Cette Habilitation à Diriger des Recherches est une synthèse des activités de recherche que j’ai initiées, depuis l’année 2004, au sein du département Electronique de Télécom Bretagne et de l’équipe thématique Interaction Algorithme-Silicium du pôle CACS du laboratoire Lab-STICC. Ces activités concernent principalement les implémentations numériques flexibles de la couche physique des futurs terminaux de communications. En effet, bien que le débit et la surface aient été les métriques les plus dominantes dans la conception des architectures de traitement numérique, récemment, le besoin de systèmes « flexibles » capables de supporter différents modes opératoires, ou même différents standards, a changé la perspective visée. L’émergence de nouvelles applications liées à la radio cognitive ou radio intelligente a fait de la flexibilité une propriété fondamentale des futurs récepteurs, qui seront amenés à supporter un large éventail de standards différents. Il s’agit d’un concept très ambitieux permettant de supporter de multiples versions d’une fonctionnalité spécifique, chacune caractérisée par un compromis différent entre la qualité de la communication et le débit ou la consommation énergétique. Le but est de permettre une adaptation dynamique entre une version et une autre de la fonctionnalité considérée, en réaction à des variations environnementales, à des contraintes énergétiques ou à des besoins utilisateurs variables. D’un autre côté, l’étendue du principe du « traitement itératif » à toute la chaîne de communication numérique fait actuellement l’objet de nombreuses recherches algorithmiques pour atteindre des nouvelles performances en termes de qualités de transmission. Cependant, cette généralisation du traitement itératif multiplie la complexité en termes de calculs, d’échanges d’information et de mémorisation et constitue ainsi un défi considérable dans une perspective d’implémentation matérielle. Ainsi, les activités de recherches présentées visent la proposition de nouvelles architectures flexibles pour les futurs récepteurs itératifs. Ces activités considèrent naturellement les autres exigences croissantes en termes de débit et d’efficacité surfacique et énergétique qui sont incontournables pour la pertinence des propositions. L’originalité de l’approche proposée s’étend de la proposition et de la conception de cœurs de processeurs avec jeu d’instructions novateur (ASIP) à la mise en œuvre de plateformes multiprocesseur (MPSoC) intégrant un réseau sur puce (NoC) dédié à l’application. Le concept d’ASIP permet de construire des processeurs spécialisés à un domaine d’application, mais flexibles à l’intérieur de ce domaine par simple reprogrammation logiciel. Le réseau sur puce, permettant de faire communiquer les ASIPs, apporte la souplesse d’utilisation lors de la conception ainsi que lors du fonctionnement (utilisation partielle des ASIPs). Dans ce contexte, plusieurs travaux de recherche ont été initiés et mis œuvre à travers, principalement, cinq thèses de doctorat soutenues, cinq thèses en cours, et sept projets de recherche collaboratifs nationaux et internationaux. Les réalisations les plus significatives sont présentées en les regroupant dans quatre sous-thèmes : (1) Architectures multi-ASIPs pour le décodage de canal, (2) Réseaux sur puces dédiés aux applications en communications numériques, (3) Architectures multi-ASIPs pour l’égalisation MIMO et la démodulation et (4) Récepteur multi-ASIP hétérogène et prototypage FPGA. Concernant les perspectives de recherche, à court et moyen termes il est prévu d’explorer des optimisations « système » avec l’association efficace, en terme de complexité, de traitements itératifs locaux (intra-composant) et globaux (inter-composant). A plus long terme, plusieurs perspectives sont proposées sur différents niveaux : domaine d’application, technologies cibles, techniques architecturales et méthodologies de conception.

Transmettre toujours plus d’information sans pertes est un challenge auquel les chercheurs sont toujours confrontés. Une des possibilités est d’utiliser du codage de canal généralement associé à d’autres techniques (MIMO, multi-utilisateurs, etc..). Ce document permet de balayer un certain nombre de contextes d’utilisation, d’adaptation et d’amélioration d’une famille de codes correcteurs d’erreurs inventés à Télécom Bretagne en 1992 par C. Berrou et A. Glavieux : les turbocodes. L’objectif est à chaque fois d’obtenir un code adapté à l’application qui peut être implanté sur circuit. Les préoccupations matérielles sont donc importantes et conduisent vers le besoin d’étudier des techniques de réduction de consommation car la ressource « énergétique » devient de plus en plus précieuse. Une partie du métier d’enseignant-chercheur est de transmettre des savoirs mais aussi de la curiosité scientifique. c’est donc naturellement que ce document expose à la suite des activités de recherche des actions réalisées, des projets et des perspectives en enseignement.

The publication of turbo codes in 1993 proved that there were error-correcting codes with performance close to the theoretical limit and which can be used in industrial products. Quickly, turbo codes have been adopted in several standards such as DVB-RCS, UMTS, CDMA2000 and 3GPP-LTE. The increasing demand for high throughput applications in broadband applications until 1 Gb/s and beyond is strongly calling for high-speed turbo decoder implementations, thus leading to new challenges. An alternative approach was explored in this thesis: the decoding of error-correcting codes based on a stochastic representation of information. Principles of stochastic computation were first presented in the 1960’s as a method to carry out complex operations with a low hardware complexity. The main feature of this method is that the probabilities are converted into streams of random bits using Bernoulli sequences, in which the information is given by the statistics of the bits. As a result, complex arithmetic operations on probabilities are transformed into operations on bits using elementary logic gates. The application of stochastic calculation in iterative decoding of error-correcting codes leads tovery simple physical structures of computation nodes. The objective of this thesis is to apply the stochastic decoding approach to the turbo codes. Our first contribution shows that a stochastic turbo decoder architecture can be obtained with no significant loss of performance. However, a major challenge in the implementation of stochastic turbo decoders is to improve the decoding throughput. In order to solve this challenge, we have proposed two efficient solutions: the transformation of stochastic additions into the exponential domain and the exploration of new parallelism schemes. The first technique consists in replacing the stochastic additions by simple operations after exponential transformations. This technique allows to reduce the computational complexity, and to improve the decoding throughput. The second technique is to represent a probability by several parallel stochastic streams. This method also allows us to compensate the correlation problem. These two techniques have resulted in stochastic convolutional decoders and turbo decoders with performances similar to the ones of conventional decoders. Finally, the proposed architectures for stochastic convolutional decoders and stochastic turbo decoders were implemented on programmable devices (FPGAs). The stochastic turbo decoder prototype demonstrates the feasibility of a stochastic turbo decoder in terms of performance and complexity. In addition, it enables many prospects for this alternative

Cooperative communication has recently been introduced as a new method to push forward reliability and capacity of future wireless networks. The basic idea of cooperative communications is that all nodes in a network may help each other to transmit informa- tion to a destination, under constraints on power, complexity or delay. While a single antenna is employed at each node, cooperative communications allow to share several antennas distributed over different nodes in order to benefit from spatial diversity. Nevertheless, it was shown that cooperative communications suffer from throughput degradationdue to the fixed cooperative phase. Therefore, to overcome this drawback, we can use Hybrid automatic repeat request (HARQ), a common technique used to make a wireless link reliable and transmissions more efficient. However, most of these works explore exclusively the case of one source node assisted by one or multiple relay nodes. Only few works extended the idea of cooperative HARQ to the case of user cooperation. In this thesis, we explore cooperative HARQ protocols over the user cooperation system, a configuration that has not been fully explored yet. The considered system consists of two sources which cooperate to communicate statistically independent data to a single destination. Each source can operate in two different modes: transmission mode, by transmitting its own local information, or relaying mode, by helping the partner node to transmit its information. The first part of the thesis is devoted to investigate the impact of employing hybrid automatic repeat request (HARQ) protocols, which send back ACK or NACK to the transmitting nodes, over a turbo coded cooperation scheme. This cooperative scheme is adopted as a starting point since it integrates user cooperation with capacity approaching channel coding, particularly turbo code. Instead of repeating the received information, the source decodes the partner’s information and transmits additional parity bits ac- cording to an overall distributed turbo code scheme. We exploit the limited feedback to define three different cooperative HARQ protocols: destination-level HARQ, relay- level HARQ and two-level HARQ. These protocols aim mainly to preserve the overall system throughput by controlling the cooperation phase at the destination node, and to increase diversity by allowing retransmission to the partner node which strengthens the inter-source link.We further analyze the probability of outage of the proposed protocols, characterize their diversity-multiplexing tradeoff and evaluate them according to different parame- ters: channel conditions, transmission rate, and resource allocation. Furthermore, we analyze the improvement of the proposed cooperative HARQ pro- tocols over the original turbo coded cooperation system, as well as over a conventional point-to-point incremental-redundancy HARQ system, in terms of frame error proba- bility and throughput efficiency. Thanks to this analytical study, we define the system retransmission gain and the system cooperation gain, which serve as decision param- eters to determine the geometric conditions under which cooperative HARQ protocols are useful. These proposed protocols fit well for applications such as wireless vehicular networks. In the second part of the thesis, we consider wireless sensor networks, where neigh- boring sensors measure data that is statistically dependent. Source correlation can be exploited at the receiver side. As a third main contribution of the thesis, we derive bounds on the error probability in an uncoded decode-and-forward cooperative system with two correlated information sources and one relay. Furthermore, we demonstrate the performance gain that can be obtained by exploiting the correlation between the sources and we compare these results to a correlation-aware system without relay.