Lifted Wasserstein Matcher for Fast and Robust Topology Tracking

This paper presents a robust and efficient method for tracking topological features in time-varying scalar data. Structures are tracked based on the optimal matching between persistence diagrams with respect to the Wasserstein metric. This fundamentally relies on solving the assignment problem, a special case of optimal transport, for all consecutive timesteps. Our approach relies on two main contributions. First, we revisit the seminal assignment algorithm by Kuhn and Munkres which we specifically adapt to the problem of matching persistence diagrams in an efficient way. Second, we propose an extension of the Wasserstein metric that significantly improves the geometrical stability of the matching of domain-embedded persistence pairs. We show that this geometrical lifting has the additional positive side-effect of improving the assignment matrix sparsity and therefore computing time. The global framework implements a coarse-grained parallelism by computing persistence diagrams and finding optimal matchings in parallel for every couple of consecutive timesteps. Critical trajectories are constructed by associating successively matched persistence pairs over time. Merging and splitting events are detected with a geometrical threshold in a post-processing stage. Extensive experiments on real-life datasets show that our matching approach is an order of magnitude faster than the seminal Munkres algorithm. Moreover, compared to a modern approximation method, our method provides competitive runtimes while yielding exact results. We demonstrate the utility of our global framework by extracting critical point trajectories from various simulated time-varying datasets and compare it to the existing methods based on associated overlaps of volumes. Robustness to noise and temporal resolution downsampling is empirically demonstrated

Ranking Viscous Finger Simulations to an Acquired Ground Truth with Topology-aware Matchings

International audienceThis application paper presents a novel framework based on topological data analysis for the automatic evaluation and ranking of viscous finger simulation runs in an ensemble with respect to a reference acquisition. Individual fingers in a given time-step are associated with critical point pairs in the distance field to the injection point, forming persistence diagrams. Different metrics, based on optimal transport, for comparing time-varying persistence diagrams in this specific applicative case are introduced. We evaluate the relevance of the rankings obtained with these metrics, both qualitatively thanks to a lightweight web visual interface, and quantitatively by studying the deviation from a reference ranking suggested by experts. Extensive experiments show the quantitative superiority of our approach compared to traditional alternatives. Our web interface allows experts to conveniently explore the produced rankings. We show a complete viscous fingering case study demonstrating the utility of our approach in the context of porous media fluid flow, where our framework can be used to automatically discard physically-irrelevant simulation runs from the ensemble and rank the most plausible ones. We document an in-situ implementation to lighten I/O and performance constraints arising in the context of parametric studies

Design of DDF protocols for plug-and-play relays

Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une implémentation pratique du protocole DDF pour des relais auto-configurables au niveaux lien et système. Cette implémentation pratique, basée sur du codage correcteur d'erreur et une segmentation de la trame émise (comme pour les mécanismes d'HARQ), est combinée avec différents schémas de relayage tels que le Monostream, l'Alamouti Distribué ou encore les Rotations Distribuées.Nous avons montré que ces trois schémas atteignent les mêmes ordres de macro et micro diversité. L'ordre de micro diversité se réfère au gain qui peut être acquis via les coefficients d'évanouissement court-terme. Nous avons défini l'ordre de macro diversité comme le nombre de sources desquelles toute l'information peut être entièrement décodée sans l'aide des autres sources. De plus, nous avons prouvé que les trois schémas de relayage permettent d'atteindre de meilleures performances que le cas sans relais, leurs performances ne diffèrent qu'en terme de gain de codage: le DA DDF a de meilleure performance que le DR DDF, qui lui-même à de meilleures performances que le Monostream DDF. Cependant, les évaluations système ont montré que ce gain de codage n'est pas significatif au niveau système. Cela montre que la métrique pertinente à optimiser pour améliorer les performances est l'ordre de macro diversité atteignable par le protocole; c'est à dire que le gain le plus important apporté par le relayage est un gain de rapport signal à bruit long-terme. Nous avons donc proposé la technique de Patching pour augmenter l'ordre de macro diversité atteignable par une transmission. Cette technique vise à augmenter le nombre de bits transmis par le relais jusqu'au nombre de bits d'information contenus dans le message. Quand cette technique de Patching est combinée aux codes spatio-temporels, elle permet d'améliorer à la fois l'ordre de macro diversité et l'ordre de micro diversité. Cette technique de Patching a aussi été utilisée sur le canal à interférence et relais pour lequel nous avons introduit l'usage d'un protocole DDF précodé par un relais partagé par plusieurs paires source/destination. Dans ce cas, le Patching a pour but d'améliorer les performances par rapport au cas avec précodeur uniquement, et ce en maximisant le nombre de symboles précodés par relais. Les gains résultants de ces nombreuses variations de notre implémentation pratique du protocole DDF sont finalement décrits au niveau système pour un déploiement macro-cellulaire en zone urbaine, et pour un déploiement indoor, en considérant deux applications : une transmission unicast, par exemple du téléchargement sur internet, ou encore de la diffusion, de la télévision par exemple. Les résultats montrent que le Monostream DDF permet d'atteindre de bonnes performances tout en garantissant que la source et la destination n'ont pas conscience de la présence du relais dans le système. Par conséquent, ce protocole est un candidat intéressant pour le déploiement massif de relais auto-configurables dans les réseaux sans fil.Relaying has been proposed as an efficient solution to increase transmission reliability by providing spatial diversity, and to increase transmission efficiency. Among the wide variety of existing relaying protocols proposed for the relay channel, we are interested in the Dynamic Decode and Forward (DDF) protocol as it outperforms all previously defined forwarding strategies in terms of Diversity Multiplexing Tradeoff. When using the DDF protocol, the relay assits the transmission only if it correctly decodes the sent message before the destination. We propose a practical implementation of this DDF protocol based on channel coding for hybrid automatic repeat request.Then, we define and study two relaying schemes for the relay channel that can be used when the source is relay-unaware: the Monostream scheme and the Distributed Alamouti scheme. The performance of these proposed relaying schemes for the DDF protocol are derived for open-loop and closed-loop transmissions. After defining the macro diversity order achieved by a transmission, we derived upper bounds on the achievable macro and micro diversity orders of these DDF protocols when the transmitting nodes use finite symbol alphabet. We proposed a so-called Patching technique in order to increase this achievable macro diversity order still guaranteeing that the source is relay-unaware. This Patching technique aims at increasing the number of bits transmitted by the relay up to the number of information bits in the message. This technique is also combined with Space Time Block Codes in order to improve both the achievable macro and micro diversity orders. This Patching technique has also been applied over the Interference Relay Channel where we introduce the use of a precoded DDF protocol at a relay shared by several source/destination pairs. We use the Patching technique in order to increase the achieved performance. The gain resulting from the use of these various derivations of the DDF protocol are finally observed at the system level for two scenarios: a macro cellular network over urban area and an indoor network, combined with two applications: a unicast transmission, e.g., web browsing, and a broadcasting transmission, e.g., video broadcasting. The results show that the Monostream relaying scheme for the DDF protocol provides good performance while allowing both the source and the destination to be relay-unaware. Consequently, the Monostream DDF is a promising protocol for the deployment of plug-and-play relays in wireless systems

Conception de protocoles DDF pour le déploiement de relais auto-configurables

Relaying has been proposed as an efficient solution to increase transmission reliability by providing spatial diversity, and to increase transmission efficiency. Among the wide variety of existing relaying protocols proposed for the relay channel, we are interested in the Dynamic Decode and Forward (DDF) protocol as it outperforms all previously defined forwarding strategies in terms of Diversity Multiplexing Tradeoff. When using the DDF protocol, the relay assits the transmission only if it correctly decodes the sent message before the destination. We propose a practical implementation of this DDF protocol based on channel coding for hybrid automatic repeat request.Then, we define and study two relaying schemes for the relay channel that can be used when the source is relay-unaware: the Monostream scheme and the Distributed Alamouti scheme. The performance of these proposed relaying schemes for the DDF protocol are derived for open-loop and closed-loop transmissions. After defining the macro diversity order achieved by a transmission, we derived upper bounds on the achievable macro and micro diversity orders of these DDF protocols when the transmitting nodes use finite symbol alphabet. We proposed a so-called Patching technique in order to increase this achievable macro diversity order still guaranteeing that the source is relay-unaware. This Patching technique aims at increasing the number of bits transmitted by the relay up to the number of information bits in the message. This technique is also combined with Space Time Block Codes in order to improve both the achievable macro and micro diversity orders. This Patching technique has also been applied over the Interference Relay Channel where we introduce the use of a precoded DDF protocol at a relay shared by several source/destination pairs. We use the Patching technique in order to increase the achieved performance. The gain resulting from the use of these various derivations of the DDF protocol are finally observed at the system level for two scenarios: a macro cellular network over urban area and an indoor network, combined with two applications: a unicast transmission, e.g., web browsing, and a broadcasting transmission, e.g., video broadcasting. The results show that the Monostream relaying scheme for the DDF protocol provides good performance while allowing both the source and the destination to be relay-unaware. Consequently, the Monostream DDF is a promising protocol for the deployment of plug-and-play relays in wireless systems.Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une implémentation pratique du protocole DDF pour des relais auto-configurables au niveaux lien et système. Cette implémentation pratique, basée sur du codage correcteur d'erreur et une segmentation de la trame émise (comme pour les mécanismes d'HARQ), est combinée avec différents schémas de relayage tels que le Monostream, l'Alamouti Distribué ou encore les Rotations Distribuées.Nous avons montré que ces trois schémas atteignent les mêmes ordres de macro et micro diversité. L'ordre de micro diversité se réfère au gain qui peut être acquis via les coefficients d'évanouissement court-terme. Nous avons défini l'ordre de macro diversité comme le nombre de sources desquelles toute l'information peut être entièrement décodée sans l'aide des autres sources. De plus, nous avons prouvé que les trois schémas de relayage permettent d'atteindre de meilleures performances que le cas sans relais, leurs performances ne diffèrent qu'en terme de gain de codage: le DA DDF a de meilleure performance que le DR DDF, qui lui-même à de meilleures performances que le Monostream DDF. Cependant, les évaluations système ont montré que ce gain de codage n'est pas significatif au niveau système. Cela montre que la métrique pertinente à optimiser pour améliorer les performances est l'ordre de macro diversité atteignable par le protocole; c'est à dire que le gain le plus important apporté par le relayage est un gain de rapport signal à bruit long-terme. Nous avons donc proposé la technique de Patching pour augmenter l'ordre de macro diversité atteignable par une transmission. Cette technique vise à augmenter le nombre de bits transmis par le relais jusqu'au nombre de bits d'information contenus dans le message. Quand cette technique de Patching est combinée aux codes spatio-temporels, elle permet d'améliorer à la fois l'ordre de macro diversité et l'ordre de micro diversité. Cette technique de Patching a aussi été utilisée sur le canal à interférence et relais pour lequel nous avons introduit l'usage d'un protocole DDF précodé par un relais partagé par plusieurs paires source/destination. Dans ce cas, le Patching a pour but d'améliorer les performances par rapport au cas avec précodeur uniquement, et ce en maximisant le nombre de symboles précodés par relais. Les gains résultants de ces nombreuses variations de notre implémentation pratique du protocole DDF sont finalement décrits au niveau système pour un déploiement macro-cellulaire en zone urbaine, et pour un déploiement indoor, en considérant deux applications : une transmission unicast, par exemple du téléchargement sur internet, ou encore de la diffusion, de la télévision par exemple. Les résultats montrent que le Monostream DDF permet d'atteindre de bonnes performances tout en garantissant que la source et la destination n'ont pas conscience de la présence du relais dans le système. Par conséquent, ce protocole est un candidat intéressant pour le déploiement massif de relais auto-configurables dans les réseaux sans fil

Design of DDF protocols for plug-and-play relays

Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une implémentation pratique du protocole DDF pour des relais auto-configurables au niveaux lien et système. Cette implémentation pratique, basée sur du codage correcteur d'erreur et une segmentation de la trame émise (comme pour les mécanismes d'HARQ), est combinée avec différents schémas de relayage tels que le Monostream, l'Alamouti Distribué ou encore les Rotations Distribuées.Nous avons montré que ces trois schémas atteignent les mêmes ordres de macro et micro diversité. L'ordre de micro diversité se réfère au gain qui peut être acquis via les coefficients d'évanouissement court-terme. Nous avons défini l'ordre de macro diversité comme le nombre de sources desquelles toute l'information peut être entièrement décodée sans l'aide des autres sources. De plus, nous avons prouvé que les trois schémas de relayage permettent d'atteindre de meilleures performances que le cas sans relais, leurs performances ne diffèrent qu'en terme de gain de codage: le DA DDF a de meilleure performance que le DR DDF, qui lui-même à de meilleures performances que le Monostream DDF. Cependant, les évaluations système ont montré que ce gain de codage n'est pas significatif au niveau système. Cela montre que la métrique pertinente à optimiser pour améliorer les performances est l'ordre de macro diversité atteignable par le protocole; c'est à dire que le gain le plus important apporté par le relayage est un gain de rapport signal à bruit long-terme. Nous avons donc proposé la technique de Patching pour augmenter l'ordre de macro diversité atteignable par une transmission. Cette technique vise à augmenter le nombre de bits transmis par le relais jusqu'au nombre de bits d'information contenus dans le message. Quand cette technique de Patching est combinée aux codes spatio-temporels, elle permet d'améliorer à la fois l'ordre de macro diversité et l'ordre de micro diversité. Cette technique de Patching a aussi été utilisée sur le canal à interférence et relais pour lequel nous avons introduit l'usage d'un protocole DDF précodé par un relais partagé par plusieurs paires source/destination. Dans ce cas, le Patching a pour but d'améliorer les performances par rapport au cas avec précodeur uniquement, et ce en maximisant le nombre de symboles précodés par relais. Les gains résultants de ces nombreuses variations de notre implémentation pratique du protocole DDF sont finalement décrits au niveau système pour un déploiement macro-cellulaire en zone urbaine, et pour un déploiement indoor, en considérant deux applications : une transmission unicast, par exemple du téléchargement sur internet, ou encore de la diffusion, de la télévision par exemple. Les résultats montrent que le Monostream DDF permet d'atteindre de bonnes performances tout en garantissant que la source et la destination n'ont pas conscience de la présence du relais dans le système. Par conséquent, ce protocole est un candidat intéressant pour le déploiement massif de relais auto-configurables dans les réseaux sans fil.Relaying has been proposed as an efficient solution to increase transmission reliability by providing spatial diversity, and to increase transmission efficiency. Among the wide variety of existing relaying protocols proposed for the relay channel, we are interested in the Dynamic Decode and Forward (DDF) protocol as it outperforms all previously defined forwarding strategies in terms of Diversity Multiplexing Tradeoff. When using the DDF protocol, the relay assits the transmission only if it correctly decodes the sent message before the destination. We propose a practical implementation of this DDF protocol based on channel coding for hybrid automatic repeat request.Then, we define and study two relaying schemes for the relay channel that can be used when the source is relay-unaware: the Monostream scheme and the Distributed Alamouti scheme. The performance of these proposed relaying schemes for the DDF protocol are derived for open-loop and closed-loop transmissions. After defining the macro diversity order achieved by a transmission, we derived upper bounds on the achievable macro and micro diversity orders of these DDF protocols when the transmitting nodes use finite symbol alphabet. We proposed a so-called Patching technique in order to increase this achievable macro diversity order still guaranteeing that the source is relay-unaware. This Patching technique aims at increasing the number of bits transmitted by the relay up to the number of information bits in the message. This technique is also combined with Space Time Block Codes in order to improve both the achievable macro and micro diversity orders. This Patching technique has also been applied over the Interference Relay Channel where we introduce the use of a precoded DDF protocol at a relay shared by several source/destination pairs. We use the Patching technique in order to increase the achieved performance. The gain resulting from the use of these various derivations of the DDF protocol are finally observed at the system level for two scenarios: a macro cellular network over urban area and an indoor network, combined with two applications: a unicast transmission, e.g., web browsing, and a broadcasting transmission, e.g., video broadcasting. The results show that the Monostream relaying scheme for the DDF protocol provides good performance while allowing both the source and the destination to be relay-unaware. Consequently, the Monostream DDF is a promising protocol for the deployment of plug-and-play relays in wireless systems.PARIS-Télécom ParisTech (751132302) / SudocSudocFranceF

8. mezinárodní studentská vědecká konference Antropowebu: call for papers

International audienceThis paper presents a new algorithm for the lossy compression of scalar data defined on 2D or 3D regular grids, with topological control. Certain techniques allow users to control the pointwise error induced by the compression. However, in many scenarios it is desirable to control in a similar way the preservation of higher-level notions, such as topological features , in order to provide guarantees on the outcome of post-hoc data analyses. This paper presents the first compression technique for scalar data which supports a strictly controlled loss of topological features. It provides users with specific guarantees both on the preservation of the important features and on the size of the smaller features destroyed during compression. In particular, we present a simple compression strategy based on a topo-logically adaptive quantization of the range. Our algorithm provides strong guarantees on the bottleneck distance between persistence diagrams of the input and decompressed data, specifically those associated with extrema. A simple extension of our strategy additionally enables a control on the pointwise error. We also show how to combine our approach with state-of-the-art compressors, to further improve the geometrical reconstruction. Extensive experiments, for comparable compression rates, demonstrate the superiority of our algorithm in terms of the preservation of topological features. We show the utility of our approach by illustrating the compatibility between the output of post-hoc topological data analysis pipelines, executed on the input and decompressed data, for simulated or acquired data sets. We also provide a lightweight VTK-based C++ implementation of our approach for reproduction purposes

Inter-Cell Interference Coordination and Synchronization based on Location Information

Location of mobile terminals is an information which is now available in mobile cellular systems, at the mobile terminal itself but also at its serving base station. The location information is either obtained from global navigation satellite systems (GNSS) or directly from the radio access of the mobile cellular system. In this paper, using the concrete example of the 3GPP Long Term Evolution (LTE) mobile cellular system, we study two aspects of the radio communications, which can take benefit from the positioning information: the inter-cell interference coordination (ICIC) and the synchronization. Section II presents location-based ICIC, where the location information is used at the base station and section III treats synchronization, where the location information is used at the mobile terminal. The impact of positioning inaccuracy is evaluated in both sections

Spécialité: Électronique et Communications présentée et soutenue publiquement par

Conception de protocoles DDF pour le déploiement de relais auto-configurables

D3.1 Physical Layer Enhancements using Localisation Data

Physical layer enhancements based on position information are investigated in all different components of a cellular wireless communication chain. Today’s adaptive communication systems perform well as long as the coherence time and frequency is sufficient. Communication systems benefit in scenarios with dramatic changes such as turning the corner of the mobile terminal or handovers between different non-cooperative systems from positioning, mobility and navigation information about the mobile user. In this deliverable the framework of these potential improvements is outlined and classified. The investigations that take advantage of the positioning information are synchronization, channel estimation, MIMO techniques for cellular diversity as well as for beamforming and cellular interference coordination