Techniques de codage source-canal appliquées aux réseaux de capteurs

Source-channel coding techniques applied to wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Fadi Abi Abdallah
• Direction : Raymond Knopp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Codage

Capteurs (technologie)

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil sont des réseaux qui se composent de plusieurs nœuds autonomes appelés capteurs, déployés sur une surface pour collecter des informations et les transmettre `a un endroit o`u elles peuvent être extraites et analysées. Un des plus grands défis de ces réseaux est de savoir utiliser efficacement la ressource d’énergie limitée de chaque capteur afin d’augmenter la durée de vie du réseau tout entier. Dans cette thèse, nous abordons le problème de codage source-canal appliqué `a certains modèles de réseaux o`u des capteurs observent des sources d’information, et renvoient les données recueillies `a travers un canal gaussien `a accès multiple vers un récepteur ou un nœud collecteur. Dans une première partie, des sources aléatoires indépendantes qui varient lentement dans le temps sont considérées. Un code source-canal adapté aux caractéristiques de l’application est proposé et des bornes sur la performance optimale sont dérivées. Plusieurs variantes de ce modèle, comportant la détection non cohérente et la présence de bruit d’observation, sont également étudiées. Dans une deuxième partie, des sources discrètes `a alphabets finis et arbitrairement corrélées sont considérées. Après avoir été codées, elles sont transmises `a travers un canal gaussien `a accès multiple soumis `a des décalages de phase inconnus aux émetteurs et complètement connus au récepteur. Pour les modèles aléatoires et arbitraires des phases, on montre que le théorème de séparation s’applique, et par conséquent, la stratégie de combiner le codage de Slepian-Wolf avec des encodeurs atteignant la capacité du canal est optimale. Pour des sources continues, on montre que la séparation source-canal est asymptotiquement optimale. Finalement, un réseau de capteurs sans fil surveillant un champ physique aléatoire est considéré. La performance du codage linéaire est étudié et des bornes sur la performance optimale sont dérivées.

Wireless sensor networks are networks consisting of spatially distributed autonomous devices called sensors, deployed to cooperatively collect information and send it back to a location in which it can be extracted and analyzed. One of the most challenging topic in these networks is how to efficiently use the limited energy resource in each sensor node in order to increase the lifetime of the whole network. In this thesis, we address the source-channel coding problem applied to wireless sensor network models where sensor nodes are observing sources of information and sending back their gathered data through a Gaussian multiple-access channel to a given receiver or collector node. In a first part, independent random sources varying slowly in time are considered. A source-channel code adapted with the application characteristics is proposed and bounds on the optimal achievable performance are derived. Several model variants involving noncoherent detection and the presence of observation noise are also studied. In a second part, arbitrarily correlated discrete sources of finite alphabets are considered. After being encoded, they are sent through a Gaussian multiple-access channel with phase shifts unknown at the transmitters and completely known at the receiver. For both random ergodic and arbitrary non-random models for the phase shifts, it is proved that the separation theorem holds, and consequently, the strategy of combining Slepian-Wolf coding to capacity achieving channel encoders is optimal. For continuous sources, it is shown that the source-channel separation is asymptotically optimal. Finally, a wireless sensor network monitoring a random physical field is considered. The performance of a linear encoder scheme is investigated and bounds on the optimal achievable performance are derived.