14 research outputs found

    Looking beyond Pixels:Theory, Algorithms and Applications of Continuous Sparse Recovery

    Get PDF
    Sparse recovery is a powerful tool that plays a central role in many applications, including source estimation in radio astronomy, direction of arrival estimation in acoustics or radar, super-resolution microscopy, and X-ray crystallography. Conventional approaches usually resort to discretization, where the sparse signals are estimated on a pre-defined grid. However, sparse signals do not line up conveniently on any grid in reality. While the discrete setup usually leads to a simple optimization problem that can be solved with standard tools, there are two noticeable drawbacks: (i) Because of the model mismatch, the effective noise level is increased; (ii) The minimum reachable resolution is limited by the grid step-size. Because of the limitations, it is essential to develop a technique that estimates sparse signals in the continuous-domain--in essence seeing beyond pixels. The aims of this thesis are (i) to further develop a continuous-domain sparse recovery framework based on finite rate of innovation (FRI) sampling on both theoretical and algorithmic aspects; (ii) adapt the proposed technique to several applications, namely radio astronomy point source estimation, direction of arrival estimation in acoustics, and single image up-sampling; (iii) show that the continuous-domain sparse recovery approach can surpass the instrument resolution limit and achieve super-resolution. We propose a continuous-domain sparse recovery technique by generalizing the FRI sampling framework to cases with non-uniform measurements. We achieve this by identifying a set of unknown uniform sinusoidal samples and the linear transformation that links the uniform samples of sinusoids to the measurements. The continuous-domain sparsity constraint can be equivalently enforced with a discrete convolution equation of these sinusoidal samples. The sparse signal is reconstructed by minimizing the fitting error between the given and the re-synthesized measurements subject to the sparsity constraint. Further, we develop a multi-dimensional sampling framework for Diracs in two or higher dimensions with linear sample complexity. This is a significant improvement over previous methods, which have a complexity that increases exponentially with dimension. An efficient algorithm has been proposed to find a valid solution to the continuous-domain sparse recovery problem such that the reconstruction (i) satisfies the sparsity constraint; and (ii) fits the measurements (up to the noise level). We validate the flexibility and robustness of the FRI-based continuous-domain sparse recovery in both simulations and experiments with real data. We show that the proposed method surpasses the diffraction limit of radio telescopes with both realistic simulation and real data from the LOFAR radio telescope. In addition, FRI-based sparse reconstruction requires fewer measurements and smaller baselines to reach a similar reconstruction quality compared with conventional methods. Next, we apply the proposed approach to direction of arrival estimation in acoustics. We show that accurate off-grid source locations can be reliably estimated from microphone measurements with arbitrary array geometries. Finally, we demonstrate the effectiveness of the continuous-domain sparsity constraint in regularizing an otherwise ill-posed inverse problem, namely single-image super-resolution. By incorporating image edge models, the up-sampled image retains sharp edges and is free from ringing artifacts

    Opportunistic communications in large uncoordinated networks

    Get PDF
    (English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

    Low-complexity DOA estimation from short data snapshots for ULA systems using the annihilating filter technique

    No full text
    Abstract This paper addresses the problem of DOA estimation using uniform linear array (ULA) antenna configurations. We propose a new low-cost method of multiple DOA estimation from very short data snapshots. The new estimator is based on the annihilating filter (AF) technique. It is non-data-aided (NDA) and does not impinge therefore on the whole throughput of the system. The noise components are assumed temporally and spatially white across the receiving antenna elements. The transmitted signals are also temporally and spatially white across the transmitting sources. The new method is compared in performance to the Cramér-Rao lower bound (CRLB), the root-MUSIC algorithm, the deterministic maximum likelihood estimator and another Bayesian method developed precisely for the single snapshot case. Simulations show that the new estimator performs well over a wide SNR range. Prominently, the main advantage of the new AF-based method is that it succeeds in accurately estimating the DOAs from short data snapshots and even from a single snapshot outperforming by far the state-of-the-art techniques both in DOA estimation accuracy and computational cost

    SPICA:revealing the hearts of galaxies and forming planetary systems : approach and US contributions

    Get PDF
    How did the diversity of galaxies we see in the modern Universe come to be? When and where did stars within them forge the heavy elements that give rise to the complex chemistry of life? How do planetary systems, the Universe's home for life, emerge from interstellar material? Answering these questions requires techniques that penetrate dust to reveal the detailed contents and processes in obscured regions. The ESA-JAXA Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA) mission is designed for this, with a focus on sensitive spectroscopy in the 12 to 230 micron range. SPICA offers massive sensitivity improvements with its 2.5-meter primary mirror actively cooled to below 8 K. SPICA one of 3 candidates for the ESA's Cosmic Visions M5 mission, and JAXA has is committed to their portion of the collaboration. ESA will provide the silicon-carbide telescope, science instrument assembly, satellite integration and testing, and the spacecraft bus. JAXA will provide the passive and active cooling system (supporting the

    The Apertif Surveys:The First Six Months

    Get PDF
    Apertif is a new phased-array feed for the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT), greatly increasing its field of view and turning it into a natural survey instrument. In July 2019, the Apertif legacy surveys commenced; these are a time-domain survey and a two-tiered imaging survey, with a shallow and medium-deep component. The time-domain survey searches for new (millisecond) pulsars and fast radio bursts (FRBs). The imaging surveys provide neutral hydrogen (HI), radio continuum and polarization data products. With a bandwidth of 300 MHz, Apertif can detect HI out to a redshift of 0.26. The key science goals to be accomplished by Apertif include localization of FRBs (including real-time public alerts), the role of environment and interaction on galaxy properties and gas removal, finding the smallest galaxies, connecting cold gas to AGN, understanding the faint radio population, and studying magnetic fields in galaxies. After a proprietary period, survey data products will be publicly available through the Apertif Long Term Archive (ALTA, https://alta.astron.nl). I will review the progress of the surveys and present the first results from the Apertif surveys, including highlighting the currently available public data
    corecore