DISTRIBUTED SPARSITY-AWARE SIGNAL PROCESSING ALGORITHMS FOR SENSOR NETWORKS

• Main Author: TAMARA GUERRA MILLER
• Other Authors: RODRIGO CAIADO DE LAMARE
• Language: English
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2016
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=27190@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=27190@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA === Neste trabalho de dissertação são propostos algoritmos adaptativos que exploram a esparsidade em redes distribuídas de sensores para estimação de parâmetros e estimação espectral. São desenvolvidos algoritmos gradiente conjugado (CG) distribuído para os protocolos consenso e difusão em versão convencional e modificada (MCG). Esses algoritmos são desenvolvidos com exploração de esparsidade usando as funções penalidades l1 e log-sum. Os métodos propostos apresentam um melhor desempenho en termos de velocidade de convergência e desvio médio quadratico (MSD) que as já conhecidas variantes distribuídas do algoritmo least mean square (LMS) e muito próximo ao desempenho do algoritmo recursive least square (RLS). Além disso, propõe-se um algoritmo distribuído de optimização alternada de variáveis discretas e contínuas (DAMDC) baseado no LMS. O algoritmo DAMDC-LMS apresenta um desempenho muito próximo ao algoritmo oráculo e tem maior velocidade de convergência que os algoritmos estudados com exploração de esparsidade. Os resultados numéricos mostram que o algoritmo DAMDC-LMS pode ser aplicado em vários cenários. === This dissertation proposes distributed adaptive algorithms exploiting sparsity for parameter and spectrum estimation over sensor networks. Conventional and modified conjugate gradient (CG and MCG) algorithms using consensus and diffusion strategies are presented. Sparsity-aware versions of CG an MCG algorithms using l1 and log-sum penalty functions are developed. The proposed sparsity-aware and non-sparse CG and MCG methods outperform the equivalent variants of the least-mean square (LMS) algorithms in terms of convergence rate and mean square deviation (MSD) at steady state, and have a close performance to the recursive least square (RLS) algorithm. The diffusion CG strategies have shown the best performance, specifically the adapt then combine (ATC) version. Furthermore a distributed alternating mixed discretecontinuous (DAMDC) algorithm to approach the oracle algorithm based on the diffusion strategy for parameter and spectrum estimation over sensor networks is proposed. An LMS type algorithm with the DAMDC proposed technique obtains the oracle matrix in an adaptive way and compare it with the existing sparsity-aware as well as the classical algorithms. The proposed algorithm has an improved performance in terms of MSD. Numerical results show that the DAMDC-LMS algorithm is reliable and can be applied in several scenarios.