysis has been generalized in the multisource context and has shown that LRPC codes are more efficient in this context compared to Gabidulin codes. These contributions give a new incentive for the use of rank metric codes and offer interesting perspectives.

Lors d'une communication dans un réseau, les nœuds intermédiaires se contentent en général de retransmettre les paquets de données qu'ils reçoivent. Grâce au codage de réseau (NC), ces nœuds intermédiaires peuvent envoyer des combinaisons linéaires des paquets qu'ils ont reçus. Ceci permet une meilleure exploitation de la capacité du réseau et une plus grande robustesse à l'égard de pertes.Cette thèse s'intéresse à une implantation du NC en lien avec TCP (TCP-NC). Grâce à la redondance introduite par le NC, une partie des pertes liées à des liens sans fils peut être compensée. Elle propose en particulier un mécanisme d'adaptation de la redondance introduite par le codage de réseau. Une première partie de cette thèse est consacrée à l'analyse de la dynamique de TCP-NC avec Random Early Detection (RED) comme mécanisme de gestion des files d'attente en utilisant les outils d'optimisation convexe et issus de l’automatique. Nous caractérisons l'équilibre du réseau et les propriétés de stabilité de TCP-Reno en présence de NC. Dans une seconde partie, cette thèse propose un algorithme d'adaptation de la redondance introduite par NC. Dans TCP-NC avec redondance adaptative (TCP-NCAR), cet ajustement se fait grâce à un schéma de différenciation des pertes, qui estime la répartition des pertes entre erreurs de transmission dues aux liens sans fils et pertes liées à la congestion. Les propriétés d'équilibre et de stabilité de TCP-NCAR/RED sont caractérisées. Les résultats théoriques et de simulation montrent que TCP-NCAR adopte une redondance proche de l'optimum quand les taux de perte de paquets sur les liens sans fils sont petits. En outre, le modèle linéarisé autour de l'équilibre montre que TCP-NCAR augmente la taille de la région de stabilité de TCP-Reno. / Communication networks today share the same fundamental principle of operation: information is delivered to their destination by nodes intermediate in a store-and-forward manner.Network coding (NC) is a technique that allows intermediate nodes to send out packets that are linear combinations of previously received information. The main benefits of NC are the potential throughput improvements and a high degree of robustness, which is translated into loss resilience. These benefits have motivated deployment efforts for practical applications of NC, e.g., incorporating NC into congestion control schemes such as TCP-Reno to get a TCP-NC congestion protocol. In TCP-NC, TCP-Reno throughput is improved by sending a fixed amount of redundant packets, which mask part of the losses due, e.g., to channel transmission errors. In this thesis, we first analyze the dynamics of TCP-NC with random early detection (RED) as active queue management (AQM) using tools from convex optimization and feedback control. We study the network equilibrium point and the stability properties of TCP-Reno when NC is incorporated into the TCP/IP protocol stack. The existence and uniqueness of an equilibrium point is proved, and characterized in terms of average throughput, loss rate, and queue length. Our study also shows that TCP-NC/RED becomes unstable when delay or link capacities increases, but also, when the amount of redundant packets added by NC increases. Using a continuous-time model and neglecting feedback delays, we prove that TCP-NC is globally stable. We provide a sufficient condition for local stability when feedback delays are present. The fairness of TCP-NC with respect to TCP-Reno-like protocols is also studied. Second, we propose an algorithm to dynamically adjust the amount of redundant linear combinations of packets transmitted by NC. In TCP-NC with adaptive redundancy (TCP-NCAR), the redundancy is adjusted using a loss differentiation scheme, which estimates the amount of losses due to channel transmission errors and due to congestion. Simulation results show that TCP-NCAR outperforms TCP-NC in terms of throughput. Finally, we analyze the equilibrium and stability properties of TCP-NCAR/RED. The existence and uniqueness of an equilibrium point is characterized experimentally. The TCP-NCAR/RED dynamics are modeled using a continuous-time model. Theoretical and simulation results show that TCP-NCAR tracks the optimal value for the redundancy for small values of the packet loss rate. Moreover, simulations of the linearized model around equilibrium show that TCP-NCAR increases the size of the TCP-Reno stability region. We show that this is due to the compensator effect of the redundancy adaptation dynamics to TCP-Reno. These characteristics of TCP-NCAR allow the congestion window adaptation mechanism of TCP-Reno to react in a smooth way to channel losses, avoiding some unnecessary rate reductions, and increasing the local stability of TCP-Reno.

Depuis 2001, le codage réseau a devenu une technique de communication qui permet des meilleures performances réseaux. Au lieu de relayer les paquets séparément, le codage réseau permet aux noeuds réseaux de combiner plusieurs paquets natifs en un seul paquet codé. Le réseau peut réduire le nombre de transmissions, réduire le temps de transfert et augmenter le débit de transmission. Le codage réseau ne suit pas l'hypothèse dans laquelle l'information reste séparée et invariable dans chaque paquet de la source à la destination. Dans le codage réseau, les informations transportées dans les paquets ne doivent pas être endommagées mais elles peuvent être mixées et transformées. Dans le contexte de cette thèse, nous contribuons dans deux directions: l'augmentation de la capacité du réseau et la fiabilité de la transmission contre les erreurs aléatoires. Pour augmenter la capacité du réseau, nous avons défini des nouvelles conditions de codage dans le codage réseau inter-flux. Pour fournir la fiabilité de la transmission, nous avons proposé de nouveaux protocoles de codage réseau. Les résultats de simulations via NS-2 ont montré les améliorations importantes des performances.

Dans le domaine des réseaux satellitaires, l'apparition de terminaux interactifs à bas-prix nécessite le développement et la mise en œuvre de protocoles d'accès multiple capables de supporter différents profils d'utilisateurs. En particulier, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et le centre d'étude spatial allemand (DLR) ont récemment proposé des protocoles d'accès aléatoires basés sur le codage réseau couche physique et l'élimination itérative des interférences pour résoudre en partie le problème de collisions sur une voie de retour du type Slotted ALOHA. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui vise à fournir une amélioration dans des méthodes d'accès aléatoires existantes. Nous introduisons Multi-Slot Coded Aloha (MuSCA) comme une nouvelle généralisation of CRDSA. Au lieu de transmettre des copies du même paquet, l'émetteur envoie plusieurs parties d'un mot de code d'un code correcteur d'erreurs ; chaque partie étant précédée d'un entête permettant de localiser les autres parties du mot de code. Au niveau du récepteur, toutes les parties envoyées par le même utilisateur, y compris celles qui sont interférées par d'autres signaux, participent au décodage. Le signal décodé est ensuite soustrait du signal total. Ainsi, l'interférence globale est réduite et les signaux restant ont plus de chances d'être décodés. Plusieurs méthodes d'analyse de performance basées sur des concepts théoriques (calcul de capacité, évolution des densités) et sur des simulations sont proposées. Les résultats obtenus montrent un gain très significatif de débit global comparé aux méthodes d'accès existantes. Ce gain peut encore être augmenté en variant le taux de découpe des mots de code. En modifiant certains de ces concepts, nous proposons également une application du codage réseau couche physique basée sur la superposition de modulations pour l'accès déterministe à la voie retour des communications par satellite. Une amélioration du débit est aussi obtenue par rapport à des stratégies plus classiques de multiplexage temporal. / In the domain of satellite networks, the emergence of low-cost interactive terminals motivates the need to develop and implement multiple access protocols able to support different user profiles. In particular, the European Space Agency (ESA) and the German Aerospace Center (DLR) have recently proposed random access protocols such as Contention Resolution Diversity Coded ALOHA (CRDSA) and Irregular Repetition Slotted ALOHA (IRSA). These methods are based on physical-layer network coding and successive interference cancellation in order to attempt to solve the collisions problem on a return channel of type Slotted ALOHA.This thesis aims to provide improvements of existing random access methods. We introduce Multi-Slot Coded Aloha (MuSCA) as a new generalization of CRDSA. Instead of transmitting copies of the same packet, the transmitter sends several parts of a codeword of an error-correcting code ; each part is preceded by a header allowing to locate the other parts of the codeword. At the receiver side, all parts transmitted by the same user, including those are interfered by other signals, are involved in the decoding. The decoded signal is then subtracted from the total signal. Thus, the overall interference is reduced and the remaining signals are more likely to be decoded. Several methods of performance analysis based on theoretical concepts (capacity computation, density evolution) and simulations are proposed. The results obtained show a significant gain in terms of throughput compared to existing access methods. This gain can be even more increased by varying the codewords stamping rate. Following these concepts, we also propose an application of physical-layer network coding based on the superposition modulation for a deterministic access on a return channel of satellite communications. We observe a gain in terms of throughput compared to more conventional strategies such as the time division multiplexing.

Dans les réseaux de télécommunications, la demande croissante pour de nouveaux services, comme la diffusion de vidéos en continu ou les conférences en ligne, engendre un besoin pour des dispositifs de télécommunication où le même contenu est acheminé depuis un émetteur unique vers un groupe de récepteurs. Cette évolution ouvre la voie au développement de nouvelles techniques d'acheminement des données, comme le multicast qui laisse un nœud du réseau copier ses données d'entrée puis retransmettre ces copies, ou le codage réseau, qui est une technique permettant à un nœud d'effectuer des opérations de codage à partir de ses données d'entrée. Cette thèse traite de la mise en place de techniques de codage au sein d'un réseau multicast filaire. Nous formalisons certains problèmes qui apparaissent naturellement dans ce contexte grâce à la recherche opérationnelle et à des outils d'optimisation mathématique. Notre objectif est de développer des modèles et des algorithmes afin de calculer, au moins de manière approchée, certaines grandeurs qui ont vocation à être pertinentes dans le cadre de la comparaison de techniques d'acheminement de données dans un réseau de télécommunications. Nous évaluons ainsi, d'un point de vue à la fois théorique et expérimental, l'impact induit par l'introduction de techniques de codage au sein d'un réseau multicast. Nous nous concentrons en particulier sur des critères importants pour un opérateur de télécommunication, comme la maximisation du débit d'information entre une source et un ensemble de destinataires dans le réseau, la minimisation de la congestion sous contrainte de demande, ou la minimisation de la perte de débit ou du coût induit par l'acheminement des données dans un réseau soumis à des pannes. / In telecommunication networks, the increasing demand for new services, like video-streaming or teleconferencing, along with the now common situation where the same content is simultaneously requested by a huge number of users, stress the need for point to many data transmission protocols where one sender wishes to transmit the same data to a set of receivers. This evolution leads to the development of new routing techniques like multicast, where any node of the network can copy its received data and then send these copies, or network coding, which is a technique allowing any node to perform coding operations on its data. This thesis deals with the implementation of coding techniques in a wired multicast network. We formalize some problems naturally arising in this setting by using operations research and mathematical optimization tools. Our objective is to develop models and algorithms which could compute, at least approximately, some quantities whose purpose is to be relevant as far as forwarding data using either multicast and network coding in telecommunications networks is concerned. We hence evaluate, both in theory and numerically, the impact of introducing coding techniques in a multicast network. We specifically investigate relevant criteria, with respect to the field of telecommunications, like the maximum amount of information one can expect to convey from a source to a set of receivers through the network, the minimum congestion one can guarantee while satisfying a given demand, or the minimum loss in throughput or cost induced by a survivable routing in a network prone to failures.

Depuis 2001, le codage réseau a devenu une technique de communication qui permet des meilleures performances réseaux. Au lieu de relayer les paquets séparément, le codage réseau permet aux noeuds réseaux de combiner plusieurs paquets natifs en un seul paquet codé. Le réseau peut réduire le nombre de transmissions, réduire le temps de transfert et augmenter le débit de transmission. Le codage réseau ne suit pas l'hypothèse dans laquelle l'information reste séparée et invariable dans chaque paquet de la source à la destination. Dans le codage réseau, les informations transportées dans les paquets ne doivent pas être endommagées mais elles peuvent être mixées et transformées. Dans le contexte de cette thèse, nous contribuons dans deux directions: l'augmentation de la capacité du réseau et la fiabilité de la transmission contre les erreurs aléatoires. Pour augmenter la capacité du réseau, nous avons défini des nouvelles conditions de codage dans le codage réseau inter-flux. Pour fournir la fiabilité de la transmission, nous avons proposé de nouveaux protocoles de codage réseau. Les résultats de simulations via NS-2 ont montré les améliorations importantes des performances. / Since its first introduction in 2001, network coding has gained a significant attention from the research communities in the need of improving the way of communication in computer networks. In short, network coding is a technique which allows the nodes to combine several native packets into one coded packet for transmission (i.e, coding packets) instead of simply forwarding packets one by one. With network coding, a network can save the number of transmissions to reduce data transfer time and increase throughput. This breaks the great assumption about keeping information separate and whole. Information must not be tampered but it can be mixed, and transformed. In the scope of the thesis, we focus on two main benefits of network coding: throughput improvement and transmission reliability against random losses. For the throughput improvement, we use inter-flow network coding and extend the coding conditions. For transmission reliability, we use intra-flow network coding and suggest new coding schemes. The obtained results via NS-2 simulations are quite promising.

Le codage réseau est apparu comme une technique alternative au routage au niveau de la couche réseau permettant d'améliorer le débit et d'optimiser l'utilisation de la capacité du réseau. Récemment, le codage réseau a été appliqué au niveau de la couche physique des réseaux sans-fil pour profiter de la superposition naturelle des signaux effectuée par le lien radio. Le codage réseau peut être vue comme un traitement interne du réseau pour lequel différentes techniques de relayage peuvent être utilisées. Cette thèse étudie un ensemble de traitements ayant des compromis variés en terme de performance et complexité. Nous considérons le canal bidirectionnel à relais, un modèle de canal de communication typique dans les réseaux coopératifs, où deux terminaux s'échangent mutuellement des messages par l'intermédiaire d'un relais. La communication se déroule en deux phases, une phase à accès multiple et une phase de broadcast. Pour ce scénario, nous analysons, dans une première partie, une stratégie de "decode-and-forward". Nous considérons, pour cette étude, des alphabets de taille finie et nous calculons les probabilités moyennes d'erreur de bout-en-bout en se basant sur la métrique d'exposant d'erreur du codage aléatoire. Puis, nous dérivons les régions des débits atteignables par rapport à une probabilité d'erreur maximale tolérable au niveau de chaque nœud. Dans une deuxième partie de la thèse, nous proposons deux schémas de codage réseau pratiques, avec complexité réduite, qui se basent sur la stratégie de relayage "compress-and-forward" (CF). Le premier schéma utilise un codage en réseau de points imbriqués (nested lattices). Le deuxième schéma est une version améliorée qui permet d'atteindre des débits de données supérieurs pour l'utilisateur qui a les meilleures conditions canal. Nous construisons les régions des débits atteignables par les deux schémas proposés tout en optimisant la répartition du temps alloué à chacune des deux phases de transmission. Après l'étude du régime asymptotique, nous analysons le schéma de codage CF avec des réseaux de points de dimension finie. Nous nous concentrons sur le problème de la transmission analogique où la distorsion est optimisée. Enfin, nous étudions l'application d'un schéma de codage, basé sur la stratégie CF avec des réseaux de points imbriqués, pour le canal bidirectionnel à canaux parallèles. Ainsi, nous présentons deux régions de débits atteignables selon la technique de traitement, conjoint ou séparé, des sous-canaux par le relais. / Network coding has emerged as an alternative technique to routing that enhances the throughput at the network layer. Recently, network coding has been applied at the physical layer to take advantage of the natural signal superposition that occurs in the radio link. In this context, the physical-layer network coding can be seen as an in-network processing strategy for which multiple forwarding schemes can be proposed. This thesis investigates a set of processing schemes tailored to the network coding at the physical layer with various compromises between performance and complexity. We consider a two-way relay channel, a typical communication system in cooperative networks, where two terminals communicate with each other via a relay node. This communication occurs during two transmission phases, namely a multiple-access phase and a broadcast phase. For TWRC scenario, we first analyze a decode-and-forward strategy with finite size alphabets. We calculate the end-to-end average error probabilities based on random coding error exponents. Then, we derive the achievable rate regions with respect to a maximal probability of error allowed at each terminal. Next, we propose two low-complexity and practical schemes based on compress-and-forward relaying strategy. The first scheme employs nested lattice coding. The second is an improved version which enables higher data rates for the user experiencing the best channel conditions. We present an information-theoretic framework to reconstruct the achievable rate regions of both schemes by considering optimal time division between both transmission phases. After the asymptotic regime analysis, we study single-layer lattice coding scheme with finite dimension lattices. We focus on the analog transmission problem where the distortion is optimized. Finally, we investigate single-layer lattice coding scheme for parallel Gaussian two-way relay channel. We present two achievable rate regions based on whether the relay processes all the sub-channels jointly or separately.

Avec le nombre croissant d’appareils intelligents à faible puissance, au cours ces dernières années, la question de l’efficacité énergétique a joué un rôle de plus en plus indispensable dans la conception des systèmes de communication. Cette thèse vise à concevoir des schémas de transmission distribués à faible consommation d’énergie pour les réseaux sans fil, utilisant la théorie des jeux et le codage réseau instantanément décodable (IDNC), qui est une sous-classe prometteuse du codage réseau. En outre, nous étudions le modèle de l'échange coopératif de donnée (CDE) dans lequel tous les périphériques coopèrent en échangeant des paquets codés dans le réseau, jusqu’à ce qu’ils récupèrent tous l’ensemble des informations requises. En effet, la mise en œuvre du CDE basé sur l’IDNC soulève plusieurs défis intéressants, notamment la prolongation de la durée de vie du réseau et la réduction du nombre de transmissions afin de répondre aux besoins des applications temps réel. Par conséquent, contrairement à la plupart des travaux existants concernant l’IDNC, nous nous concentrons non seulement sur le délai, mais également sur l’énergie consommée. En premier lieu, nous étudions le problème de minimisation de l’énergie consommée et du délai au sein d’un petit réseau IDNC coopératif, entièrement connecté et à faible puissance. Nous modélisons le problème en utilisant la théorie des jeux coopératifs de formation de coalitions. Nous proposons un algorithme distribué (appelé “merge and split“) permettant aux nœuds sans fil de s’auto-organiser, de manière distribuée, en coalitions disjointes et indépendantes. L’algorithme proposé garantit une consommation d’énergie réduite et minimise le délai de complétion dans le réseau clustérisé résultant. Par ailleurs, nous ne considérons pas seulement l'énergie de transmission, mais aussi la consommation de l'énergie de calcul des nœuds. De plus, nous nous concentrons sur la question de la mobilité et nous analysons comment, à travers la solution proposée, les nœuds peuvent s’adapter à la topologie dynamique du réseau. Par la suite, nous étudions le même problème au sein d’un réseau large et partiellement connecté. En effet, nous examinons le modèle de CDE multi-sauts. Dans un tel modèle, nous considérons que les nœuds peuvent choisir la puissance d’émission et change ainsi de rayon de transmission et le nombre de voisin avec lesquels il peut entrer en coalition. Pour ce faire, nous modélisons le problème avec un jeu à deux étages; un jeu non-coopératif de contrôle de puissance et un jeu coopératif de formation de coalitions. La solution optimale du premier jeu permet aux joueurs de coopérer à travers des rayons de transmission limités en utilisant la théorie des jeux coopérative. En outre, nous proposons un algorithme distribué “merge and split“ afin de former des coalitions dans lesquelles les joueurs maximisent leurs utilités en termes de délai et de consommation d’énergie. La solution proposée permet la création d’une partition stable avec une interférence réduite et une complexité raisonnable. Nous démontrons que la coopération entre les nœuds au sein du réseau résultant, permet de réduire considérablement la consommation d’énergie par rapport au modèle coopératif optimal qui maintient le rayon de transmission maximal. / With significantly growing number of smart low-power devices during recent years, the issue of energy efficiency has taken an increasingly essential role in the communication systems’ design. This thesis aims at designing distributed and energy efficient transmission schemes for wireless networks using game theory and instantly decodable network coding (IDNC) which is a promising network coding subclass. We study the cooperative data exchange (CDE) scenario in which all devices cooperate with each other by exchanging network coded packets until all of them receive all the required information. In fact, enabling the IDNC-based CDE setting brings several challenges such us how to extend the network lifetime and how to reduce the number of transmissions in order to satisfy urgent delay requirements. Therefore, unlike most of existing works concerning IDNC, we focus not only on the decoding delay, but also the consumed energy. First, we investigate the IDNC-based CDE problem within small fully connected networks across energy-constrained devices and model the problem using the cooperative game theory in partition form. We propose a distributed merge-and-split algorithm to allow the wireless nodes to self-organize into independent disjoint coalitions in a distributed manner. The proposed algorithm guarantees reduced energy consumption and minimizes the delay in the resulting clustered network structure. We do not only consider the transmission energy, but also the computational energy consumption. Furthermore, we focus on the mobility issue and we analyse how, in the proposed framework, nodes can adapt to the dynamic topology of the network. Thereafter, we study the IDNC-based CDE problem within large-scale partially connected networks. We considerate that each player uses no longer his maximum transmission power, rather, he controls his transmission range dynamically. In fact, we investigate multi-hop CDE using the IDNC at decentralized wireless nodes. In such model, we focus on how these wireless nodes can cooperate in limited transmission ranges without increasing the IDNC delay nor their energy consumption. For that purpose, we model the problem using a two-stage game theoretical framework. We first model the power control problem using non-cooperative game theory where users jointly choose their desired transmission power selfishly in order to reduce their energy consumption and their IDNC delay. The optimal solution of this game allows the players at the next stage to cooperate with each other through limited transmission ranges using cooperative game theory in partition form. Thereafter, a distributed multihop merge-and-split algorithm is defined to form coalitions where players maximize their utilities in terms of decoding delays and energy consumption. The solution of the proposed framework determines a stable feasible partition for the wireless nodes with reduced interference and reasonable complexity. We demonstrate that the co-operation between nodes in the multihop cooperative scheme achieves a significant minimization of the energy consumption with respect to the most stable cooperative scheme in maximum transmission range without hurting the IDNC delay.