Gedistribueerde ruisonderdrukking in het 'Internet der Dingen'

Door de technologische vooruitgang in de huidige analoge en digitale apparatuur en de miniaturisering van de hardware hebben sensoren en actuatoren nieuwe hoogten bereikt. Apparaten kunnen meer rekenintensieve digitale signaalverwerkingstaken (DSV-taken) uitvoeren voor een vergelijkbaar of zelfs lager energiebudget en er kunnen meer apparaten op hetzelfde oppervlak worden geplaatst, waardoor signaalverwerkingsalgoritmen worden verrijkt met meer inputs/outputs en dus meer vrijheidsgraden. Wanneer deze apparaten een specifieke DSV-taak moeten uitvoeren, zoals het schatten of genereren van een gewenst signaal, kan samenwerking tussen apparaten met verschillende locaties de algemene prestaties aanzienlijk verbeteren, vooral in ongunstige situaties. De apparaten (of knooppunten) moeten dan met elkaar worden verbonden via bekabelde of draadloze verbindingen en een sensor- en actuatornetwerk (SAN) vormen. Vergeleken met conventionele vaste sensor- of actuatorroosters met een duidelijk gelokaliseerde positie, hebben SANen toegang tot meer ruimtelijk verspreide sensoren en actuatoren, met meer ruimtelijke vrijheidsgraden.

Dit proefschrift zal zich specifiek richten op het schatten en genereren van signalen met behulp van de meerkanaals Wiener filter (MWF) binnen zowel draadloze als bekabelde SANen. Wanneer de voorkeur wordt gegeven aan draadloze verbindingen, bijvoorbeeld voor een ad-hoc plaatsing van de apparaten, wordt vaak de term draadloos sensor- en actuatornetwerk ({wireless sensor and actuator network} of WSAN) gebruikt. Met name bij akoestische toepassingen, waarbij de sensoren en actuatoren bestaan uit respectievelijk microfoon- en luidsprekerroosters, worden de netwerken ook wel  draadlooze akoestische sensor- en actuatornetwerken ({wireless acoustic sensor and actuator networks} of WASANs) genoemd. Wanneer er echter reeds bekabelde verbindingen bestaan, zoals het geval is bij celvrije masieve meerdere-invoer-meerdere-uitvoer ({cell-free massive multiple input multiple output} of CFmMIMO) systemen waarbij een bekabeld SAN kan worden gevormd met behulp van de frontlijnverbindingen tussen toegangspunten ({access points} of AP's) met tot wel 100 antennes in de huidige mobiele netwerken, dienen bekabelde verbindingen te worden gebruikt. Beide toepassingen vereisen hoge verwerkingssnelheden voor bemonstering, verwerking en transmissie, in vergelijking met traditionele SANen met lage verwerkingssnelheden. Daarom is het van cruciaal belang efficiënte algoritmen te ontwikkelen waarmee deze knooppunten kunnen samenwerken en hun schattings-/generatietaken kunnen verbeteren, onder strakke bandbreedte-, complexiteits- en energiebeperkingen.

Hoewel het samenvoegen en verwerken van alle ongecomprimeerde signalen en parameters op één plaats (bv. in een fusiecentrum) eenvoudig lijkt, vergt dit een grote communicatiebandbreedte, verbruikt het veel energie en vormt het een zwak punt (single point of failure). In dit proefschrift worden daarom nieuwe gedistribueerde DSV-algoritmen voorgesteld, waarbij de knooppunten (microfoon-/luidsprekerroosters of AP's) alleen gecomprimeerde signalen en/of parameters uitwisselen en de zware rekenlast van de gecentraliseerde verwerking delen door de verwerking te spreiden over het netwerk. De prestaties van gecentraliseerde verwerking zullen worden gezien als een absolute referentiemaat voor deze gedistribueerde verwerking, en worden vaak bereikt wanneer de gedistribueerde algoritmen tijd hebben om iteratief te convergeren op stationaire data.

Het eerste deel van het proefschrift presenteert gedistribueerde algoritmen die zijn ontworpen voor toepassing in een WAS(A)N. In dit deel worden knooppuntspecifieke MWF-gebaseerde spraakverbetering in een WASN en geluidszonering in een WASAN beschouwd als DSV-technieken. De algoritmen zijn knooppuntspecifiek, aangezien de te schatten spraaksignalen voor elk knooppunt verschillend zijn (maar wel afkomstig van dezelfde bronnen), de lokale geluidszones op elk knooppunt onafhankelijk kunnen worden gekozen of omdat de lokale luidsprekerrooster knooppuntspecifieke vermogensbeperkingen hebben. De DSV-taken definiëren gecentraliseerde oplossingen die gebruik maken van alle beschikbare sensoren/actuatoren en deze worden vergeleken met alleenstaande oplossingen, d.w.z. alsof de knooppunten niet op de hoogte zijn van de door andere knooppunten ontvangen/uitgezonden signalen. Het ontwerp van alle gedistribueerde algoritmen in dit deel volgt een top-down strategie, waarbij zal worden aangetoond dat de knooppunten iteratief (op een tijd-recursieve manier) convergeren naar de gecentraliseerde oplossing, door bepaalde signalen of parameters uit te wisselen met behulp van de beschikbare draadloze verbindingen.

Het tweede deel van deze thesis richt zich op de ontwikkeling van gedistribueerde algoritmen voor toepassing in CFmMIMO-systemen.  De beschouwde SP-taken zijn MWF-gebaseerde kanaalschatting, uplink ontvangstcombinatie, downlink zendvoorcodering en vermogenstoewijzing, rekening houdend met kanaalschattingsfouten en verschillende kanaalmodellen. De gepresenteerde gedistribueerde algoritmen gebruiken ofwel een netwerkcentrum als centrale verwerkingseenheid om de gecomprimeerde gegevens naar toe te zenden en de uiteindelijke decodeer-/voorcodeerbeslissingen te nemen, ofwel gebruikersgerichte verwerking, waarbij de decodeerbeslissingen in het netwerk worden genomen door een gebruikersspecifiek AP. Ook wordt aangetoond dat de gedistribueerde algoritmen naar optimale oplossingen convergeren, terwijl de communicatie-overhead over de beschikbare frontlijnverbindingen sterk wordt verminderd.

Het laatste hoofdstuk tenslotte bevat de conclusies, vat de bijdragen van dit proefschrift samen en bespreekt verder mogelijke toekomstige onderzoeksrichtingen.