Fundamental Limits of Coded Caching in Wireless Networks

Le stockage de contenu populaire dans des caches disponibles aux utilisateurs, est une technique émergente qui permet de réduire le trafic dans les réseaux sans fil. En particulier, le coded caching proposée par Maddah-Ali et Niesen a été considéré comme une approche prometteuse pour atteindre un temps de livraison constant au fur et à mesure que la dimension augmente. Toutefois, plusieurs limitations empêchent ses applications. Nous avons adressé les limitations de coded caching dans les réseaux sans fil et avons proposé des schémas de livraison qui exploitent le gain de coded caching. Dans la première partie de la thèse, nous étudions la région de capacité pour un canal à effacement avec cache et retour d'information. Nous proposons un schéma et prouvons son optimalité pour des cas particuliers. Ces résultats sontgénéralisés pour le canal à diffusion avec desantennes multiples et retour d'information. Dans la deuxième partie, nous étudions la livraison de contenu sur un canal d'atténuation asymétrique, où la qualité du canal varie à travers les utilisateurs et le temps. En supposant que les demandes des utilisateurs arrivent de manière dynamique, nous concevons un schéma basé sur une structure de queues et nous prouvons qu’il maximise la fonction d'utilité par rapport à tous les schémas limités au cache décentralisé. Dans la dernière partie, nous étudions la planification opportuniste pour un canal d'atténuation asymétrique, en assurant une métrique de justice entre des utilisateurs. Nous proposons une politique de planification simple à base de seuil avec une complexité linéaire et qui exige seulement un bit de retour de chaque utilisateur.Caching, i.e. storing popular contents at caches available at end users, has received a significant interest as a technique to reduce the peak traffic in wireless networks. In particular, coded caching proposed by Maddah-Ali and Niesen has been considered as a promising approach to achieve a constant delivery time as the dimension grows. However, several limitations prevent its applications in practical wireless systems. Throughout the thesis, we address the limitations of classical coded caching in various wireless channels. Then, we propose novel delivery schemes that exploit opportunistically the underlying wireless channels while preserving partly the promising gain of coded caching. In the first part of the thesis, we study the achievable rate region of the erasure broadcast channel with cache and state feedback. We propose an achievable schemeand prove its optimality for special cases of interest. These results are generalized to the multi-antenna broadcast channel with state feedback. In the second part, we study the content delivery over asymmetric block-fading broadcast channels, where the channel quality varies across users and time. Assuming that user requests arrive dynamically, we design an online scheme based on queuing structure and prove that it maximizes the alpha-fair utility among all schemes restricted to decentralized placement. In the last part, we study opportunistic scheduling over the asymmetric fading broadcast channel and aim to design a scalable delivery scheme while ensuring fairness among users. We propose a simple threshold-based scheduling policy of linear complexity that requires only a one-bit feedback from each user