On infinite and finite lattice constellations for the additive white Gaussian Noise Channel

Constellations finies et infinies de réseaux de points pour le canal AWGN

Nicola Di Pietro (1)

1 IMB - Institut de Mathématiques de Bordeaux

The probleme of transmission of information over the AWGN channel using lattices is addressed. Firstly, infinite constellations are considered. A nex family of integer lattices built by means of construction A with non-binary linear condes is introduced. These lattices are called LPA (Low-Density Construction A) and are characterised by sparse p-ary parity-chedk matrices, that put them in direct relation with LPDC codes. Two results about the Poltyrev-capacity-archieving qualities of this family are proved, respectively for logarithmic row degree and constant row degree of the associated parity-check matrices. The second result is based on some expansion poperties of the Tanner graphs related to these matrices. Another topic of this work concerns finite lattice constellations. A new proff that heneral random Construction A lattices achieve capacity under lattice deconding is provided, continuing and pimproving the work of Erez and Zamir (2004), Ordentlich an Erez (2012), and Ling and Belfiore (2013). This proof is based on Voronoi lattice constellations and MMSE scaling of the channel output. Finally, this approach is adapted to the LDA case abd ut us scgiwn tgat LDA lattices achive capacity with the ame transmission scheme, too. Once again, it is necessary to exploit the expansion properties of the Tanner graphs. At he end of the dissertation, an iterative message-passing algorithm suitable for decoding LDA lattices in high dimensions is presented.

On étudie le problème de la transmission de l'information à travers le canal AWGN en utilisant des réseaux. On commence par considérer des constellations infinies. Une nouvelle famille de réseaux obtenus par Construction A à partir de codes linéaires non binaires est proposée. Ces réseaux sont appelés LDA ("Low-Density Construction A") et sont caractérisés par des matrices de parité p-aires creuses, qui les mettent en relation directe avec les codes LPDC. Deux résultats sur leur possibilité d'atteindre la capacité de Poltyrev sont provés ; cela est d'abord démontré pour des poids des lignes logarithmiques des matrices de parité associées, puis pour des poids constants. Le deuxième résultat est basé sur certaines propriétés d'expansion des graphes de Tanner correspondants à ces matrices. Un autre sujet de ce travail concerne les constellations finies de réseaux. une nouvelle preuve est donnée du fait que des réseaux aléatoires obtenus par Construction A generale atteignent la capacité avec décodage de type "lattice decoding". Cela prolonge et améliore le travail de Erez et Zamir (2004), Ordentlich et Edrez (2012) Ling et Belfiore (2013). Cette preuve est basée sur les constellations de Coronoï et la multiplication par le coefficient de Wiener ("MMSE scaling") du siganl en sortie du canal. Finalement, ce résultat est adapté au cas des réseaux LDA, qui eux aussi atteignent la capacité avec le même procédé de transmission. Encore une fois, il est nécessaire d'exploiter les propriétés d'expansion des graphes de Tanner. A la fin de la dissertation, on présente un algorithme de décodage itératif et de type "message-passing" approprié au décodage des LDA en grandes dimensions.

Mots clés: Lattices; Lattice constellations; AWGN channel; Construction A; Poltyrev capacity; LDA lattices; Shannon capacity; Voronoi constellations; Nested lattices

Mots clés: Réseaux; Constellations de réseaux; Canal AWGN; Construction A; Capacité de Poltyrev; Réseaux LDA; Capacité de Shannon; Constellations de Voronoi; Réseaux imbriqués

Domaines: Algorithme et structure de données [cs.DS]

Nicola Di Pietro. On infinite and finite lattice constellations for the additive white Gaussian Noise Channel. Data Structures and Algorithms [cs.DS]. Université de Bordeaux, 2014. English. ⟨NNT : 2014BORD0006⟩. ⟨tel-01135575⟩