Partial decode-forward in relay networks

Cooperative transmission acts as a distributed solution for providing robust wireless communications. It pools available resources, such as power and bandwidth, across the network. The relay network is the simplest information theoretic model for a cooperative wireless network and a full understanding of communication limits over such a network can potentially shed light on the design of more efficient wireless networks. However, the capacity of the relay network is still unknown. As a step towards the goal of calculating the capacity, we derive the capacity bounds for a single-source single-destination relay network based on partial decode-forward. In the first part of the thesis, we review existing bounds on the capacity of the discrete memoryless relay channel. We also review decode-forward and partial decode-forward in the relay network. In the second part of the thesis, we first introduce a discrete memoryless relay network model consisting of one source, one destination and N relays. We then design a scheme based on partial decode-forward relaying. The source splits its message into one common part and N+1 private parts which are to be decoded at different relays. The source encodessplit message parts using length-N block Markov coding, in which each private message part is independently superimposed on the common parts of the current and N previous blocks. Using joint sliding window decoding, each relay fully recovers the common message part and its intended private message part with the same block index, then forwards them together to the following nodes in the next block. We derive the achievable rate of this scheme in a compact form. The result is a generalization of and can be particularized to a known decode-forward lower bound for an N-relay network and partial decode-forward lower bound for a two-relay network. We then apply our proposed scheme to a Gaussian relay network and obtain its capacity lower bound considering power constraints at transmitting nodes. In the third part of the thesis, we introduce the concept of exhaustive message splitting for partial decode-forward in a single-source single-destination relay network with N relays, in which the relays are divided into subsets, and each different relay subset has a distinct private message part to decode. We study this scheme in more depth in a three-relay network based on block Markov encoding. We derive its achievable rate. Finally, we apply this scheme to a Gaussian three-relay network and show that our scheme generalizes network decode-forward and the private message splitting scheme as shown in the second part.La transmission coopérative agit comme étant une solution diffusée, permettant de fournir une communication sans fil très robuste. Elle regroupe les ressources disponibles, comme la puissance et la bande passante, à travers le réseau. Le réseau à relais est le modèle théorique le plus simple pour un réseau sans fil coopératif et la compréhension des limites de communication à travers de ce réseau permet potentiellement de saisir la conception d'un réseau sans fil plus efficace. Par contre, la capacité du réseau à relais est encore inconnue. Dans cette thèse, nous adressons la conception du schéma du decode-forward partiel dans un réseau à relais ayant une source et une destination unique. Dans la première partie de cette thèse, nous révisons le réseau à relais. Nous révisons aussi le decode-forward ainsi que le decode-forward partiel dans les réseaux à relais. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous introduisons un réseau à relais sans mémoire composé d'une source, d'une destination et de relais N. Par la suite, nous concevons un schéma à partir du réseau decode-forward partiel. La source divise son message en une partie commune et en parties privées N+1 qui sont destinées à des relais différents. La source code les parties du message divisé en utilisant le codage length-N black Markov, dans lequel chaque partie du message privé est superposé indépendamment sur les parties communes du bloc actuel et des blocs précédents N. En utilisant le décodage conjoint fenetre coulissante, chaque relais récupère la partie du message commune et sa partie du message privé ayant le même index bloc, et les envoi par la suite ensemble aux nœuds du bloc suivant. Nous dérivons son taux réalisable dans un format compact. Le résultat permet de réduire la borne inférieure connue du decode-forward d'un réseau à N-relais et la borne inférieure du decode-forward partiel pour un réseau à deux relais. Nous appliquons par la suite notre schéma propositionnel à un réseau à relais gaussien et d'obtenir sa capacité de borne inférieure en prenant en compte les contraints de puissance aux nœuds émetteurs. Dans la troisième partie de cette thèse, nous introduisons le fractionnement exhaustif des messages pour le decode-forward partiel ayant une source et une destination unique dans un réseau à relais ayant N relais, dans lequel chaque sous-ensemble différent du relais contient un message privé distinct à décoder. Nous étudions profondément ce schéma dans un réseau à trois relais basé sur le codage un bloc Markov. Nous dérivons son taux réalisable. Nous fournissons un graphique orienté qui détaille le superpositionnement de la structure du codebook afin d'aider le lecteur à comprendre la hiérarchie de la génération du codeword. Finalement, nous appliquons ce schéma à un réseau à trois relais gaussien et nous montrons que notre schéma généralise le relais decode-forward et le schéma du fractionnement du message privé comme démontré dans la seconde partie