Bastien Pasdeloup, Dominique Pastor, Gregoire Mercier, Michael G. Rabbat, Vincent Gripon, Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance ( Lab-STICC ), École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques ( IBNM ), Université de Brest ( UBO ) -Université européenne de Bretagne ( UEB ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Département Signal et Communications ( SC ), IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire ( IMT Atlantique ), Département Electronique ( ELEC ), École Nationale d'Ingénieurs de Brest ( ENIB ) -Université de Bretagne Sud ( UBS ) -Université de Brest ( UBO ) -ENSTA Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Bretagne Loire ( UBL ) -IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire ( IMT Atlantique ), Lab-STICC_TB_CACS_IAS, Département lmage et Traitement Information ( ITI ), McGill University, Département Electronique (IMT Atlantique - ELEC), IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Lab-STICC_IMTA_CACS_IAS, Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Département Image et Traitement Information (ITI), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Département Signal et Communications (SC), Department of Electrical and Computer Engineering [Montréal], McGill University = Université McGill [Montréal, Canada], École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département Signal et Communications (IMT Atlantique - SC), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL), and Département lmage et Traitement Information (IMT Atlantique - ITI)
Many tools from the field of graph signal processing exploit knowledge of the underlying graph's structure (e.g., as encoded in the Laplacian matrix) to process signals on the graph. Therefore, in the case when no graph is available, graph signal processing tools cannot be used anymore. Researchers have proposed approaches to infer a graph topology from observations of signals on its nodes. Since the problem is ill-posed, these approaches make assumptions, such as smoothness of the signals on the graph, or sparsity priors. In this paper, we propose a characterization of the space of valid graphs, in the sense that they can explain stationary signals. To simplify the exposition in this paper, we focus here on the case where signals were i.i.d. at some point back in time and were observed after diffusion on a graph. We show that the set of graphs verifying this assumption has a strong connection with the eigenvectors of the covariance matrix, and forms a convex set. Along with a theoretical study in which these eigenvectors are assumed to be known, we consider the practical case when the observations are noisy, and experimentally observe how fast the set of valid graphs converges to the set obtained when the exact eigenvectors are known, as the number of observations grows. To illustrate how this characterization can be used for graph recovery, we present two methods for selecting a particular point in this set under chosen criteria, namely graph simplicity and sparsity. Additionally, we introduce a measure to evaluate how much a graph is adapted to signals under a stationarity assumption. Finally, we evaluate how state-of-the-art methods relate to this framework through experiments on a dataset of temperatures., Submitted to IEEE Transactions on Signal and Information Processing over Networks