Abstract Wireless sensor networks (WSNs) consisting of battery-powered sensors are increasingly deployed for a myriad of Internet of Things applications, e.g., environmental, industrial, and healthcare monitoring. Since wireless access is typically the main contributor to battery usage, minimizing communications is crucial to prolong network lifetime and improve user experience. The objective of this thesis is to develop and analyze energy-efficient distributed compressed data acquisition techniques for WSNs. The thesis proposes four approaches to conserve sensors' energy by minimizing the amount of information each sensor has to transmit to meet given application requirements. The first part addresses a cross-layer design to minimize the sensors’ sum transmit power via joint optimization of resource allocation and multi-path routing. A distributed consensus optimization based algorithm is proposed to solve the problem. The algorithm is shown to have superior convergence compared to several baselines. The remaining parts deal with compressed sensing (CS) of sparse/compressible sources. The second part focuses on the distributed CS acquisition of spatially and temporally correlated sensor data streams. A CS algorithm based on sliding window and recursive decoding is developed. The method is shown to achieve higher reconstruction accuracy with fewer transmissions and less decoding delay and complexity compared to several baselines, and to progressively refine past estimates. The last two approaches incorporate the quantization of CS measurements and focus on lossy source coding. The third part addresses the distributed quantized CS (QCS) acquisition of correlated sparse sources. A distortion-rate optimized variable-rate QCS method is proposed. The method is shown to achieve higher distortion-rate performance than the baselines and to enable a trade-off between compression performance and encoding complexity via the pre-quantization of measurements. The fourth part investigates information-theoretic rate-distortion (RD) performance limits of single-sensor QCS. A lower bound to the best achievable compression — defined by the remote RD function (RDF) — is derived. A method to numerically approximate the remote RDF is proposed. The results compare practical QCS methods to the derived limits, and show a novel QCS method to approach the remote RDF. / Tiivistelmä Patterikäyttöisistä antureista koostuvat langattomat anturiverkot yleistyvät esineiden internetin myötä esim. ympäristö-, teollisuus-, ja terveydenhoitosovelluksissa. Koska langaton tiedonsiirto kuluttaa merkittävästi energiaa, kommunikoinnin minimointi on elintärkeää pidentämään verkon elinikää ja parantamaan käyttäjäkokemusta. Väitöskirjan tavoitteena on kehittää ja analysoida energiatehokkaita hajautettuja pakattuja datankeruumenetelmiä langattomiin anturiverkkoihin. Työssä ehdotetaan neljä lähestymistapaa, jotka säästävät anturien energiaa minimoimalla se tiedonsiirron määrä, mikä vaaditaan täyttämään sovelluksen asettamat kriteerit. Väitöskirjan ensimmäinen osa tarkastelee protokollakerrosten yhteissuunnittelua, jossa minimoidaan anturien yhteislähetysteho optimoimalla resurssiallokaatio ja monitiereititys. Ratkaisuksi ehdotetaan konsensukseen perustuva hajautettu algoritmi. Tulokset osoittavat algoritmin suppenemisominaisuuksien olevan verrokkejaan paremmat. Loppuosat keskittyvät harvojen lähteiden pakattuun havaintaan (compressed sensing, CS). Toinen osa keskittyy tila- ja aikatasossa korreloituneen anturidatan hajautettuun keräämiseen. Työssä kehitetään liukuvaan ikkunaan ja rekursiiviseen dekoodaukseen perustuva CS-algoritmi. Tulokset osoittavat menetelmän saavuttavan verrokkejaan korkeamman rekonstruktiotarkkuuden pienemmällä tiedonsiirrolla sekä dekoodausviiveellä ja -kompleksisuudella ja kykenevän asteittain parantamaan menneitä estimaatteja. Työn viimeiset osat sisällyttävät järjestelmämalliin CS-mittausten kvantisoinnin keskittyen häviölliseen lähdekoodaukseen. Kolmas osa käsittelee hajautettua korreloitujen harvojen signaalien kvantisoitua CS-havaintaa (quantized CS, QCS). Työssä ehdotetaan särön ja muuttuvan koodinopeuden välisen suhteen optimoiva QCS-menetelmä. Menetelmällä osoitetaan olevan verrokkejaan parempi pakkaustehokkuus sekä kyky painottaa suorituskyvyn ja enkooderin kompleksisuuden välillä mittausten esikvantisointia käyttäen. Neljäs osa tutkii informaatioteoreettisia, koodisuhde-särösuhteeseen perustuvia suorituskykyrajoja yhden anturin QCS-järjestelmässä. Parhaimmalle mahdolliselle pakkaustehokkuudelle johdetaan alaraja, sekä kehitetään menetelmä sen numeeriseen arviointiin. Tulokset vertaavat käytännön QCS-menetelmiä johdettuihin rajoihin, ja osoittavat ehdotetun QCS-menetelmän saavuttavan lähes optimaalinen suorituskyky.

Abstract Multiple-input multiple-output transmitted signal design for the partially coherent Rayleigh fading channels with discrete inputs under a given average transmit power constraint is consider in this thesis. The objective is to design the space-time constellations and linear precoders to adapt to the degradation caused by the imperfect channel estimation at the receiver and the transmit-receive antenna correlation. The system is partially coherent so that the multiple-input multiple-output channel coefficients are estimated at the receiver and its error covariance matrix is fed back to the transmitter. Two constellation design criteria, one for the single and another for the multiple transmit antennae are proposed. An upper bound on the average bit error probability for the single transmit antenna and cutoff rate, i.e., a lower bound on the mutual information, for multiple transmit antennae are derived. Both criteria are functions of channel estimation error covariance matrix. The designed constellations are called as partially coherent constellation. Additionally, to use the resulting constellations together with forward error control codes requires efficient bit mapping schemes. Because these constellations lack geometrical symmetry in general, the Gray mapping is not always possible in the majority of the constellations obtained. Moreover, different mapping schemes may lead to highly different bit error rate performances. Thus, an efficient bit mapping algorithm called the modified binary switching algorithm is proposed. It minimizes an upper bound on the average bit error probability. It is shown through computer simulations that the designed partially coherent constellation and their optimized bit mapping algorithm together with turbo codes outperform the conventional constellations. Linear precoder design was also considered as a simpler, suboptimal alternative. The cutoff rate expression is again used as a criterion to design the linear precoder. A linear precoder is obtained by numerically maximizing the cutoff rate with respect to the precoder matrix with a given average transmit power constraint. Furthermore, the precoder matrix is decomposed using singular-value-decomposition into the input shaping, power loading, and beamforming matrices. The beamforming matrix is found to coincide with the eigenvectors of the transmit correlation matrix. The power loading and input shaping matrices are solved numerically using the difference of convex functions programming algorithm and optimization under the unitary constraint, respectively. Computer simulations show that the performance gains of the designed precoders are significant compared to the cutoff rate optimized partially coherent constellations without precoding. / Tiivistelmä Väitöskirjassa tarkastellaan lähetyssignaalien suunnittelua osittain koherenteissa Rayleigh-häipyvissä kanavissa toimiviin monitulo-monilähtöjärjestelmiin (MIMO). Lähettimen keskimääräinen lähetysteho oletetaan rajoitetuksi ja lähetyssignaali diskreetiksi. Tavoitteena on suunnitella tila-aikakonstellaatioita ja lineaarisia esikoodereita jotka mukautuvat epätäydellisen kanavaestimoinnin aiheuttamaan suorituskyvyn heikkenemiseen sekä lähetin- ja vastaanotinantennien väliseen korrelaatioon. Tarkasteltavien järjestelmien osittainen koherenttisuus tarkoittaa sitä, että MIMO-kanavan kanavakertoimet estimoidaan vastaanottimessa, josta niiden virhekovarianssimatriisi lähetetään lähettimelle. Työssä esitetään kaksi konstellaatiosuunnittelukriteeriä, toinen yhdelle lähetinantennille ja toinen moniantennilähettimelle. Molemmat kriteerit ovat kanavan estimaatiovirheen kovarianssimatriisin funktioita. Työssä johdetaan yläraja keskimääräiselle bittivirhetodennäköisyydelle yhden lähetinantennin tapauksessa sekä rajanopeus (cutoff rate), joka on alaraja keskinäisinformaatiolle, usean lähetinantennin tapauksessa. Konstellaatioiden käyttö yhdessä virheenkorjauskoodien kanssa edellyttää tehokaita menetelmiä, joilla bitit kuvataan konstellaatiopisteisiin. Koska tarvittavat konstellaatiot eivät ole tyypillisesti geometrisesti symmetrisiä, Gray-kuvaus ei ole yleensä mahdollinen.Lisäksi erilaiset kuvausmenetelmät voivat johtaa täysin erilaisiin bittivirhesuhteisiin. Tästä johtuen työssä esitetään uusi kuvausalgoritmi (modified bit switching algorithm), joka minimoi keskimääräisen bittivirhetodennäköisyyden ylärajan. Simulointitulokset osoittavat, että työssä kehitetyt konstellaatiot antavat paremman suorituskyvyn turbokoodatuissa järjestelmissä kuin perinteiset konstellaatiot. Työssä tarkastellaan myös lineaarista esikoodausta yksinkertaisena, alioptimaalisena vaihtoehtona uusille konstellaatioille. Esikoodauksen suunnittelussa käytetään samaa kriteeriä kuin konstellaatioiden kehityksessä eli rajanopeutta. Lineaarinen esikooderi löydetään numeerisesti maksimoimalla rajanopeus kun rajoitusehtona on lähetysteho. Esikoodausmatriisi hajotetaan singulaariarvohajotelmaa käyttäen esisuodatus, tehoallokaatio ja keilanmuodostusmatriiseiksi, jonka havaitaan vastaavan lähetyskorrelaatiomatriisin ominaisvektoreita. Tehoallokaatiomatriisi ratkaistaan numeerisesti käyttäen difference of convex functions -optimointia ja esisuodatusmatriisi optimoinnilla unitaarista rajoitusehtoa käyttäen. Simulaatiotulokset osoittavat uusien esikoodereiden tarjoavan merkittävän suorituskykyedun sellaisiin rajanopeusoptimoituihin osittain koherentteihin konstellaatioihin nähden, jotka eivät käytä esikoodausta.