Efficient Methods for Finding Optimal Convolutional Self-Doubly Orthogonal Codes

Résumé: Au cours des dernières années, la hausse sans précédent du nombre d'ultrabooks et d'appareils mobiles s'est accompagnée d'un besoin toujours croissant d'accès aux technologies permettant des communications sans-fil fiables et à haut débit. Pour atténuer ou éliminer les erreurs induites par les interférences et le bruit dans les canaux de communication, il est important de développer des systèmes de codage efficaces pour la correction d'erreurs. En effet, lors de communications de données numériques sur un canal ayant un faible rapport signal sur bruit, ces codes permettent de conserver un taux d'erreur faible tout en augmentant le débit des transmissions et/ou en diminuant la puissance d'émission requise. Ceci contribue grandement à améliorer l'efficacité énergétique de ces dispositifs électroniques sans-fil et, ainsi, à prolonger leur autonomie. Dans cette thèse par articles, nous présentons un algorithme de recherche efficace pour trouver deux types de codes correcteurs d'erreur: les codes convolutionnels doublement orthogonaux (CDO) et les codes convolutionnels doublement orthogonaux simplifiés (S-CDO). En effet, ces codes sont utilisés dans un système de contrôle d'erreurs ayant un décodage à seuil itératif différent de la procédure de décodage Turbo classique, puisqu'il ne nécessite aucun entrelaceur, ni à l'encodage, ni aux étapes de décodage. Néanmoins, son processus de décodage à seuil nécessite que ces codes convolutionnels systématiques satisfassent des propriétés dites de « double orthogonalité », allant au-delà des conditions requises par les codes « simplement orthogonaux », bien connus et habituellement utilisés lors d'un décodage à seuil non-itératif. Afin de pouvoir construire des codecs à haute performance et à faible latence avec ces codes, il est important de minimiser leur longueur de contrainte ou « span » pour un nombre J de connexions donné. Bien que trouver des codes CDO et S-CDO ne soit pas difficile, déterminer les codes ayant un span minimal (dit optimal) pour un ordre J donné est mathématiquement très complexe. En effet, la construction directe de codes CDO / S-CDO à span court/optimal reste un problème ouvert et qui est soupçonné d'être NP-complet. Cette thèse présente un total de trois articles: deux articles publiés dans IEEE Transactions on Communications et un article soumis au journal IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems . Dans ces articles, nous décrivons un nouvel algorithme de recherche parallèle, efficace et implicitement-exhaustif pour trouver des codes CDO et S-CDO systématiques, à taux R=1/2 et ayant un span plus court, voire minimal, c.à.d. optimal. Comparé à l'algorithme de recherche implicitement-exhaustif de référence, l'algorithme de recherche à haute performance proposé reste exhaustif mais fournit un facteur d'accélération très important, supérieur à 16300 pour les codes CDO (J=7) et supérieur à 6300 pour les codes S-CDO (J=8).----------Abstract: In recent years, the rise of ultrabooks and mobile devices has been accompanied by an ever increasing need for reliable high-bandwidth wireless communications. To mitigate or eliminate the errors that are invariably introduced due to noise and interference in the communication channels, it is important to develop efficient error-correcting coding schemes. Indeed, these codes may be used to preserve the error performance while allowing the data-rate of digital communications to be increased and the transmission power at lower signal-to-noise ratios to be reduced, thereby improving the overall power efficiency of these devices. In this manuscript-based thesis, we present an efficient search algorithm for finding optimal/short-span Convolutional Self-Doubly Orthogonal (CDO) codes and Simplified Convolutional Self-Doubly Orthogonal (S-CDO) codes. These error-correcting codes are employed in an iterative error-control coding scheme that differs from the classical Turbo code procedure, as it does not require any interleaver, neither at the encoding nor at the decoding stages. However, its iterative threshold decoding procedure requires that these systematic convolutional codes satisfy some “double orthogonality properties”, beyond those of the well-known orthogonal codes used in the usual non-iterative threshold decoding. In order to build high-performance, low-latency codecs with these codes, it is important to minimize the constraint length, also called “span”, for a given number J of generator connections. Although finding CDO/S-CDO codes is not difficult, determining the optimal/short-span codes for a given order J is computationally very challenging. The direct construction of optimal or shortest-span CDO and S-CDO codes has so far eluded analysis, and the search for these codes is believed to be an NP-complete problem. The thesis presents a total of three articles: two articles that were published in IEEE Transactions on Communications , and one article that was submitted for publication to IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems . In these articles, we describe a novel efficient and parallel implicitly-exhaustive search algorithm for finding rate R=1/2 systematic optimal/short-span CDO and S-CDO codes. The high-performance search algorithm is still exhaustive in nature, yet it provides an impressive speedup that is larger than 16300 (CDO, J=7) and 6300 (S-CDO, J=8) over the reference implicitly-exhaustive search algorithm, and larger than 2000 (CDO, J=17) over the fastest known CDO validation function used in high-performance pseudo-random search algorithms

Fine-grained complexity of temporal problems

Expressive temporal reasoning formalisms are essential for AI. One family of such formalisms consists of disjunctive extensions of the simple temporal problem (STP). Such extensions are well studied in the literature and they have many important applications. It is known that deciding satisfiability of disjunctive STPs is NP-hard, while the fine-grained complexity of such problems is virtually unexplored. We present novel algorithms that exploit structural properties of the solution space and prove, assuming the Exponential-Time Hypothesis, that their worst-case time complexity is close to optimal. Among other things, we make progress towards resolving a long-open question concerning whether Allen's interval algebra can be solved in single-exponential time, by giving a 2^{O(nloglog(n))} algorithm for the special case of unit-length intervals

The Parameterized Complexity of the Minimum Shared Edges Problem

We study the NP-complete Minimum Shared Edges (MSE) problem. Given an undirected graph, a source and a sink vertex, and two integers p and k, the question is whether there are p paths in the graph connecting the source with the sink and sharing at most k edges. Herein, an edge is shared if it appears in at least two paths. We show that MSE is W[1]-hard when parameterized by the treewidth of the input graph and the number k of shared edges combined. We show that MSE is fixed-parameter tractable with respect to p, but does not admit a polynomial-size kernel (unless NP is contained in coNP/poly). In the proof of the fixed-parameter tractability of MSE parameterized by p, we employ the treewidth reduction technique due to Marx, O'Sullivan, and Razgon [ACM TALG 2013].Comment: 35 pages, 16 figure

Técnicas de compresión de imágenes hiperespectrales sobre hardware reconfigurable

Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, leída el 18-12-2020Sensors are nowadays in all aspects of human life. When possible, sensors are used remotely. This is less intrusive, avoids interferces in the measuring process, and more convenient for the scientist. One of the most recurrent concerns in the last decades has been sustainability of the planet, and how the changes it is facing can be monitored. Remote sensing of the earth has seen an explosion in activity, with satellites now being launched on a weekly basis to perform remote analysis of the earth, and planes surveying vast areas for closer analysis...Los sensores aparecen hoy en día en todos los aspectos de nuestra vida. Cuando es posible, de manera remota. Esto es menos intrusivo, evita interferencias en el proceso de medida, y además facilita el trabajo científico. Una de las preocupaciones recurrentes en las últimas décadas ha sido la sotenibilidad del planeta, y cómo menitoirzar los cambios a los que se enfrenta. Los estudios remotos de la tierra han visto un gran crecimiento, con satélites lanzados semanalmente para analizar la superficie, y aviones sobrevolando grades áreas para análisis más precisos...Fac. de InformáticaTRUEunpu