Multi-Step Knowledge-Aided Iterative ESPRIT for Direction Finding

In this work, we propose a subspace-based algorithm for DOA estimation which iteratively reduces the disturbance factors of the estimated data covariance matrix and incorporates prior knowledge which is gradually obtained on line. An analysis of the MSE of the reshaped data covariance matrix is carried out along with comparisons between computational complexities of the proposed and existing algorithms. Simulations focusing on closely-spaced sources, where they are uncorrelated and correlated, illustrate the improvements achieved.Comment: 7 figures. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1703.1052

Smart-antenna techniques for energy-efficient wireless sensor networks used in bridge structural health monitoring

Abstract: It is well known that wireless sensor networks differ from other computing platforms in that 1- they typically require a minimal amount of computing power at the nodes; 2- it is often desirable for sensor nodes to have drastically low power consumption. The main benefit of the this work is a substantial network life before batteries need to be replaced or, alternatively, the capacity to function off of modest environmental energy sources (energy harvesting). In the context of Structural Health Monitoring (SHM), battery replacement is particularly problematic since nodes can be in difficult to access locations. Furthermore, any intervention on a bridge may disrupt normal bridge operation, e.g. traffic may need to be halted. In this regard, switchbeam smart antennas in combination with wireless sensor networks (WSNs) have shown great potential in reducing implementation and maintenance costs of SHM systems. The main goal of implementing switch-beam smart antennas in our application is to reduce power consumption, by focusing the radiated energy only where it is needed. SHM systems capture the dynamic vibration information of a bridge structure in real-time in order to assess the health of the structure and to predict failures. Current SHM systems are based on piezoelectric patch sensors. In addition, the collection of data from the plurality of sensors distributed over the span of the bridge is typically performed through an expensive and bulky set of shielded wires which routes the information to a data sink at one end of the structure. The installation, maintenance and operational costs of such systems are extremely high due to high power consumption and the need for periodic maintenance. Wireless sensor networks represent an attractive alternative, in terms of cost, ease of maintenance, and power consumption. However, network lifetime in terms of node battery life must be very long (ideally 5–10 years) given the cost and hassle of manual intervention. In this context, the focus of this project is to reduce the global power consumption of the SHM system by implementing switched-beam smart antennas jointly with an optimized MAC layer. In the first part of the thesis, a sensor network platform for bridge SHM incorporating switched-beam antennas is modelled and simulated. where the main consideration is the joint optimization of beamforming parameters, MAC layer, and energy consumption. The simulation model, built within the Omnet++ network simulation framework, incorporates the energy consumption profiles of actual selected components (microcontroller, radio interface chip). The energy consumption and packet delivery ratio (PDR) of the network with switched-beam antennas is compared with an equivalent network based on omnidirectional antennas. In the second part of the thesis, this system model is leveraged to examine two distinct but interrelated aspects: Gallium Arsenide (GaAs) based solar energy harvesting and switched-beam antenna strategies. The main consideration here is the joint optimization of solar energy harvesting and switchedbeam directional antennas, where an equivalent network based on omnidirectional antennas acts as a baseline reference for comparison purposes.Il est bien connu que les réseaux de capteurs sans fils diffèrent des autres plateformes informatiques étant donné 1- qu’ils requièrent typiquement une puissance de calcul minimale aux noeuds du réseau ; 2- qu’il est souvent désirable que les noeuds capteurs aient une consommation d’énergie dramatiquement faible. La principale retombée de ce travail réside en la durée de vie allongée du réseau avant que les piles ne doivent être remplacées ou, alternativement, la capacité de fonctionner indéfiniment à partir de modestes sources d’énergie ambiente (glânage d’énergie). Dans le contexte du contrôle de la santé structurale (CSS), le remplacement de piles est particulièrement problématique puisque les noeuds peuvent se trouver en des endroits difficiles d’accès. De plus, toute intervention sur un pont implique une perturbation de l’opération normale de la structure, par exemple un arrêt du traffic. Dans ce contexte, les antennes intelligentes à commutation de faisceau en combinaison avec les réseaux de capteurs sans fils ont démontré un grand potentiel pour réduire les coûts de réalisation et d’entretien de systèmes de CSS. L’objectif principal de l’intégration d’antennes à commutation de faisceau dans notre application réside dans la réduction de la consommation énergétique, réalisée en concentrant l’énergie radiée uniquement là où elle est nécessaire. Les systèmes de CSS capturent l’information dynamique de vibration d’une structure de pont en temps réel de manière à évaluer la santé de la structure et prédire les failles. Les systèmes courants de CSS sont basés sur des senseurs piézoélectriques planaires. De plus, la collecte de données à partir de la pluralité de senseurs distribués sur l’étendue du pont est typiquement effectuée par le biais d’un ensemble coûteux et encombrant de câbles blindés qui véhiculent l’information jusqu’à un point de collecte à une extremité de la structure. L’installation, l’entretien, et les coûts opérationnels de tels systèmes sont extrêmement élevés étant donné la consommation de puissance élevée et le besoin d’entretien régulier. Les réseaux de capteurs sans fils représentent une alternative attrayante, en termes de coût, facilité d’entretien et consommation énergétique. Toutefois, la vie de réseau en termes de la durée de vie des piles doit être très longue (idéalement de 5 à 10 ans) étant donné le coût et les problèmes liés à l’intervention manuelle. Dans ce contexte, ce projet se concentre sur la réduction de la consommation de puissance globale d’un système de CSS en y intégrant des antennes intelligentes à commutation de faisceau conjointement avec une couche d’accès au médium (couche MAC) optimisée. Dans la première partie de la thèse, une plateforme de réseau de capteurs sans fils pour le CSS d’un pont incorporant des antennes à commutation de faisceaux est modélisé et simulé, avec pour considération principale l’optimisation des paramètres de sélection de faisceau, de la couche MAC et de la consommation d’énergie. Le modèle de simulation, construit dans le logiciel de simulation de réseaux Omnet++, incorpore les profils de consommation d’énergie de composants réels sélectionnés (microcontrôleur, puce d’interface radio). La consommation d’énergie et le taux de livraison de paquets du réseau avec antennes à commutation de faisceau est comparé avec un réseau équivalent basé sur des antennes omnidirectionnelles. Dans la deuxième partie de la thèse, le modèle système proposé est mis à contribution pour examiner deux aspects distrincts mais interreliés : le glânage d’énergie à partir de cellules solaire à base d’arséniure de Gallium (GaAs) et les stratégies liées aux antennes à commutation de faisceau. La considération principale ici est l’optimisation conjointe du glânage d’énergie et des antennes à commutation de faisceau, en ayant pour base de comparaison un réseau équivalent à base d’antennes omnidirectionnelles

Dynamic Algorithms and Asymptotic Theory for Lp-norm Data Analysis

The focus of this dissertation is the development of outlier-resistant stochastic algorithms for Principal Component Analysis (PCA) and the derivation of novel asymptotic theory for Lp-norm Principal Component Analysis (Lp-PCA). Modern machine learning and signal processing applications employ sensors that collect large volumes of data measurements that are stored in the form of data matrices, that are often massive and need to be efficiently processed in order to enable machine learning algorithms to perform effective underlying pattern discovery. One such commonly used matrix analysis technique is PCA. Over the past century, PCA has been extensively used in areas such as machine learning, deep learning, pattern recognition, and computer vision, just to name a few. PCA\u27s popularity can be attributed to its intuitive formulation on the L2-norm, availability of an elegant solution via the singular-value-decomposition (SVD), and asymptotic convergence guarantees. However, PCA has been shown to be highly sensitive to faulty measurements (outliers) because of its reliance on the outlier-sensitive L2-norm. Arguably, the most straightforward approach to impart robustness against outliers is to replace the outlier-sensitive L2-norm by the outlier-resistant L1-norm, thus formulating what is known as L1-PCA. Exact and approximate solvers are proposed for L1-PCA in the literature. On the other hand, in this big-data era, the data matrix may be very large and/or the data measurements may arrive in streaming fashion. Traditional L1-PCA algorithms are not suitable in this setting. In order to efficiently process streaming data, while being resistant against outliers, we propose a stochastic L1-PCA algorithm that computes the dominant principal component (PC) with formal convergence guarantees. We further generalize our stochastic L1-PCA algorithm to find multiple components by propose a new PCA framework that maximizes the recently proposed Barron loss. Leveraging Barron loss yields a stochastic algorithm with a tunable robustness parameter that allows the user to control the amount of outlier-resistance required in a given application. We demonstrate the efficacy and robustness of our stochastic algorithms on synthetic and real-world datasets. Our experimental studies include online subspace estimation, classification, video surveillance, and image conditioning, among other things. Last, we focus on the development of asymptotic theory for Lp-PCA. In general, Lp-PCA for p\u3c2 has shown to outperform PCA in the presence of outliers owing to its outlier resistance. However, unlike PCA, Lp-PCA is perceived as a ``robust heuristic\u27\u27 by the research community due to the lack of theoretical asymptotic convergence guarantees. In this work, we strive to shed light on the topic by developing asymptotic theory for Lp-PCA. Specifically, we show that, for a broad class of data distributions, the Lp-PCs span the same subspace as the standard PCs asymptotically and moreover, we prove that the Lp-PCs are specific rotated versions of the PCs. Finally, we demonstrate the asymptotic equivalence of PCA and Lp-PCA with a wide variety of experimental studies