University of Oulu

An efficient entropy estimation approach

Saved in:
Author: Paavola, Marko
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Process and Environmental Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.5 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514295935
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-11-01
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Technology of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (Auditorium YB210), Linnanmaa, on 11 November 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Kauko Leiviskä
Reviewer: Professor Yrjö Hiltunen
Doctor Jean-Peter Ylén
Description:

Abstract

Advances in miniaturisation have led to the development of new wireless measurement technologies such as wireless sensor networks (WSNs). A WSN consists of low cost nodes, which are battery-operated devices, capable of sensing the environment, transmitting and receiving, and computing. While a WSN has several advantages, including cost-effectiveness and easy installation, the nodes suffer from small memory, low computing power, small bandwidth and limited energy supply. In order to cope with restrictions on resources, data processing methods should be as efficient as possible. As a result, high quality approximates are preferred instead of accurate answers.

The aim of this thesis was to propose an efficient entropy approximation method for resource-constrained environments. Specifically, the algorithm should use a small, constant amount of memory, and have certain accuracy and low computational demand.

The performance of the proposed algorithm was evaluated experimentally with three case studies. The first study focused on the online monitoring of WSN communications performance in an industrial environment. The monitoring approach was based on the observation that entropy could be applied to assess the impact of interferences on time-delay variation of periodic tasks.

The main purpose of the additional two cases, depth of anaesthesia (DOA) –monitoring and benchmarking with simulated data sets was to provide additional evidence on the general applicability of the proposed method. Moreover, in case of DOA-monitoring, an efficient entropy approximation could assist in the development of handheld devices or processing large amount of online data from different channels simultaneously.

The initial results from the communication and DOA monitoring applications as well as from simulations were encouraging. Therefore, based on the case studies, the proposed method was able to meet the stated requirements. Since entropy is a widely used quantity, the method is also expected to have a variety of applications in measurement systems with similar requirements.


Tiivistelmä

Mekaanisten- ja puolijohdekomponenttien pienentyminen on mahdollistanut uusien mittaustekniikoiden, kuten langattomien anturiverkkojen kehittämisen. Anturiverkot koostuvat halvoista, paristokäyttöisistä solmuista, jotka pystyvät mittaamaan ympäristöään sekä käsittelemään, lähettämään ja vastaanottamaan tietoja. Anturiverkkojen etuja ovat kustannustehokkuus ja helppo käyttöönotto, rajoitteina puolestaan vähäinen muisti- ja tiedonsiirtokapasiteetti, alhainen laskentateho ja rajoitettu energiavarasto. Näiden rajoitteiden vuoksi solmuissa käytettävien laskentamenetelmien tulee olla mahdollisimman tehokkaita.

Tämän työn tavoitteena oli esittää tehokas entropian laskentamenetelmä resursseiltaan rajoitettuihin ympäristöihin. Algoritmin vaadittiin olevan riittävän tarkka, muistinkulutukseltaan pieni ja vakiosuuruinen sekä laskennallisesti tehokas.

Työssä kehitetyn menetelmän suorituskykyä tutkittiin sovellusesimerkkien avulla. Ensimmäisessä tapauksessa perehdyttiin anturiverkon viestiyhteyksien reaaliaikaiseen valvontaan. Lähestymistavan taustalla oli aiempi tutkimus, jonka perusteella entropian avulla voidaan havainnoida häiriöiden vaikutusta viestien viiveiden vaihteluun.

Muiden sovellusesimerkkien, anestesian syvyysindikaattorin ja simulaatiokokeiden, päätavoite oli tutkia menetelmän yleistettävyyttä. Erityisesti anestesian syvyyden seurannassa menetelmän arvioitiin voivan olla lisäksi hyödyksi langattomien, käsikäyttöisten syvyysmittareiden kehittämisessä ja suurten mittausmäärien reaaliaikaisessa käsittelyssä.

Alustavat tulokset langattoman verkon yhteyksien ja anestesian syvyyden valvonnasta sekä simuloinneista olivat lupaavia. Sovellusesimerkkien perusteella esitetty algoritmi kykeni vastaamaan asetettuihin vaatimuksiin. Koska entropia on laajalti käytetty suure, menetelmä saattaa soveltua useisiin mittausympäristöihin, joissa on samankaltaisia vaatimuksia.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-951-42-9593-5
ISBN Print: 978-951-42-9592-8
Issue: 394
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.