Communications in wireless sensor networks compression, energy efficiency and secrecy
Barceló Lladó, Joan Enric · TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) · 2012
Les xarxes de sensors sense fils (WSNs) han esdevingut un dels sistemes de comunicacio amb mes projeccio d'aquesta decada. Abasten una amplia varietat d’aplicacions tals com la monitoritzacio del medi ambient, la prediccio de desastres naturals, en medicina, en transport, posicionament en interiors, i tasques militars. Els nodes que composen la xarxa, son tipicament de baix cost, cosa que atorga una serie de limitacions en termes d’energia, velocitat de calcul i d’ample de banda. Amb els avencos de les comunicacions sense fils i la creixent demanda de noves i mes complexes aplicacions, les WSNs s’han d’optimitzar per tal de minimitzar aquestes limitacions. Aquesta tesi proposa un conjunt de tecniques que proporcionen a una WSN les seguents caracteristiques: 1. Implementacio distribuida sense necessitat de senyalitzacio entre nodes sensors. 2. Comunicacions energeticament eficients. 3. Poca complexitat als nodes sensors. 4. Empra pocs recursos (temps, ample de banda, etc.) 5. Presenta un error quadratic mig baix en reconstruccio al receptor. 6. Comunicacions secretes a capa fisica. Primer, s’estudia la transmissio sequencial de mostreig reduit. Aquesta tecnica permet la disminucio del nombre de transmissions i, per tant, reduir la despesa energetica associada a la comunicacio a la xarxa. En particular, s’estudia el rendiment dels codificadors deterministics, probabilistics i condicionals de mostreig reduit per senyals autoregressius. S’obtenen expressions tancades de l’error quadratic mig pel cas de mostreig reduit deterministic i probabilistic, mentre que pel cas condicional es deriven aproximacions ajustades. A continuacio, s’analitza la compressio de la informacio per WSNs grans. Pel cas on els parametres de correlacio del senyal son desconeguts a priori, es proposen dos estimadors millorats: i) un per la prediccio emprant el filtre de Wiener i ii) un per l’error quadratic mig obtingut. Ambdos estimadors s’empren pels dos passos claus de l’algorisme de codificacio distribuida de canal. Aquests estimadors milloren notablement el rendiment de l’algorisme en comparacio amb els estimadors de mostres classics, especialment quan la dimensio del vector d’observacions es comparable en magnitud amb el nombre de mostres usades a la fase d’entrenament de l’algorisme. Posteriorment, es proposa un esquema de comunicacio distribuida i energeticament eficient anomenat Amplify-and-Forward Compressed Sensing. Aquest esquema es basa en la tecnica de sensat comprimit i aprofita la correlacio existent al senyal rebut per tal de reduir tant el nombre de recursos emprats com les despeses energetiques del sistema. Especificament, el sistema es dissenya seguint una funcio de cost que controla el compromis existent entre error quadratic i consum energetic de la xarxa. Per aconseguir aquest disseny, es deriva un model simple que aproxima el rendiment de l’esquema proposat en termes d’error quadratic mig. A mes, es contribueix a la teoria de sensat comprimit amb una nova i mes ajustada relacio entre el minim nombre de mesures necessaries donades unes determinades propietats del senyal. Finalment, s’estudia l’esquema proposat Amplify-and-Forward Compressed Sensing des d’un punt de vista de secretisme a capa fisica. Es demostra que aquest esquema assoleix secretisme perfecte sota la presencia d’un o d’un grup reduit d’espies, mentre que per un nombre mes gran, es possible deteriorar notablement les seves capacitats d’espionatge gracies a una tecnica proposta especialment dissenyada per introduir un extra d’incertesa solament a l’estimacio dels espies.