Techniques d'apprentissage automatique efficientes pour la localisation indoor dans les systèmes de communication sans fil

Efficient machine learning techniques for indoor localization in wireless communication systems

• Auteur / Autrice : Siyang Liu
• Direction : Jocelyn Fiorina, Raul Liberato de Lacerda Neto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des réseaux, de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• 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 Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Ovarlez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fouzia Boukour, Jean-Marie Gorce, Christophe Le Martret, Luca De Nardis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fouzia Boukour, Jean-Marie Gorce

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de positionnement en intérieur

Systèmes de communication sans fil

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Empreinte digitale

Localisation indoor

Apprentissage automatique

Puissance du signal reçu

Apprentissage fédéré

Fingerprinting

Indoor localization

Machine learning (ML)

Received signal power (RSS)

Federated learning (FL)

Résumé

Avec le développement rapide de l'Internet des objets (IoT), le besoin de services de localisation en intérieur, tels que la gestion des actifs, la navigation et le suivi, a également augmenté au fil du temps. Pour la localisation indoor, les systèmes de navigation par satellite tels que le GPS ont un usage limité par l'absence de visibilité directe avec les satellites.Diverses solutions ont été proposées pour la localisation en intérieur, telles que la trilatération, la triangulation et la navigation à l'estime, mais leurs performances sont limitées par les conditions du canal intérieur, telles que masquage et l'évanouissement par trajets multiples. En exploitant la correspondance entre les mesures des caractéristiques du signal sans fil et les positions, les méthodes basées sur l'empreinte digitale ont montré qu'elles pouvaient fournir de bonnes performances de localisation avec suffisamment de données. Cependant, la localisation indoor est toujours confrontée à des défis tels que l'évolutivité, le coût et la complexité, la confidentialité, etc.L'objectif de cette thèse est d'améliorer l'efficience de la localisation indoor en utilisant des techniques d'apprentissage automatique. Nous divisons le processus de localisation en deux phases : la phase de cartographie radio hors ligne et la phase de localisation en ligne. Pendant la phase hors ligne, nous introduisons l'analyse des jeux de données comme une étape intermédiaire entre la création des jeux de données et la localisation. Nous proposons deux indicateurs numériques de qualité des jeux de données qui peuvent fournir un retour d'information pour améliorer la carte radio. De plus, l'extraction de caractéristiques et le traitement des données à l'aide d'outils d'apprentissage automatique sont intégrés dans un but d'efficience, en réduisant la taille des données et la complexité de calcul, tout en améliorant les performances de localisation. Pour être plus précis, nous proposons une méthode de cartographie radio basée sur les k-means qui peut réduire le nombre d'empreintes de plus de 90 % sans perdre d'informations utiles dans la carte radio ni dégrader les performances de localisation. En explorant la nature hiérarchique des grands ensembles de données, nous proposons une méthode d'extraction de caractéristiques hiérarchiques qui peut réduire davantage la complexité de la localisation sans en compromettre les performances.Pour la phase de localisation en ligne, nous explorons à la fois l'apprentissage automatique traditionnel et l'apprentissage profond. Nous présentons d'abord plusieurs méthodes traditionnelles d'apprentissage automatique et comparons les performances de localisation sur des ensembles de données publiques. Nous cherchons à améliorer les performances de localisation des méthodes traditionnelles.Pour faire face aux problèmes de confidentialité et de complexité, nous introduisons un cadre d'apprentissage fédéré pour le problème de la localisation indoor. Dans ce cadre, les clients partagent uniquement leurs modèles locaux avec le serveur central au lieu des données d'empreintes radios. Nous comparons d'abord les performances de l'apprentissage fédéré et centralisé. Ensuite, nous étudions l'impact du nombre de clients et de la taille des données locales. Toujours dans un objectif d'efficience, afin d'économiser les ressources, nous cherchons à réduire le coût de communication pendant le processus d'apprentissage. Nous évaluons différentes techniques, notamment la sélection des clients, l'accumulation du gradient et la compression du modèle. Une méthode de compression efficace est proposée pour compresser les modèles locaux, ce qui permet de réduire le coût de communication de la liaison montante de 91,5 % sans compromettre les performances de localisation. Enfin, nous considérons des limites sur la capacité des liens montants et évaluons différentes stratégies de compression.

With rapid development of Internet of Things (IoT), the need of indoor location-based services such as asset management, navigation and tracking has also grown overtime. For indoor localization, navigation satellite systems such as GPS has limited usage since a direct line-of-sight to satellites is unavailable.Various solutions have been proposed for indoor localization such as trilateration, triangulation, dead reckoning, but their performance is limited by indoor channel conditions, such as shadowing and multipath fading. By exploiting the mapping between wireless signal feature measurements and positions, fingerprinting based methods have shown the potential to provide good localization performance with sufficient data. However, indoor localization still faces challenges like scalability, cost and complexity, privacy, etc.The focus of this thesis is to improve efficiency of indoor localization using machine learning techniques. We divide the localization process into two phases: offline radio mapping phase and online localization phase. During the offline phase, we introduce dataset analysis as an intermediate step between dataset creation and localization. We propose two numerical dataset quality indicators which can provide feedback to improve the radio map. Moreover, feature extraction and dataset processing using machine learning tools are integrated to improve efficiency by reducing the data size and computation complexity while improving localization performance. We propose a k-means based radio mapping method which can reduce the number of fingerprints by over % without losing useful information in the radio map or degrading localization performance. By exploring the hierarchical nature of large datasets, we propose a hierarchical feature extraction method which can further reduce localization complexity without compromising localization performance.For the online localization phase, we explore both traditional machine learning and deep learning. We first introduce several traditional machine learning methods and compare the localization performance on public datasets. We aim to improve localization performance of traditional methods.To cope with privacy and complexity issue, we introduce federated learning framework for indoor localization problem. In this framework, the clients share only their local models to the central server instead of the fingerprinting data. We first compare the performance with federated and centralized learning. Then, we further study the impact on different client numbers and local data size. To reduce communication cost during the training process, we evaluate different measures including client selection, gradient accumulation and model compression. An efficient compression method is proposed to compress local models which can reduce the uplink communication cost by 91.5% without compromising localization performance. At last, we consider a limit on uplink capacity and evaluate different compression strategies.