Adaptive filtering algorithms and data-selective strategies for graph signal estimation

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Spelta, Marcelo Jorge Mendes
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Brasil
Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
UFRJ
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://hdl.handle.net/11422/21283
Resumo: Considering the potential of graph signal processing (GSP), a recent research field that extends classical signal processing to signals defined over graph structures, this dissertation explores and proposes new algorithms to a GSP problem that has been lately recast within the adaptive filtering framework. After presenting an overview of both adaptive filtering and GSP, this work highlights the merging of these areas when algorithms based on the least-mean-square (LMS) and recursive least-squares (RLS) methods are used for the online estimation of bandlimited graph signals (GS) using a reduced number of noisy measurements. Extending this idea, this dissertation proposes a normalized least-mean-square (NLMS) algorithm for the same GSP context. As in the classical adaptive filtering framework, the resulting NLMS GS estimation technique is faster than the LMS algorithm while being less complex than the RLS algorithm. Detailed steady-state mean-squared error and deviation analyses are provided for the proposed NLMS algorithm, and are also employed to complement previous results on the LMS and RLS algorithms. Additionally, two different data-selective (DS) strategies are pro- posed to reduce the overall computational complexity by only performing updates when the input signal brings enough innovation. Proper definitions of constraint pa- rameters are given based on the analysis of these DS strategies, and closed formulas are derived for an estimate of the update probability when using different adaptive algorithms. At last, this work presents many numerical simulations corroborating, with high accuracy, the theoretical results predicted.
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spelling Adaptive filtering algorithms and data-selective strategies for graph signal estimationProcessamento de sinal gráficoEstimativa de sinal gráficoFiltragem adaptativa.Seletivo de dados algoritmosFiltragem de associação de conjuntoCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO::ANALISE DE ALGORITMOS E COMPLEXIDADE DE COMPUTACAOConsidering the potential of graph signal processing (GSP), a recent research field that extends classical signal processing to signals defined over graph structures, this dissertation explores and proposes new algorithms to a GSP problem that has been lately recast within the adaptive filtering framework. After presenting an overview of both adaptive filtering and GSP, this work highlights the merging of these areas when algorithms based on the least-mean-square (LMS) and recursive least-squares (RLS) methods are used for the online estimation of bandlimited graph signals (GS) using a reduced number of noisy measurements. Extending this idea, this dissertation proposes a normalized least-mean-square (NLMS) algorithm for the same GSP context. As in the classical adaptive filtering framework, the resulting NLMS GS estimation technique is faster than the LMS algorithm while being less complex than the RLS algorithm. Detailed steady-state mean-squared error and deviation analyses are provided for the proposed NLMS algorithm, and are also employed to complement previous results on the LMS and RLS algorithms. Additionally, two different data-selective (DS) strategies are pro- posed to reduce the overall computational complexity by only performing updates when the input signal brings enough innovation. Proper definitions of constraint pa- rameters are given based on the analysis of these DS strategies, and closed formulas are derived for an estimate of the update probability when using different adaptive algorithms. At last, this work presents many numerical simulations corroborating, with high accuracy, the theoretical results predicted.Dado o potencial do processamento de sinais em grafos (GSP em inglês), um campo de pesquisa recente que estende o processamento de sinais clássico a sinais definidos sobre grafos, esta dissertação explora e propõe novos algoritmos para um problema de GSP que foi recentemente reformulado considerando estratégias de filtragem adaptativa. Após apresentar uma visão geral individualizada de filtragem adaptativa e GSP, este trabalho ressalta a fusão destas áreas quando algoritmos baseados nos métodos least-mean-square (LMS) e recursive least-squares (RLS) são empregados para estimação em tempo real de sinais em grafos limitados em banda com utilização de um número reduzido de medições ruidosas. Com a extensão desta ideia, esta dissertação propõe o algoritmo normalized least- mean-square (NLMS) para o mesmo contexto de GSP. Conforme a filtragem adaptativa clássica, a técnica NLMS obtida para estimação de sinais em grafos converge mais rapidamente que o algoritmo LMS enquanto é menos complexa que o algoritmo RLS. Análises detalhadas do erro e desvio médio quadráticos em estado estacionário são fornecidas para o algoritmo NLMS proposto, sendo estas também empregadas para complementar análises prévias dos algoritmos LMS e RLS para GSP. Adi- cionalmente, duas estratégias diferentes de seletividade de dados (DS em inglês) são propostas neste trabalho para reduzir a complexidade computacional geral ao somente calcular atualizações do algoritmo quando o sinal de entrada contém inovação suficiente. Escolhas adequadas de parâmetros de restrição são sugeridas com base na análise destas estratégias de DS, e fórmulas fechadas são derivadas para o cálculo estimado da probabilidade de atualização quando utilizados diferentes algoritmos adaptativos. Por fim, este trabalho apresenta diversas simulações numéricas que corroboram, com elevada acurácia, os resultados teóricos previstos.Universidade Federal do Rio de JaneiroBrasilInstituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de EngenhariaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFRJMartins, Wallace AlvesLima, Markus Vinícius SantosDiniz, Paulo Sergio RamirezApolinário Junior, José AntonioSpelta, Marcelo Jorge Mendes2023-08-04T20:35:33Z2023-12-21T03:01:57Z2019-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/11422/21283enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFRJinstname:Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)instacron:UFRJ2023-12-21T03:01:57Zoai:pantheon.ufrj.br:11422/21283Repositório InstitucionalPUBhttp://www.pantheon.ufrj.br/oai/requestpantheon@sibi.ufrj.bropendoar:2023-12-21T03:01:57Repositório Institucional da UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)false
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