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???metadata.dc.type???: Tese
Title: Compressed Sensing and Deep Learning for Low-complexity Signal Detection in Communication Systems
???metadata.dc.creator???: Souza de , Pedro 
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Mendes , Luciano
???metadata.dc.contributor.advisor2???: Souza, Rausley
???metadata.dc.contributor.referee1???: Mendes, Luciano
???metadata.dc.contributor.referee2???: Souza , Rausley
???metadata.dc.contributor.referee3???: Lopes, Estevan
???metadata.dc.description.resumo???: Os requisitos da nova geração de comunicações móveis, aliados à conectividade massiva de dispositivos, estabelecem cenários heterogêneos e complexos. Nesses cenários, modelos clássicos se tornam limitados em sua aplicabilidade, principalmente devido à dificuldade de tratamento dos respectivos modelos temáticos. Além disso, ainda que a solução ótima esteja disponível, pode ser que sua complexidade computacional seja proibitiva na prática. Portanto, maneiras alternativas de abordar esses cenários são necessárias, uma delas sendo os algoritmos de aprendizado de máquina (machine learning, ML) e as redes neurais (neural etworks, NNs). Usar o potencial das NNs para resolver problemas genéricos de otimização, por exemplo, possui um apelo interessante em tais cenários heterogêneos. Por outro lado, o sensoriamento comprimido (compressed sensing, CS) foi proposto a fim de reduzir os requisitos de armazenamento e consumo energético de dispositivos, por meio da compressão de sinais via simples transformações lineares. Embora sinais comprimidos possam ser perfeitamente recuperados, a complexidade do processo de reconstrução é alta. No entanto, existem aplicações onde sinais comprimidos são processados diretamente no domínio comprimido, ou seja, sem o processo de reconstrução, sendo o sensoriamento espectral um exemplo. Isso motivou a definição de um conceito emergente, denominado de aprendizado comprimido (compressed learning, CL), que por sua vez lança mão de algoritmos ML para extrair informações relevantes de sinais comprimidos. As contribuições deste trabalho se dividem em duas linhas mestras: (i) o conceito de CL é investigado no contexto do sensoriamento espectral para rádio cognitivos (cognitive radios, CRs), onde é proposto um detector baseado em NNs para a identificação de canais vagos a partir do sinal comprimido. Foi considerado tanto o caso ideal quanto aquele em que a estimação do canal pelo receptor e as amostras do dataset usado pela NN são imperfeitas. Para isso, imperfeições na estimação dos coeficientes do canal (channel state information, CSI), diferentes perfis de atraso e distribuições diversas para o canal foram simulados computacionalmente; (ii) é proposta também uma arquitetura para NNs profundas no contexto de sistemas multiple-input multiple-output (MIMO), empregando o conceito denominado de deep unfolding. Demonstra-se que o detector proposto baseado nesse conceito é consideravelmente menos complexo, ainda que não apresente perdas notáveis no desempenho. Além disso, é proposto um detector MIMO aprimorado pela técnica de lattice reduction (LR), que apresenta ordem de diversidade similar ao do detector ótimo e, ao mesmo tempo, menor complexidade computacional.
Abstract: The requirements involved in the new generation of mobile communications, combined with massive device connectivity, create complex heterogeneous scenarios. In these scenarios, classical models become limited, primarily due to the difficulty of modeling intractable mathematical relationships. Moreover, even if the optimum solution is available, it can be that its computational complexity is prohibitive in practice. Therefore, alternative ways of ap proaching these scenarios are desired, one promising approach being machine learning (ML) algorithms and neural networks (NNs). Harnessing NNs’ power for solving general optimization problems, for example, has an interesting appeal in such heterogeneous scenarios. On the other hand, compressed sensing was proposed as a technique to save storage and energy by compressing signals using simple linear transformations. Although compressed signals can be perfectly recovered, the complexity of the reconstruction operation is high. However, there are applications where compressive signals are processed directly in the compressed domain, with spectrum sensing being an example. This gave rise to an emerging concept, denoted as compressed learning (CL), that uses ML algorithms to extract information from ompressed signals. This work contribution is two pronged: (i) we investigate the CL concept applied to spectrum sensing for cognitive radios, where we propose a detector based on NNs to identify vacant channels from the compressed signal. For this, we assume perfect and imperfect channel state information and also dataset samples mismatch, where channel delay profile and statistics mismatches are considered; (ii) we moreover propose an architecture for deep NNs for multiple-input multiple-output (MIMO) systems, using the so-called deep unfolding concept. It is demonstrated that the proposed deep unfolding detector is orders-of-magnitude less complex, yet presenting no severe penalties in performance. Additionally, we propose a lattice reduction aided detector scheme for MIMO systems that achieves a similar diversity order to that of the optimum detector but also with significant less computational complexity.
Keywords: aprendizado de máquina; redes neurais; sistemas de comunicação; sensoriamento comprimido; detecção de sinais; baixa complexidade.
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia - Telecomunicações
Language: por
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Instituto Nacional de Telecomunicações
???metadata.dc.publisher.initials???: INATEL
???metadata.dc.publisher.department???: Instituto Nacional de Telecomunicações
???metadata.dc.publisher.program???: Doutorado em Engenharia de Telecomunicações
Citation: Souza de , Pedro. Compressed Sensing and Deep Learning for Low-complexity Signal Detection in Communication Systems. 2023. [111]. Tese( Mestrado em Engenharia de Telecomunicações) - Instituto Nacional de Telecomunicações, [Santa Rita Do Sapucaí] .
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
URI: https://tede.inatel.br:8080/tede/handle/tede/239
Issue Date: 13-Feb-2023
Appears in Collections:Doutorado em Telecomunicações

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