Coordination of autonomous devices over noisy channels : capacity results and coding techniques

Les réseaux de 5ème génération se caractérisent par la communication directe entre machines (M2M) et l’Internet des Objets, un réseau unifié d’objets connectés. Dans ce contexte, les appareils communicants sont des décideurs autonomes qui coopérent, coordonnent leurs actions et se reconfigurent de manière dynamique enfonction de leur environnement. L’enjeu est de développer des algorithmes efficaces pour coordonner les actions des appareils autonomes constituant le réseau.La théorie de l’information nous permet d’étudier le comportement de long-terme des appareils grâce aux distributions de probabilité conjointes. En particulier, nous sommes intéressés par la coordination forte, qui exige que la distribution induite sur les suites d’actions converge en distance L^1 vers une distribution i.i.d. cible.Nous considérons un model point-à-point composé d’une source d’information, d’un encodeur, d’un canal bruité, d’un décodeur, d’une information commune et nous cherchons à coordonner les signaux en entrée et en sortie du canal avec la source et sa reconstruction.Nos premiers résultats sont des bornes intérieures et extérieure pour la région de coordination forte, c’est-à-dire l’ensemble des distributions de probabilité conjointes réalisables et la quantité d’information commune requise.Ensuite, nous caractérisons cette région de coordination forte dans trois cas particuliers: lorsque le canal est parfait, lorsque le décodeur est sans perte et lorsque les variables aléatoires du canal sont indépendantes des variables aléatoires de la source. L’étude de ce dernier cas nous permet de remettre en cause le principe de séparation source-canal pour la coordination forte. Nous démontrons également que la coordination forte offre “gratuitement” des garanties de sécurité au niveau de la couche physique.Par ailleurs, nous étudions la coordination sous l’angle du codage polaire afin de développer des algorithmes de codage implémentables. Nous appliquons la polarisation de la source de manière à créer un schéma de codage explicite qui offre une alternative constructive aux preuves de codage aléatoires.5G networks will be characterized by machine to machine communication and the Internet of Things, a unified network of connected objects. In this context, communicating devices are autonomous decision-makers that cooperate, coordinate their actions, and reconfigure dynamically according to changes in the environment.To do this, it is essential to develop effective techniques for coordinating the actions of the nodes in the network.Information theory allows us to study the long-term behavior of the devices through the analysis of the joint probability distribution of their actions. In particular, we are interested in strong coordination, which requires the joint distribution of sequences of actions to converge to an i.i.d. target distribution in L^1 distance.We consider a two-node network comprised of an information source and a noisy channel, and we require the coordination of the signals at the input and at the output of the channel with the source and the reconstruction. We assume that the encoder and decoder share a common source of randomness and we introduce a state capturing theeffect of the environment.The first objective of this work is to characterize the strong coordination region, i.e. the set of achievable joint behaviors and the required minimal rates of common randomness. We prove inner and outer bounds for this region. Then, we characterize the exact coordination region in three particular cases: when the channel is perfect, when the decoder is lossless and when the random variables of the channel are separated from the random variables of the source.The study of the latter case allows us to show that the joint source-channel separation principle does not hold for strong coordination. Moreover, we prove that strong coordination offers “free” security guarantees at the physical layer.The second objective of this work is to develop practical codes for coordination: by exploiting the technique of source polarization, we design an explicit coding scheme for coordination, providing a constructive alternative to random coding proofs