Communications orientées objectifs : le problème de quantification

Goal oriented communications : the quantization problem

• Auteur / Autrice : Hang Zou
• Direction : Samson Lasaulce
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 06/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Wigger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Walid Saad, Marios Kountouris, Mehdi Bennis, Sorin Olaru, Mohamad Assaad, Lucas Saludjian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Walid Saad, Marios Kountouris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quantificateurs (logique mathématique)

Algorithmes évolutionnaires

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Quantification à haute résolution

Réseaux de neurones artificiels

Algorithmes évolutionnaires

Optimisation convexe

Théorie des jeux

Efficacité énergétique

Équilibre de Nash

Jeu de potentiel

Quantification

High-Resolution quantization

Artificial neural networks

Evolutionary algorithms

Convex optimization

Game theory

Energy efficiency

Nash equilibrium

Potential games

Quantization

Résumé

Le paradigme classique pour concevoir un émetteur (codeur) et un récepteur (décodeur) est de concevoir ces éléments en assurant que l'information reconstruite par le récepteur soit suffisamment proche de l'information que l'émetteur a mis en forme pour l'envoyer sur le médium de communication. On parle de critère de fidélité ou de qualité de reconstruction (mesurée par exemple en termes de distorsion, de taux d'erreur binaire, de taux d'erreur paquet ou de probabilité de coupure de la communication).Le problème du paradigme classique est qu'il peut conduire à un investissement injustifié en termes de ressources de communication (surdimensionnement de l'espace de stockage de données, médium de communication à très haut débit et onéreux, composants très rapides, etc.) et même à rendre les échanges plus vulnérables aux attaques. La raison à cela est que l'exploitation de l'approche classique (fondée sur le critère de fidélité de l'information) dans les réseaux sans fil conduira typiquement à des échanges excessivement riches en information, trop riches au regard de la décision que devra prendre le destinataire de l'information. Il s'avère qu'actuellement, l'ingénieur n'a pas à sa disposition une méthodologie lui permettant de concevoir une telle paire émetteur-récepteur qui serait adaptée à l'utilisation (ou les utilisations) du destinataire.Par conséquent, un nouveau paradigme de communication appelé la communication orientée objectif est proposé pour résoudre le problème des communications classiques. Le but ultime des communications orientées objectifs est d'accomplir certaines tâches ou certains objectifs au lieu de viser un critère de reconstruction du signal source. Les tâches sont généralement caractérisées par des fonctions d'utilité ou des fonctions de coût à optimiser.Dans la présente thèse, nous nous concentrons sur le problème de quantification des communication orientées objectifs, c'est-à-dire la quantification orientée objectif. Nous formulons d'abord formellement le problème de quantification orientée objectif. Deuxièmement, nous proposons une approche pour résoudre le problème lorsque seules des réalisations de fonction d'utilité sont disponibles. Un scénario spécial avec quelques connaissances supplémentaires sur les propriétés de régularité des fonctions d'utilité est également traité. Troisièmement, nous étendons la théorie de la quantification à haute résolution à notre problème de quantification orientée objectif et proposons des schémas implémentables pour concevoir un quantificateur orienté objectif. Quatrièmement, le problème de quantification orientée but est développé dans un cadre de jeux sous forme stratégique. Il est montré que la quantification orientée objectif pourrait améliorer les performances globales du système si le fameux paradoxe de Braess existe. Enfin, l'équilibre de Nash d'un jeu de canaux d'accès multiples à entrées multiples et sorties multiples multi-utilisateurs avec l'efficacité énergétique étant l'utilité est étudié et réalisé selon différentes méthodes.

The classic paradigm for designing a transmitter (encoder) and a receiver (decoder) is to design these elements by ensuring that the information reconstructed by the receiver is sufficiently close to the information that the transmitter has formatted to send it on the communication medium. This is referred to as a criterion of fidelity or of reconstruction quality (measured for example in terms of distortion, binary error rate, packet error rate or communication cut-off probability).The problem with the classic paradigm is that it can lead to an unjustified investment in terms of communication resources (oversizing of the data storage space, very high speed and expensive communication medium, very fast components, etc.) and even to make exchanges more vulnerable to attacks. The reason for this is that the use of the classic approach (based on the criterion of fidelity of information) in the wireless networks will typically lead to exchanges excessively rich in information, too rich regarding the decision which will have to be taken. the recipient of the information; in the simpler case, this decision may even be binary, indicating that in theory a single bit of information could be sufficient. As it turns out, the engineer does not currently have at his disposal a methodology to design such a transceiver pair that would be suitable for the intended use (or uses) of the recipient.Therefore, a new communication paradigm named the goal-oriented communication is proposed to solve the problem of classic communications. The ultimate objective of goal-oriented communications is to achieve some tasks or goals instead of improving the accuracy of reconstructed signal merely. Tasks are generally characterized by some utility functions or cost functions to be optimized.In the present thesis, we focus on the quantization problem of the goal-oriented communication, i.e., the goal-oriented quantization. We first formulate the goal-oriented quantization problem formally. Secondly, we propose an approach to solve the problem when only realizations of utility function are available. A special scenario with some extra knowledge about regularity properties of the utility functions is treated as well. Thirdly, we extend the high-resolution quantization theory to our goal-oriented quantization problem and propose implementable schemes to design a goal-oriented quantizer. Fourthly, the goal-oriented quantification problem is developed in a framework of games in strategic form. It is shown that goal-oriented quantization could improve the overall performance of the system if the famous Braess paradox exists. Finally, Nash equilibrium of a multi-user multiple-input and multiple output multiple access channel game with energy efficiency being the utility is studied and achieved in different methods.