Resumen de Communications in Wireless Sensor Networks: Compression, Energy Efficiency and Secrecy
Joan Enric Barceló Lladó
Les xarxes de sensors sense fils (WSNs) han esdevingut un dels sistemes de comunicació amb més projecció d'aquesta dècada. Abasten una àmplia varietat d’aplicacions tals com la monitorització del medi ambient, la predicció de desastres naturals, en medicina, en transport, posicionament en interiors, i tasques militars. Els nodes que composen la xarxa, són típicament de baix cost, cosa que atorga una sèrie de limitacions en termes d’energia, velocitat de càlcul i d’ample de banda. Amb els avenços de les comunicacions sense fils i la creixent demanda de noves i més complexes aplicacions, les WSNs s’han d’optimitzar per tal de minimitzar aquestes limitacions. Aquesta tesi proposa un conjunt de tècniques que proporcionen a una WSN les següents característiques: 1. Implementació distribuïda sense necessitat de senyalització entre nodes sensors. 2. Comunicacions energèticament eficients. 3. Poca complexitat als nodes sensors. 4. Empra pocs recursos (temps, ample de banda, etc.) 5. Presenta un error quadràtic mig baix en reconstrucció al receptor. 6. Comunicacions secretes a capa física. Primer, s’estudia la transmissió seqüencial de mostreig reduït. Aquesta tècnica permet la disminució del nombre de transmissions i, per tant, reduir la despesa energètica associada a la comunicació a la xarxa. En particular, s’estudia el rendiment dels codificadors determinístics, probabilístics i condicionals de mostreig reduït per senyals autoregressius. S’obtenen expressions tancades de l’error quadràtic mig pel cas de mostreig reduït determinístic i probabilístic, mentre que pel cas condicional es deriven aproximacions ajustades. A continuació, s’analitza la compressió de la informació per WSNs grans. Pel cas on els paràmetres de correlació del senyal són desconeguts a priori, es proposen dos estimadors millorats: i) un per la predicció emprant el filtre de Wiener i ii) un per l’error quadràtic mig obtingut. Ambdós estimadors s’empren pels dos passos claus de l’algorisme de codificació distribuïda de canal. Aquests estimadors milloren notablement el rendiment de l’algorisme en comparació amb els estimadors de mostres clàssics, especialment quan la dimensió del vector d’observacions és comparable en magnitud amb el nombre de mostres usades a la fase d’entrenament de l’algorisme. Posteriorment, es proposa un esquema de comunicació distribuïda i energèticament eficient anomenat Amplify-and-Forward Compressed Sensing. Aquest esquema es basa en la tècnica de sensat comprimit i aprofita la correlació existent al senyal rebut per tal de reduir tant el nombre de recursos emprats com les despeses energètiques del sistema. Específicament, el sistema es dissenya seguint una funció de cost que controla el compromís existent entre error quadràtic i consum energètic de la xarxa. Per aconseguir aquest disseny, es deriva un model simple que aproxima el rendiment de l’esquema proposat en termes d’error quadràtic mig. A més, es contribueix a la teoria de sensat comprimit amb una nova i més ajustada relació entre el mínim nombre de mesures necessàries 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 física. Es demostra que aquest esquema assoleix secretisme perfecte sota la presència d’un o d’un grup reduït d’espies, mentre que per un nombre més gran, és possible deteriorar notablement les seves capacitats d’espionatge gràcies a una tècnica proposta especialment dissenyada per introduir un extra d’incertesa solament a l’estimació dels espies.
