Multicast networks with interactive receiver cooperation

La présente thèse s’intéresse aux communications descendantes, plus spécifiquement aux canaux de multidiffusion, pour lesquels un émetteur diffuse un message commun destiné à tous les utilisateurs d’un groupe. Pour que le débit ne soit pas limité par le plus faible utilisateur en terme de qualité de canal, différentes solutions reposant sur des techniques entrées multiples sorties multiples massives ou multi-débit ont été proposées dans la littérature. Cependant, si tous les utilisateurs souhaitaient obtenir le même niveau de qualité, le plus faible utilisateur établirait le débit et/ou nécessiterait une quantité de ressources démesurée, ce qui impacterait tout le groupe. Les études récentes portant sur les communications d’appareil à appareil ouvrent la voie à la coopération entre utilisateurs proches, ce qui pourrait bénéficier à tous les utilisateurs, en garantissant le même niveau de qualité tout en maintenant un faible coût en ressource et en énergie. C’est pour ces raisons que cette thèse s’intéresse aux canaux de multidiffusion avec coopération entre récepteurs. La théorie de l’information formalise l’étude de ces réseaux et fournit des bornes universelles portant sur le débit transmissible. Le schéma de coopération proposé se base sur une superposition appropriée d’opérations de compresse-relaie (CF) et décode-relaie (DF), et il est prouvé que ses performances surpasse celles des schémas de coopérations non-interactifs pour le scénario à deux récepteurs. Les propriétés de la coopération interactive émergent de l’asymétrie de construction du schéma de coopération, ce qui permet d’adapter l’ordre des CFs et DFs en fonction de la qualité du canal. L’idée derrière cette interaction, les intuitions concernant les points clés de la construction, et des résultats numériques sont donnés pour des réseaux de petites tailles. Des simulations au niveau du système illustrent le gain potentiel que la coopération entre récepteurs pourrait apporter pour des réseaux de plus grandes tailles.The present thesis concentrates on downlink communications. In order to tackle one part of this challenging problem, we focus on the multicast channel in which one transmitter broadcasts a common message intended to a whole group of users. To ensure that the transmission rate is not limited by the weakest user in terms of channel quality, different solutions using massive multiple-input multiple-output or multirate strategies have been proposed in the literature. However, if all users wish to obtain the same content quality, the weakest user would set the rate and/or require a disproportionate amount of resource, and thus impact the whole group. With the recent study of device-to-device mechanisms, user cooperation in close proximity becomes possible and would benefit to all users by ensuring the same content quality while maintaining a low cost in terms of amount of resource and energy. Consequently, this thesis is centered around the multicast network with receiver cooperation. Information-theoretic tools formalize the study of the network considered and provide general bounds on the achievable transmission rate. The proposed cooperation scheme is based on an appropriate superposition of compress-forward (CF) and decode-forward (DF) operations, and provenly outperform non-interactive schemes in the two-receiver scenario. Properties of the interactive cooperation emerge from the asymmetric construction of the scheme which permits to adapt the order of CFs and DFs according to the channel condition. The core idea of the interaction, some insights on key construction points, and numerical results are given for small size networks. System level simulations illustrate the potential gain of receiver cooperation for larger networks