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Th` ese pr´ esent´ ee pour obtenir le grade de docteur de l’´ Ecole Nationale S

Th` ese pr´ esent´ ee pour obtenir le grade de docteur de l’´ Ecole Nationale Sup´ erieure des T´ el´ ecommunications Sp´ ecialit´ e : ´ Electronique et Communication Mohamed Oussama Damen Joint Coding/Decoding in a Multiple Access System, Application to Mobile Communications ENST Soutenue le 22 Octobre 1999 devant le jury compos´ e de A. Robert Calderbank Rapporteurs Giuseppe Caire Philippe Loubaton Prsident Emanuele Viterbo Examinateurs Jean-Claude Belﬁore Jorge Rodriguez Guisantes ´ Ecole Nationale Sup´ erieure des T´ el´ ecommunications 2 ENST To my family iv ENST Remerciement Je voudrais remercier ici tous ceux qui m’ont aid et encourag pendant les trois annes de thse. Tout d’abord j’exprime ma reconnaissance Monsieur Philippe Loubaton, Pro- fesseur l’Universit de Marne la Valle, pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de prsider le jury. galement je suis trs reconnaissant Messieurs A. Robert Calderbank, Directeur de recherche AT&T, et Giuseppe Caire, Professeur l’Institut d’Eurecom Sophia Antipo- lis, qui ont bien voulu tmoigner leur intrˆ et pour ce travail en tant rapporteurs. Leur remarques et critiques m’ont t trs utiles. Je tien aussi remercier Messieurs Emanuele Viterbo, Professeur l’cole Politecnico di Torino, et Jorge Rodriguez Guisantes, Maˆ itre de confrence l’cole Nationale Suprieure des Tlcommunications (ENST) de Paris, pour m’avoir fait l’honneur de participer ce jury et aussi pour leur valeureuse remarques. J’exprime ma gratitude mon directeur de thse, Monsieur Jean-Claude Belﬁore, Pro- fesseur l’ENST de Paris, pour la conﬁance et la patience qu’il m’a tmoign, et pour tous les ides et les conseils qu’il a partag avec moi. Je voudrais aussi exprimer ma reconnaissance la Direction de l’cole, la Direction Scientiﬁque et au Dpartement de Communications et d’lectroniques pour m’avoir ac- cueilli et donn les moyens d’entreprendre cette thse. Je tiens exprimer ma sincre reconnaissance au Rectorat de Paris pour avoir ﬁnanc ce travail. Je remercie mes amis et collgues pour les motivations et les encouragements qu’il m’ont donns. Je voudrais citer spcialement Nicolas, Karim, Amal, Ammar, Bahram, v REMERCIEMENT Hilmi et Rima. Aussi je remercie tout le personnel du Dpartement pour l’ambiance cosmopolite. Finalement, je remercie mes parents et ma famille pour leur patience, encouragement, et penses chaleureuses. Paris, le 31 Janvier 2000 M. Oussama Damen vi ENST Mohamed Oussama Damen Digitally signed by Mohamed Oussama Damen DN: cn=Mohamed Oussama Damen, c=US Date: 2001.10.15 15:27:18 -07'00' Signature Not Verified Contents Remerciement v R´ esum´ e xvii Notations xix Acronyms xxi Abstract xxiii 1 Work Context 1 1.1 Deﬁnitions and system model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Overview and contribution of thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Information Theory and State of the Art 13 2.1 Information theory viewpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.1 Capacity of the noiseless K-user adder channel . . . . . . . . . . 14 2.1.2 Capacity of the Gaussian multiple access channel . . . . . . . . 14 2.1.3 Capacity of known systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.4 Capacity of multi-antenna system . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.1 Multi-user detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2 Multi-user coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.3 Multi-antenna and space-time codes . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3 Joint Multi-user Decoding 25 3.1 Uncoded two users . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.1 The Gaussian channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.2 The Rayleigh fading channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Convolutional coded systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 vii CONTENTS 3.2.1 Convolutional codes over the Gaussian channel . . . . . . . . . . 30 3.2.2 Convolutional codes over the Rayleigh fading channel . . . . . . 36 3.3 Block coded systems over the Gaussian channel . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1 The Fossorier-Lin algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.2 Assigning soft values to the hard decisions . . . . . . . . . . . . 39 3.3.3 Simulations results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4 Performance analysis: general observations and rules-of-thumb . . . . . 42 3.5 Elements of analysis of block coded 2 users over the AWGN channel . . 44 3.5.1 Union bound on error probability . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.5.2 The probability distribution of user 1 at the semi-iteration l + 1 45 3.6 Sub-optimal system, comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3-A The likelihoods of uncoded two users over the Gaussian channel . . . . 50 3-B Union bound of uncoded two users over the Rayleigh fading channel . . 51 3-C The means and the variances of the matched ﬁlters . . . . . . . . . . . 52 4 Joint Multi-user Coding 57 4.1 System model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Information theory considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3 K-user code construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3.1 A case of study, K = 2, q = 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Increasing the number of users K . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.3 Increasing the size of the constellation q . . . . . . . . . . . . . 67 4.3.4 Increasing the dimension of the constellation D . . . . . . . . . 67 4.4 Detection over the noiseless adder channel . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.4.1 Some results from algebraic number theory . . . . . . . . . . . . 69 4.4.2 Detection, K = 2, D = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4.3 Detection, K = 3, D = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.4.4 Detection, K > 3, D = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.5 Detection over the Gaussian channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.6 Concatenation with single user codes . uploads/Management/ damen-thesis-pdf.pdf