In order to overcome the adverse effects of fading in wireless telecommunication channels, using a combination of error correcting codes and repeat requests has proven to be a practical solution. Such a combination is indeed offered in Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) where retransmissions of encoded bits from the same message packet increase chances of successful decoding. HARQ thus becomes a method for reliable delivery of bursty traffic of data in wireless channels. By exploiting a feedback channel, HARQ targets smaller error rate and higher throughput by retransmitting the failed packets. Conventional HARQ transmission assumes a single-bit feedback message that can acknowledge the success or failure of a transmission attempt to the transmitting node. It is also conventionally accepted to assume fixed transmission parameters throughout the HARQ retransmission process. As a natural extension, the idea of being able to vary transmission parameters from one attempt to another has been of an extensive interest in the recent studies on HARQ. Moreover, the feedback message shows a great performance boost to the conventional HARQ when accompanied by side information about the channel state.This dissertation aims to answer the question: how beneficial a feedback of more than just one bit message can be to the performance of HARQ, if the transmission parameters such as rate, can be varied? To answer this question, we define the optimal rate control problem to find the maximum achievable throughput of HARQ protocol. We also consider two scenarios: in the first one the transmitter does not have any knowledge about the state of the channel and gets a reliable feedback from the receiver in the conventional way; in the second case we assume that the instantaneous channel state information is not available in transmitter but an independent outdated version of it that can be accessible via the feedback channel can be used by the transmitter to adapt the transmission rate. Assuming a fixed-power transmission, we find the optimal rate policies, which yield the maximum achievable throughput and outage-probability-constrained optimal throughput. We present various simplification approaches to the non-convex optimization problems that can significantly reduce the complexity. Our approach is based on the Markov decision process theoretical framework and the optimization that uses the dynamic programming. Theoretically proven performance bounds for truncated and infinite transmission HARQ are presented for both single-hop and relay channels. We show that a few bits of extra feedback message with truncated HARQ can approach closely the performance limit.

Le protocole Hybride ARQ est principalement utilisé pour garantir une livraison fiable de trafic de données dans les canaux sans fil à évanouissements. HARQ permet de réduire la probabilité d’erreurs grâce à l’utilisation d’un canal de retour. En effet, HARQ retransmet correctement les paquets non reçus. Les protocoles HARQ classiques utilisent un message de retour à un seul bit pour déclarer l’échec ou le succès de la transmission. On suppose également que les paramètres de transmission restent fixes tout au long du processus de la retransmission pour le HARQ traditionnel. l’idée de varier les paramètres de HARQd’une transmission à l’autre a fait récemment l’objet de plusieurs de travaux de recherche. De même, les performances du système HARQ augmentent en améliorant les messages de feedback. Notamment, lorsque ces derniers contiennent une information partielle à propos du canal supposée non connue par l’émetteur. les messages de feedback donnent une idée sur le canal de transmission au r´ecepteur.Dans cette thèse, on montre l’avantage d’utiliser plusieurs bits dans le canal de retour. On suppose que les paramètres de transmission, notamment le débit, peuvent varier entre les retransmissions dans le protocole HARQ.Notre objectif est d’optimiser le débit afin de maximiser le débit (throughput) du protocole HARQ. Notre étude couvre les systèmes “point `a point'' et les systèmes à relais dans un canal à évanouissements par blocs. Nous considérons deux scénarios: le premier cas où l’émetteur n’a pas d’informations sur l’état du canal, mais il reoit un seul bit de retour. Dans le deuxième cas, l’émetteur n’a aussi pas d’informations instantanées sur l’état du canal, cependant, une information sur l’état précédant est disponible. Pour les deux scénarios, et en supposant que la puissance reste constante tout le long du processus, on détermine le débit qui maximise le throughput avec contraintes sur la probabilit´e de coupure. Nous prouvons que les solutions obtenues des cas simplifiés sont aussi proches que celles du problme original avec moins de complexité. Pour résoudre le problme d’optimisation, on utilise la théorie sur les processus markoviens, précisément, la programmation dynamique. On détermine aussi les limites des performances du protocole HARQ avec un nombre fini ou infini de retransmissions. Nous montrons qu’uniquement quelques bits de messages de rétroaction supplémentaire suffisent pour atteindre les performances maximales.

Szczecinski, Leszek (Supervisor2)

Labeau, Fabrice (Supervisor1)