Estimation theoretic analyses of location secrecy and ris-aided localization under hardware impairments
Konum gizliliğinin ve donanımsal hatalar altında YYAY destekli konumlandırmanın kestirim kuramsal analizleri
- Tez No: 739506
- Danışmanlar: PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
Bu tezde, donanımsal hatalar altında yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey (YYAY) destekli konumlandırma ve konum gizliliğinin kestirim kuramsal analizleri sunulmaktadır. İlk olarak, hedef düğümlerinin çapa düğümlerine sinyaller gönderdiği ve çapa düğümlerinin bu sinyalleri kullanarak hedef düğümlerinin konumunu kestirdiği bir kablosuz kaynak konumlandırma ağı düşünülmektedir. Kablosuz kaynak konumlandırma ağlarında, hedef ve çapa düğümlerinin yanı sıra, hedef düğümlerinin konumunu kestirmeye çalışan gizli dinleyici düğümleri ve çapa düğümlerinin konumlandırma performansını düşürmeyi hedefleyen karıştırıcı düğümler de bulunabilir. Gizli dinleyici düğümlerin hedef düğümlerin konumunu olabildiğince doğru bir şekilde kestirmesi için, gizli dinleyici düğümü seçme problemi tanımlanmaktadır. Gizli dinleyici düğümlerinin hedef düğümlerinin konumunu kestirmesiyle alakalı olan Cramér-Rao alt sınırı (CRAS) performans metriği olarak seçilmekte ve bu CRAS'nin gizli dinleyici düğümü seçme vektörüne göre olan dışbükeyliği ve monotonluğu incelenmektedir. Tam sayı kısıtlamaları gevşetildiğinde, gizli dinleyici seçme problemine dışbükey optimizasyon problemi olarak yaklaşılmakta ve bu problemi çözmek için bazı algoritmalar önerilmektedir. Bunun yanı sıra, parametrelerin belirsizliği altında, gizli dinleyici seçme probleminin gürbüz versiyonu geliştirilmektedir. Daha sonra, karıştırıcı düğümlerinin çapa düğümlerinin konumlandırma performansını olabildiğince düşürmesi için karıştırıcı düğümlerini seçme problemi önerilmektedir. Literatürde bulunan bir CRAS ifadesi performans metriği olarak kullanılmakta ve bu ifadenin karıştırıcı düğümü seçme vektörüne göre içbükeyliği ve monotonluğu incelenmektedir. Tam sayı sınırlarının gevşetilmesinden sonra, dışbükey optimizasyon problemi elde edilmekte ve gürbüz versiyonu da çözülmektedir. Ayrıca, gizli dinleyici ve karıştırıcı düğümü seçme problemleri ortak olarak önerilmektedir. Önerilen algoritmaların performanslarını göstermek için benzetim sonuçları sunulmaktadır. İkinci olarak, senkronize olmuş hedef ve çapa düğümlerini içeren bir kablosuz kaynak konumlandırma ağı düşünülmektedir. Çapa düğümleri tarafından kestirilen hedef düğümlerinin konumu ile alakalı olan CRAS'nin minimize edilmesi için çapa düğümlerinin yerleştirilmesi problemi formüle edilmektedir. Çapa düğümlerinin yerleştirilmesi problemine iki süper modüler fonksiyonunun birbirine olan oranının minimize edilmesi problemi ile yaklaşılabileceği gösterilmektedir. Bu problemlerin çözümü için polinomsal zamanda algoritma eksikliğinden dolayı, çapa düğümü yerleştirme problemine çapa düğümü seçme problemi olarak yaklaşılmaktadır. Tam sayı kısıtlamaları gevşetildiğinde, çapa düğümü seçme problemine dışbükey optimizasyon problemi olarak yaklaşılmaktadır. Bu problemin çözümü için iki farklı algoritma önerilmektedir. Daha sonra, yarı senkronize olan kablosuz konumlandırma ağları için analizler genişletilmektedir. Önerilen algoritmaların performanslarını incelemek için, benzetim sonuçları sunulmaktadır. Üçüncü olarak, baz istasyonu servisi ve faza bağlı genlik değişimleri altında, YYAY destekli yakın alanda konumlandırma problemi incelenmektedir. Yanlış tanımlanmış Cramér-Rao sınırı (YTCRS) analizi ve sonucunda konumlandırma ile ilgili çıkan alt sınır (AS) kullanılarak, özellikle yüksek sinyal gürültü oranlarında, genlik değişimlerinin bilinmediği ve genliklerin bire eşit olduğunu varsayıldığında, konumlandırma açısından ciddi performans kayıplarının oluşabileceği gösterilmektedir. Jacobi-Anger açılımı kullanılarak, asimptotik olarak AS ile sıkı olan, düşük karmaşıklığa sahip, yaklaşık yanlış tanımlanmış maksimum olabilirlik (YYTMO) kestiricisi geliştirilmektedir. Modeli yanlış bilmekten kaynaklanan performans kaybını önlemek için, kullanıcının konumu ve YYAY genlik modeli parametreleri beraber kestirilmeye çalışılmaktadır. Buna karşılık gelen Cramér-Rao sınırı (CRS) ve YYAY genlik model parametrelerini dönüşümlü bir biçimde güncelleyen YYTMO kestricisini alt program olarak kullanan yinelemeli bir algoritma elde edilmektedir. Benzetim sonuçlarına göre, bu algoritma hızlı bir şekilde yakınsamaktadır ve performansı CRS'ye yakın çıkmaktadır. Önerilen yöntem geniş bir aralıktaki YYAY parametreleri için YYTMO'nun performans kayıplarını başarılı bir şekilde azaltmaktadır. Dördüncü olarak, YYAY pikselleri donanımsal kusurlar nedeniyle bozulmalar yaşadığında, YYAY destekli konumlandırma problemleri incelenmektedir. Bu kusurların konumlandırma performansı üzerine etkisi çalışılmaktadır. Bu amaçla, YTCRS analizi yürütülmekte ve benzetim sonuçlarına göre piksel bozulmalarının konumlandırma performansı üzerindeki etkisinin ciddi olabileceği gözlemlenmektedir. Buna çare olmak için, hangi piksellerin bozulduğunu anlamak ve piksel bozulmaları altında gürbüz konumlandırma yöntemleri geliştirmek anacıyla, iki farklı strateji önerilmektedir. İlk strateji l_1-düzenleme metodu tabanlı iken, ikinci strateji ise ardışık bir yaklaşım kullanmaktadır. İki strateji de piksel arızalarından kaynaklanan performans kayıplarını önemli ölçüde düşürmektedir. İkinci strateji, ilk stratejiye göre daha yüksek hesaplama maliyetine sahip olsa da yüksek sinyal gürültü oranlarında kuramsal sınırlara çok yakın performans göstermektedir. Tezin son kısmında, karıştırıcı varlığı altında, kestirim kuramsal kriter tabanlı skaler bir parametrenin en iyi kodlama stratejisi incelenmektedir. Bir başka deyişle, karıştırıcı gönderilecek olan skaler parametreye ulaşabildiğinde ve bu parametreyi kodlayıp alıcıdaki sinyali bozabildiğinde, gönderici tarafından kullanılabilecek kodlama fonksiyonları arasından alıcıdaki koşullu CRS'nin ortalamasını minimize edilen kodlama fonksiyonu seçilmektedir. Varyasyonlar hesabı kullanılarak, göndericinin en iyi kodlama fonksiyonu tam olarak karakterize edilmekte ve bu kodlama fonksiyonunu elde etmek için bir algoritma önerilmektedir. Sayısal örnekler önerilen kodlama stratejisinin faydalarını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, we present estimation theoretic analyses of location secrecy and reconfigurable intelligent surface (RIS) aided localization under hardware impairments. First, we consider a wireless source localization network in which a target node emits localization signals that are used by anchor nodes to estimate the target node position. In addition to target and anchor nodes, there can also exist eavesdropper nodes and jammer nodes which aim to estimate the position of the target node and to degrade the accuracy of localization, respectively. We propose the problem of eavesdropper selection with the goal of optimally placing a given number of eavesdropper nodes to a subset of possible positions in the network to estimate the target node position as accurately as possible. As the performance metric, the Cramér-Rao lower bound (CRLB) related to the estimation of the target node position by eavesdropper nodes is derived, and its convexity and monotonicity properties are investigated. By relaxing the integer constraints, the eavesdropper selection problem is approximated by a convex optimization problem and algorithms are proposed for eavesdropper selection. Moreover, in the presence of parameter uncertainty, a robust version of the eavesdropper selection problem is developed. Then, the problem of jammer selection is proposed where the aim is to optimally place a given number of jammer nodes to a subset of possible positions for degrading the localization accuracy of the network as much as possible. A CRLB expression from the literature is used as the performance metric, and its concavity and monotonicity properties are derived. Also, a convex optimization problem and its robust version are derived after relaxation. Moreover, the joint eavesdropper and jammer selection problem is proposed with the goal of placing certain numbers of eavesdropper and jammer nodes to a subset of possible positions. Simulation results are presented to illustrate performance of the proposed algorithms. Second, a wireless source localization network consisting of synchronized target and anchor nodes is considered. An anchor placement problem is formulated to minimize the CRLB on estimation of target node positions by anchor nodes. It is shown that the anchor placement problem can be approximated as a minimization problem of the ratio of two supermodular functions. Due to the lack of a polynomial time algorithm for such problems, an anchor selection problem is proposed to solve the anchor placement problem. Via relaxation of integer constraints, the anchor selection problem is approximated by a convex optimization problem, which is used to propose two algorithms for anchor selection. Furthermore, extensions to quasi-synchronous wireless localization networks are discussed. To examine the performance of the proposed algorithms, various simulation results are presented. Third, we investigate the problem of RIS-aided near-field localization of a user equipment (UE) served by a base station (BS) under phase-dependent amplitude variations at each RIS element. Through a misspecified Cramér -Rao bound (MCRB) analysis and a resulting lower bound (LB) on localization, we show that when the UE is unaware of amplitude variations (i.e., assumes unit-amplitude responses), severe performance penalties can arise, especially at high signal-to-noise ratios (SNRs). Leveraging Jacobi-Anger expansion to decouple range-azimuth-elevation dimensions, we develop a low-complexity approximated mismatched maximum likelihood (AMML) estimator, which is asymptotically tight to the LB. To mitigate performance loss due to model mismatch, we propose to jointly estimate the UE location and the RIS amplitude model parameters. The corresponding Cramér -Rao bound (CRB) is derived, as well as an iterative refinement algorithm, which employs the AMML method as a subroutine and alternatingly updates individual parameters of the RIS amplitude model. Simulation results indicate fast convergence and performance close to the CRB. The proposed method can successfully recover the performance loss of the AMML under a wide range of RIS parameters and effectively calibrate the RIS amplitude model online with the help of a user that has an a-priori unknown location. Fourth, we consider RIS-aided localization scenarios with RIS pixel failures, where individual RIS elements can become faulty due to hardware imperfections. We explore the impact of such failures on the localization performance. To that aim, an MCRB analysis is conducted and numerical results indicate that performance loss for estimating the UE position can be significant in the presence of pixel failures. To remedy this issue, we develop two different diagnosis strategies to determine which pixels are failing, and design robust methods to perform localization in the presence of faulty elements. One strategy is based on the l_1-regularization method, the second one employs a successive approach. Both methods significantly reduce the performance loss due to pixel failures. The successive one performs very close to the theoretical bounds at high SNRs even though it has a higher computational cost than the l_1-regularization based method. In the final part of the dissertation, the optimal encoding strategy of a scalar parameter is performed in the presence of jamming based on an estimation theoretic criterion. Namely, the aim is to obtain the optimal encoding function at the transmitter that minimizes the expectation of the conditional Cramér -Rao bound (ECRB) at the receiver when the jammer has access to the parameter and alters the received signal by sending an encoded version of the parameter. Via calculus of variations, the optimal encoding function at the transmitter is characterized explicitly, and an algorithm is proposed to calculate it. Numerical examples demonstrate benefits of the proposed optimal encoding approach.
Benzer Tezler
- Visible light positioning systems: Fundamental limits, algorithms and resource allocation approaches
Görünür ışık konumlandırma sistemleri: Temel sınırlar, algoritmalar ve kaynak tahsisi yaklaşımları
MUSA FURKAN KESKİN
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- Decentralized graph processes for robust multi-agent networks
Başlık çevirisi yok
AHMET YASİN YAZICIOĞLU
Doktora
İngilizce
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGeorgia Institute of TechnologyDr. JEFF S. SHAMMA
Dr. MAGNUS EGERSTEDT
- Türkiye tekstil endüstrisinin üretim yapısı ve karşılaştırmalı rekabet gücü -AB örneği Almanya ile karşılaştırma ve bir alan çalışması-
The Production structure of Turkey's tekstile industry and it's power of comparative competition - The case of EU, compare with Germany and a survey research
ORHAN ÇOBAN
- Yüzey oturmalarının yapıların dinamik dayanımına etkisi
The effects of surface settlement to structure dynamic strength
HÜSEYİN SELÇUK GÜLBAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Kültür Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. S. ÜMİT DİKMEN
- Uydu verileri ile İstanbul Boğazı ve Haliç'de su kirliliğinin makro düzeyde belirlenmesi
Intrepretation at macro level as pollution of water resources of remotely sensed data of Bosphorus and golden horn estuary by an unsupervised and supervised classification method
H.GONCA COŞKUN