Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une implémentation pratique du protocole DDF pour des relais auto-configurables au niveaux lien et système. Cette implémentation pratique, basée sur du codage correcteur d'erreur et une segmentation de la trame émise (comme pour les mécanismes d'HARQ), est combinée avec différents schémas de relayage tels que le Monostream, l'Alamouti Distribué ou encore les Rotations Distribuées.Nous avons montré que ces trois schémas atteignent les mêmes ordres de macro et micro diversité. L'ordre de micro diversité se réfère au gain qui peut être acquis via les coefficients d'évanouissement court-terme. Nous avons défini l'ordre de macro diversité comme le nombre de sources desquelles toute l'information peut être entièrement décodée sans l'aide des autres sources. De plus, nous avons prouvé que les trois schémas de relayage permettent d'atteindre de meilleures performances que le cas sans relais, leurs performances ne diffèrent qu'en terme de gain de codage: le DA DDF a de meilleure performance que le DR DDF, qui lui-même à de meilleures performances que le Monostream DDF. Cependant, les évaluations système ont montré que ce gain de codage n'est pas significatif au niveau système. Cela montre que la métrique pertinente à optimiser pour améliorer les performances est l'ordre de macro diversité atteignable par le protocole; c'est à dire que le gain le plus important apporté par le relayage est un gain de rapport signal à bruit long-terme. Nous avons donc proposé la technique de Patching pour augmenter l'ordre de macro diversité atteignable par une transmission. Cette technique vise à augmenter le nombre de bits transmis par le relais jusqu'au nombre de bits d'information contenus dans le message. Quand cette technique de Patching est combinée aux codes spatio-temporels, elle permet d'améliorer à la fois l'ordre de macro diversité et l'ordre de micro diversité. Cette technique de Patching a aussi été utilisée sur le canal à interférence et relais pour lequel nous avons introduit l'usage d'un protocole DDF précodé par un relais partagé par plusieurs paires source/destination. Dans ce cas, le Patching a pour but d'améliorer les performances par rapport au cas avec précodeur uniquement, et ce en maximisant le nombre de symboles précodés par relais. Les gains résultants de ces nombreuses variations de notre implémentation pratique du protocole DDF sont finalement décrits au niveau système pour un déploiement macro-cellulaire en zone urbaine, et pour un déploiement indoor, en considérant deux applications : une transmission unicast, par exemple du téléchargement sur internet, ou encore de la diffusion, de la télévision par exemple. Les résultats montrent que le Monostream DDF permet d'atteindre de bonnes performances tout en garantissant que la source et la destination n'ont pas conscience de la présence du relais dans le système. Par conséquent, ce protocole est un candidat intéressant pour le déploiement massif de relais auto-configurables dans les réseaux sans fil. / Relaying has been proposed as an efficient solution to increase transmission reliability by providing spatial diversity, and to increase transmission efficiency. Among the wide variety of existing relaying protocols proposed for the relay channel, we are interested in the Dynamic Decode and Forward (DDF) protocol as it outperforms all previously defined forwarding strategies in terms of Diversity Multiplexing Tradeoff. When using the DDF protocol, the relay assits the transmission only if it correctly decodes the sent message before the destination. We propose a practical implementation of this DDF protocol based on channel coding for hybrid automatic repeat request.Then, we define and study two relaying schemes for the relay channel that can be used when the source is relay-unaware: the Monostream scheme and the Distributed Alamouti scheme. The performance of these proposed relaying schemes for the DDF protocol are derived for open-loop and closed-loop transmissions. After defining the macro diversity order achieved by a transmission, we derived upper bounds on the achievable macro and micro diversity orders of these DDF protocols when the transmitting nodes use finite symbol alphabet. We proposed a so-called Patching technique in order to increase this achievable macro diversity order still guaranteeing that the source is relay-unaware. This Patching technique aims at increasing the number of bits transmitted by the relay up to the number of information bits in the message. This technique is also combined with Space Time Block Codes in order to improve both the achievable macro and micro diversity orders. This Patching technique has also been applied over the Interference Relay Channel where we introduce the use of a precoded DDF protocol at a relay shared by several source/destination pairs. We use the Patching technique in order to increase the achieved performance. The gain resulting from the use of these various derivations of the DDF protocol are finally observed at the system level for two scenarios: a macro cellular network over urban area and an indoor network, combined with two applications: a unicast transmission, e.g., web browsing, and a broadcasting transmission, e.g., video broadcasting. The results show that the Monostream relaying scheme for the DDF protocol provides good performance while allowing both the source and the destination to be relay-unaware. Consequently, the Monostream DDF is a promising protocol for the deployment of plug-and-play relays in wireless systems.

Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une implémentation pratique du protocole DDF pour des relais auto-configurables au niveaux lien et système. Cette implémentation pratique, basée sur du codage correcteur d'erreur et une segmentation de la trame émise (comme pour les mécanismes d'HARQ), est combinée avec différents schémas de relayage tels que le Monostream, l'Alamouti Distribué ou encore les Rotations Distribuées.Nous avons montré que ces trois schémas atteignent les mêmes ordres de macro et micro diversité. L'ordre de micro diversité se réfère au gain qui peut être acquis via les coefficients d'évanouissement court-terme. Nous avons défini l'ordre de macro diversité comme le nombre de sources desquelles toute l'information peut être entièrement décodée sans l'aide des autres sources. De plus, nous avons prouvé que les trois schémas de relayage permettent d'atteindre de meilleures performances que le cas sans relais, leurs performances ne diffèrent qu'en terme de gain de codage: le DA DDF a de meilleure performance que le DR DDF, qui lui-même à de meilleures performances que le Monostream DDF. Cependant, les évaluations système ont montré que ce gain de codage n'est pas significatif au niveau système. Cela montre que la métrique pertinente à optimiser pour améliorer les performances est l'ordre de macro diversité atteignable par le protocole; c'est à dire que le gain le plus important apporté par le relayage est un gain de rapport signal à bruit long-terme. Nous avons donc proposé la technique de Patching pour augmenter l'ordre de macro diversité atteignable par une transmission. Cette technique vise à augmenter le nombre de bits transmis par le relais jusqu'au nombre de bits d'information contenus dans le message. Quand cette technique de Patching est combinée aux codes spatio-temporels, elle permet d'améliorer à la fois l'ordre de macro diversité et l'ordre de micro diversité. Cette technique de Patching a aussi été utilisée sur le canal à interférence et relais pour lequel nous avons introduit l'usage d'un protocole DDF précodé par un relais partagé par plusieurs paires source/destination. Dans ce cas, le Patching a pour but d'améliorer les performances par rapport au cas avec précodeur uniquement, et ce en maximisant le nombre de symboles précodés par relais. Les gains résultants de ces nombreuses variations de notre implémentation pratique du protocole DDF sont finalement décrits au niveau système pour un déploiement macro-cellulaire en zone urbaine, et pour un déploiement indoor, en considérant deux applications : une transmission unicast, par exemple du téléchargement sur internet, ou encore de la diffusion, de la télévision par exemple. Les résultats montrent que le Monostream DDF permet d'atteindre de bonnes performances tout en garantissant que la source et la destination n'ont pas conscience de la présence du relais dans le système. Par conséquent, ce protocole est un candidat intéressant pour le déploiement massif de relais auto-configurables dans les réseaux sans fil.

Le relayage cognitif multiple-input multiple-output (MIMO) hérite l’efficacité spectrale de la radiocognitive et les systèmes de relayage MIMO, apportant ainsi des gains prometteurs en termes de débit dedonnées et de fiabilité pour les futures communications sans fil et mobiles. Dans cette thèse, nous concevons et évaluons des schémas pratiques d’émetteurs et de récepteurs pour des systèmes de relayage MIMO cognitifs qui peuvent être mis en oeuvre à moindre coût. Tout d'abord, nous réduisons l'affaiblissement du débit du mode half-duplex du relayage MIMO amplify-and-forward non-orthogonale(NAF) large bande avec demande de répétition automatique (ARQ). Différemment des travaux de recherche existants, le protocole de relayage proposé ne nécessite que la durée de transmission d’un seul paquet sur des canaux sélectifs en fréquence. De plus, nous proposons une conception de réception itérative à complexité réduite pour cette classe de protocoles, entraînant ainsi une amélioration significative des performances de transmission de bout-en-bout. Deuxièmement, nous nous concentrons sur les systèmes de relayage cognitive de partage du spectre single-input multiple-output (SIMO) et évaluons l’impact des contraintes d’interférence instantanée et statistique sur la qualité de leur probabilité de coupure. Nos résultats révèlent que l’imposition d’une contrainte statistique sur la puissance d’émission du système secondaire est plus favorable que son adversaire consommatrice de spectre. Troisièmement, nous capitalisons sur notre deuxième contribution pour étudier les systèmes de relayage MIMO decode-and-forward (DF) cognitifs utilisant la sélection d'antenne à l’émission (TAS) ainsi que le maximum-ratio combining (MRC) à la réception. Basés sur la maximisation du rapport signal-sur-bruit (SNR) ou du rapport signal-sur-interférence-plus-bruit (SINR), nos résultats de probabilité de coupure nouvellement dérivés pour les deux stratégies proposées de TAS démontre l’optimalité du système de sélection d’antenne basé sur le SINR par rapport aux effets néfastes d’interférence mutuelle dans les systèmes de relayage MIMO DF cognitifs. / Cognitive multiple-input multiple-output (MIMO) relaying inherits the spectrum usage efficiency from both cognitive radio and MIMO relay systems, thereby bearing promising gains in terms of data rate and reliability for future wireless and mobile communications. In this dissertation, we design and evaluate practical transmitter and receiver schemes for cognitive MIMO relay systems that can readily be implemented at a lower cost. First, we reduce the multiplexing loss due the half-duplex operation in non orthogonal amplify-and-forward (NAF) MIMO relay broadband transmissions with automatic repeat request(ARQ). Different from existing research works, the proposed relaying protocol requires only one packet duration to operate over frequency-selective block-fading relay channels. Further, we propose a low complexityiterative receiver design for this class of protocols which results in significant enhancement of the end-to-end transmission performance. Second, we focus on cognitive underlay single-input multiple-output (SIMO) relay systems and evaluate the impact of instantaneous and statistical interference constraints on their outage performance. Our results reveal that imposing a statistical interference constraint on the secondary system transmit power is most favored than its spectrum-consuming counter part. Third, we capitalize on our second contribution to investigate cost-effective transmission schemes for cognitive MIMO decode-and-forward (DF) relaying systems employing transmit-antenna selection (TAS) along with maximum-ratio combining (MRC) at the transmitter and receiver sides, respectively. Driven by maximizing either the received signal-to-noise ratio (SNR) or signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), our newly derived outage performance results pertaining to both proposed TAS strategies are shown to entail an involved derivation roadmap yet demonstrate the optimality of the SINR-driven TAS against the detrimental effect of mutual interference incognitive MIMO DF relay systems.

Dans les systèmes radio mobiles, la diversité représente une technique efficace pour lutter contre l'évanouissement dû aux multi-trajets. La pleine diversité spatiale est atteinte dans les systèmes multiple-input multiple-output (MIMO). Mais, souvent l'intégration d'antennes multiples au niveau de l'émetteur ou du récepteur est coûteuse. Comme alternative, dans les réseaux sans fil multi-hop, la diversité coopérative garantit des gains de diversité spatiale en exploitant les techniques MIMO traditionnelles sans avoir besoin d'antennes multiples. En outre, la diversité coopérative fournit au réseau : un débit important, une énergie réduite et une couverture d'accès améliorée.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de concevoir des schémas de codage pour le canal à relais afin de réaliser une meilleure performance en termes de gain de diversité et de gain de codage. D'abord, nous étudions un système de turbo-codage distribué à L-relais en mode soft-decode-and-forward. Ensuite, nous proposons un système de turbocodage coopératif distribué à L-relais en utilisant la concaténation en parallèle des codes convolutifs. Enfin, afin d'améliorer la fiabilité de détection au niveau du noeud relais, nous proposons la technique de sélection d'antenne/relayage-soft. Pour une modulation BPSK, nous dérivons des expressions de la borne supérieure de la probabilité d'erreurbinaire où les différents sous-canaux sont supposés à évanouissement de Rayleigh, indépendants et pleinement entrelacés avec une information instantanée d'état de canal idéal. Une validation des résultats théoriques est également menée par la simulation.

Dans les systèmes radio mobiles, la diversité représente une technique efficace pour lutter contre l’évanouissement dû aux multi-trajets. La pleine diversité spatiale est atteinte dans les systèmes multiple-input multiple-output (MIMO). Mais, souvent l’intégration d’antennes multiples au niveau de l’émetteur ou du récepteur est coûteuse. Comme alternative, dans les réseaux sans fil multi-hop, la diversité coopérative garantit des gains de diversité spatiale en exploitant les techniques MIMO traditionnelles sans avoir besoin d’antennes multiples. En outre, la diversité coopérative fournit au réseau : un débit important, une énergie réduite et une couverture d’accès améliorée.Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de concevoir des schémas de codage pour le canal à relais afin de réaliser une meilleure performance en termes de gain de diversité et de gain de codage. D’abord, nous étudions un système de turbo-codage distribué à L-relais en mode soft-decode-and-forward. Ensuite, nous proposons un système de turbocodage coopératif distribué à L-relais en utilisant la concaténation en parallèle des codes convolutifs. Enfin, afin d’améliorer la fiabilité de détection au niveau du noeud relais, nous proposons la technique de sélection d’antenne/relayage-soft. Pour une modulation BPSK, nous dérivons des expressions de la borne supérieure de la probabilité d’erreurbinaire où les différents sous-canaux sont supposés à évanouissement de Rayleigh, indépendants et pleinement entrelacés avec une information instantanée d’état de canal idéal. Une validation des résultats théoriques est également menée par la simulation. / Diversity provides an efficient method for combating multipath fading in mobile radio systems. One of the most common forms of spatial diversity is multiple-input multipleoutput (MIMO), where full diversity is obtained. However, embedding multiple antennas at the transmitter or the receiver can sometimes be expensive. As an alternative to collocated antennas, cooperative diversity in wireless multi-hop networks confirms their ability to achieve spatial diversity gains by exploiting the spatial diversity of the traditional MIMO techniques, without each node necessarily having multiple antennas. In addition, cooperative diversity has been shown to provide the network with importantthroughput, reduced energy requirements and improved access coverage.In light of this, the objective of this thesis is to devise coding schemes suitable for relay channels that aim at showing the best compromise between performance of diversity and coding gains. Firstly, we investigate a distributed turbo coding scheme dedicated to L-relay channels operating in the soft-decode-and-forward mode. Then, we present a proposed distributed turbo coded cooperative (DTCC) scheme, called parallel concatenated convolutional-based distributed coded cooperation. Finally, we investigate antenna/soft-relaying selection for DTCC networks in order to improve their end-to-end performance. Assuming BPSK transmission for fully interleaved channels with ideal channel state information, we define the explicit upper bounds for error probability inRayleigh fading channels with independent fading. Both theoretical limits and simulation results are presented to demonstrate the performances.

La Radio Cognitive (CR) est une technique prometteuse pour assurer une utilisation efficace du spectre. Elle permet à un utilisateur non licencié appelé utilisateur secondaire (SU) de coexister avec un utilisateur agréé appelé utilisateur primaire (PU) sans dégrader les performances du dernier. Dans un système de CR, le SU a la capacité de s'adapter à son environnement afin de détecter des trous de fréquences possibles dans le spectre et transmettre dans ces trous sous certaines contraintes de manière à augmenter le débit total. Par ailleurs, l'allocation des ressources dans les systèmes CR forme l'un des scénarios étudiés les plus courantes en particulier pour des transmissions à porteuses multiples.Dans cette thèse, nous étudions le problème d'allocation des ressources pour un système CR à multi-utilisateur pour une transmission de liaison montante. On considère le scénario underlay où le SU est autorisé à coexister avec le PU à condition que l'interférence causé au PU soit inférieure à un seuil prédéfini. Nous appliquons deux techniques de décodage, l'annulation successive d'interférence (SIC) et le codage à superposition (SC), au SU afin de maximiser le débit secondaire.Dans une première étape, le scénario mono-utilisateur est étudié, en supposant que les informations d'état de canal sont connues parfaitement au SU. Nous évaluons la performance du système en proposant un algorithme de décodage adaptatif où le SU peut soit traiter l'interférence venant du primaire comme du bruit, ou bien appliquer le SIC ou SC. Nous étudions le problème d'allocation de puissance en tenant compte du budget de puissance et des contraintes de seuil d'interférence. Une solution générale pour le problème d'optimisation est proposé. L'analyse des simulations et les résultats théoriques montrent que l'algorithme proposé assure une augmentation sur le débit total du système.Ensuite, le scénario multi-utilisateurs secondaires est étudié, où plusieurs utilisateurs sont autorisés à exister dans la cellule secondaire. Les problème d'allocation de puissance et de sous-porteuses sont détaillés dans le but de maximiser le débit. Nous mettons en évidence les avantages de l'algorithme adaptatif dans le cas multi-utilisateur, qui comprend trois phases. La première étape comprend la sélection adaptative de la stratégie de décodage au niveau du récepteur secondaire. La deuxième étape décrit l'attribution de sous-porteuses parmi les différents utilisateurs. Enfin, la troisième étape détaille la répartition optimale du budget de puissance disponible sur les utilisateurs.Cependant, la connaissance parfaite du canal nécessite des mesures de canal parfait au niveau du récepteur et un lien de rétroaction parfaite pour envoyer ces informations à l'émetteur, ce qui peut être impossible à mettre en œuvre. Ainsi, nous étudions aussi le scénario mono-utilisateur en supposant que juste la connaissance statistique des gains de canaux primaires est disponible au SU. Nous détaillons les expressions analytiques pour les probabilités de panne et nous résolvons le problème d'optimisation non-convexe en utilisant un algorithme d'approximation séquentielle. Les simulations montrent que l'algorithme proposé est efficace et robuste.Enfin, nous proposons un nouveau modèle de système où le récepteur secondaire peut agir comme un nœud de relayage Full-Duplex (FD) afin de maximiser le débit primaire. Le scénario proposé est d'abord étudié pour un schéma de modulation à mono-porteuse dans les cas Amplify-and-Forward (AF) et Decode-and-Forward (DF). Les contraintes pour appliquer le SIC et pour le relayage sont déterminés et les nouveaux débits réalisables sont spécifiés de telle sorte que le nœud de relayage relaie si le nouveau débit atteignable est meilleur que celui obtenu sans relayage. En outre, le scénario FD avec DF est étudié avec la modulation multi-porteuse et les performances de ce modèle sont évaluées. Une amélioration importante sur le débit primaire est affiché. / Cognitive Radio (CR) is a promising technique for efficient spectrum utilization. The CR technology permits an unlicensed user called Secondary User (SU) to coexist with the licensed user called Primary User (PU) without degrading his performance. In a CR system, the SU has the ability to sense and adapt to his environment in order to detect possible frequency holes in the wireless spectrum and transmit in it under some constraints so as to increase the total data rate. Besides, resource allocation in CR systems is one of the most common studied scenarios especially for multi-carrier transmissions, with the aim to maximize the system throughput.In this thesis, we investigate the resource allocation problem for an uplink multi-user underlay CR system where the SU is allowed to coexist with the PU provided that the interference caused to the PU is below a predefined threshold. We apply two decoding techniques, Successive Interference Cancellation (SIC) and Superposition Coding (SC), at the SU in order to maximize the secondary rate. In a first step, the single-user scenario is studied, assuming perfect channel state information (CSI) at the SU. We evaluate the performance of the system by proposing an adaptive decoding algorithm where the SU can either treat the interference as noise or perform SIC or SC. We investigate the power allocation problem taking into account the power budget and the interference threshold constraints. A general solution for the power optimization problem in an uplink underlay CR system is proposed. Both theoretical analysis and simulation results show that the proposed algorithm achieves higher sum rate than classical algorithms, providing high-enough data rates for the secondary system at the expense of a very low degradation of the primary system's rate.Then, the secondary multi-user scenario is investigated, where multiple users are allowed to exist in the secondary cell. Power and subcarrier allocation problems are detailed in order to maximize the secondary rate. We highlight the benefits of the proposed multi-user adaptive algorithm which encompasses three phases. The first step includes the adaptive selection of the decoding strategy at the secondary receiver. The second step describes the subcarrier allocation among the different users. Finally, the third step details the optimal distribution of the available power budget on the users.However, perfect channel knowledge requires perfect channel measurements at the receiver and a perfect feedback link to send this channel information to the transmitter, which may be impractical to implement. Thus, we also study the single-user scenario assuming that only statistical CSI of channel gains between the primary transmitter and both primary and secondary receivers is available at the SU. We detail the analytical expressions for the outage probabilities and then we solve the non-convex optimization problem using a sequential approximation algorithm. simulations show that the proposed algorithm is efficient and robust with statistical CSI. This work can be easily extended to the multi-user case.Finally, we propose a new system model where the secondary receiver acts as a Full-Duplex (FD) relay node in order to maximize the primary rate and thus the total system rate. The proposed scenario is first studied for single-carrier modulation scheme for both Amplify-and-Forward (AF) and Decode-and-Forward (DF) relaying protocols. The constraints to apply SIC and to relay are determined and the new achievable rates are specified such that the relay node relays whenever the new achievable rate is better than the one achieved without relying. Furthermore, the performance of the DF relaying scheme in the FD mode is evaluated for multi-carrier modulation. The performance of the proposed system model is evaluated via simulations and an important improvement of the primary achievable rate and thus of the total system rate is shown.