Efficient compressed sensing for wireless communication systems

Abstract

The currently deployed wireless communication systems have been inextricably linked to the Big Data deluge conveying an explosive growth of transmitted and processed heterogeneous data that demand a low complexity and resource efficient information extraction. The above necessity constitutes the main motivation for a thorough understanding of advantages and limitations that govern the communication system performance analysis and design. As with other scientific areas, the performance evaluation of modern communication systems implies the careful formulation of an optimization problem with relevant objective and constraints that best model the practical requirements of the specific problem at hand. To that end, a priori information for the specific problem is proven to contribute to the acquiring of an optimal solution. CS comprises a set of optimization tools that effectively convert a problem of high intractability i.e. combinatorial nature to a reduced dimensionality problem with low computational and implementation complexity. Thus, CS has already emigrated to wireless communication system performance evaluation due to the essential fact that the convenient property of structure as additional information is also verified in the wireless communication field. Efficient algorithms that jointly consider physical limitations of the wireless channel, in terms of the distortion it induces to the transmitted signal, are already present and rapidly evolving. This thesis constitutes the integration of CS and information theory in statistical modeling of the wireless channel from the essential statistical independence assumption point of view. The random distorting mechanisms of the wireless channel are accounted for thus additive noise and diverse fading. Moreover, the concept of resource efficiency adapts to this thesis in terms of information accessibility in a large scale deployed network. The above statistical assumption provides useful performance insights which extent in terms of comparison to the more practical correlation case with respect to additive noise and fading distributions. Finally, the merit of the results derived in this thesis is verified by stating feasible application of these results in terms of CS theory and principles to the current Fifth Generation communication systems. Through this relation, limitations of the current communication system generation can further boost performance and provide guidelines in terms of practical application specific considerations serving as motive to designing improved future communication systems.The currently deployed wireless communication systems have been inextricably linked to the Big Data deluge conveying an explosive growth of transmitted and processed heterogeneous data that demand a low complexity and resource efficient information extraction. The above necessity constitutes the main motivation for a thorough understanding of advantages and limitations that govern the communication system performance analysis and design. As with other scientific areas, the performance evaluation of modern communication systems implies the careful formulation of an optimization problem with relevant objective and constraints that best model the practical requirements of the specific problem at hand. To that end, a priori information for the specific problem is proven to contribute to the acquiring of an optimal solution. CS comprises a set of optimization tools that effectively convert a problem of high intractability i.e. combinatorial nature to a reduced dimensionality problem with low computational and implementation complexity. Thus, CS has already emigrated to wireless communication system performance evaluation due to the essential fact that the convenient property of structure as additional information is also verified in the wireless communication field. Efficient algorithms that jointly consider physical limitations of the wireless channel, in terms of the distortion it induces to the transmitted signal, are already present and rapidly evolving. This thesis constitutes the integration of CS and information theory in statistical modeling of the wireless channel from the essential statistical independence assumption point of view. The random distorting mechanisms of the wireless channel are accounted for thus additive noise and diverse fading. Moreover, the concept of resource efficiency adapts to this thesis in terms of information accessibility in a large scale deployed network. The above statistical assumption provides useful performance insights which extent in terms of comparison to the more practical correlation case with respect to additive noise and fading distributions. Finally, the merit of the results derived in this thesis is verified by stating feasible application of these results in terms of CS theory and principles to the current Fifth Generation communication systems. Through this relation, limitations of the current communication system generation can further boost performance and provide guidelines in terms of practical application specific considerations serving as motive to designing improved future communication systems.

Τα τρέχοντα ανεπτυγμένα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα έχουν συνδεθεί άρρηκτα με τα μεγάλα δεδομένα εκφράζοντας μία εκρηκτική αύξηση των μεταδιδόμενων και επεξεργαζόμενων ετερογενών δεδομένων απαιτώντας μία χαμηλής πολυπλοκότητας και αποδοτικής χρήσης πόρων εξαγωγή πληροφορίας. Η παραπάνω αναγκαιότητα συνιστά και το κύριο κίνητρο για πλήρη κατανόηση των πλεονεκτημάτων και περιορισμών που διέπουν την ανάλυση της επίδοσης και τη σχεδίαση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Όπως και σε άλλες επιστημονικές περιοχές, η αξιολόγηση της επίδρασης των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων υποδηλώνει τη λεπτομερή διατύπωση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης με σχετιζόμενους στόχους και περιορισμούς που βέλτιστα μοντελοποιούν τις πρακτικές απαιτήσεις του συγκεκριμένου προβλήματος που αντιμετωπίζεται. Για αυτό το στόχο, εκ των προτέρων πληροφορία για το συγκεκριμένο πρόβλημα αποδεικνύεται ότι συνεισφέρει στην απόκτηση μιας βέλτιστης λύσης. Η συμπιεσμένη καταγραφή αποτελείται από ένα σύνολο εργαλείων βελτιστοποίησης που αποτελεσματικά μετατρέπουν ένα δισεπίλυτο πρόβλημα όπως συνδυαστικής φύσης σε ένα πρόβλημα μειωμένης διάστασης με χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα και πολυπλοκότητα υλοποίησης. Έτσι, η συμπιεσμένη καταγραφή έχει ήδη μεταφερθεί σε στην αξιολόγηση της επίδοσης ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων λόγω του σημαντικού γεγονότος ότι η βολική ιδιότητα της δομής ως επιπλέον πληροφορίας επαληθεύεται και στο πεδίο των ασύρματων επικοινωνιών. Αποδοτικοί αλγόριθμοι που συνδυασμένα θεωρούν τους φυσικούς περιορισμούς του ασύρματου καναλιού, ως προς την αλλοίωση που προκαλεί στο μεταδιδόμενο σήμα, υπάρχουν ήδη και εξελίσσονται ταχύτατα. Η συγκεκριμένη διατριβή συνιστά την ενσωμάτωση της συμπιεσμένης καταγραφής και της θεωρίας πληροφοριών στην στατιστική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού από την σημαντική σκοπιά της στατιστικής ανεξαρτησίας. Οι τυχαίοι μηχανισμοί αλλοίωσης του ασύρματου καναλιού θεωρούνται συγκεκριμένα προσθετικός θόρυβος και διαφοροποιημένες διαλείψεις. Επιπλέον, η αποδοτικότητα των πόρων προσαρμόζεται στη συγκεκριμένη διατριβή όπως την προσβασιμότητα της πληροφορίας σε ένα μεγάλης κλίμακας ανεπτυγμένο δίκτυο. Η παραπάνω στατιστική παραδοχή χρήσιμες πληροφορίες για την επίδοση οι οποίες επεκτείνονται με όρους σύγκρισης στην πιο πρακτική περίπτωση της συσχέτισης ως προς τις κατανομές του προσθετικού θορύβου και των διαλείψεων. Τέλος, η αξία αυτών των αποτελεσμάτων που εξάγονται σε αυτή τη διατριβή επιβεβαιώνεται από την διατύπωση των δυνατών εφαρμογών αυτών των αποτελεσμάτων ως προς τη θεωρία και τις αρχές της συμπιεσμένης καταγραφής στα επικοινωνιακά συστήματα τρέχουσας γενιάς. Μέσω αυτής της σχέσης, περιορισμοί των συστημάτων τρέχουσας γενιάς μπορούν να προάγουν περαιτέρω την επίδοση των συστημάτων αυτών και να παρέχουν κατευθυντήριες γραμμές ως προς τις πρακτικές θεωρήσεις σε συγκεκριμένες εφαρμογές ως κίνητρο για τη σχεδίαση βελτιωμένων μελλοντικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων.