Time-Reversal Massive Multipath Effect and Bandwidth Heterogeneity

The proliferation of new mobile communication devices, such as smartphones and tablets, has led to an exponential growth in network traffic. The demand for supporting the fast-growing consumer data rates urges the wireless service providers and researchers to seek a new efficient radio access technology, which is the so-called 5G technology, beyond what current 4G LTE can provide. On the other hand, ubiquitous RFID tags, sensors, actuators, mobile phones and etc. cut across many areas of modern-day living, which offers the ability to measure, infer and understand the environmental indicators. The proliferation of these devices creates the term of the Internet of Things (IoT). For the researchers and engineers in the field of wireless communication, the exploration of new effective techniques to support 5G communication and the IoT becomes an urgent task, which not only leads to fruitful research but also enhance the quality of our everyday life. Massive MIMO, which has shown the great potential in improving the achievable rate with a very large number of antennas, has become a popular candidate. However, the requirement of deploying a large number of antennas at the base station may not be feasible in indoor scenarios. Does there exist a good alternative that can achieve similar system performance to massive MIMO for indoor environment? In this dissertation, we address this question by proposing the time-reversal technique as a counterpart of massive MIMO in indoor scenario with the massive multipath effect. It is well known that radio signals will experience many multipaths due to the reflection from various scatters, especially in indoor environments. The traditional TR waveform is able to create a focusing effect at the intended receiver with very low transmitter complexity in a severe multipath channel. TR's focusing effect is in essence a spatial-temporal resonance effect that brings all the multipaths to arrive at a particular location at a specific moment. We show that by using time-reversal signal processing, with a sufficiently large bandwidth, one can harvest the massive multipaths naturally existing in a rich-scattering environment to form a large number of virtual antennas and achieve the desired massive multipath effect with a single antenna. Further, we explore the optimal bandwidth for TR system to achieve maximal spectral efficiency. Through evaluating the spectral efficiency, the optimal bandwidth for TR system is found determined by the system parameters, e.g., the number of users and backoff factor, instead of the waveform types. Moreover, we investigate the tradeoff between complexity and performance through establishing a generalized relationship between the system performance and waveform quantization in a practical communication system. It is shown that a 4-bit quantized waveforms can be used to achieve the similar bit-error-rate compared to the TR system with perfect precision waveforms. Besides 5G technology, Internet of Things (IoT) is another terminology that recently attracts more and more attention from both academia and industry. In the second part of this dissertation, the heterogeneity issue within the IoT is explored. One of the significant heterogeneity considering the massive amount of devices in the IoT is the device heterogeneity, i.e., the heterogeneous bandwidths and associated radio-frequency (RF) components. The traditional middleware techniques result in the fragmentation of the whole network, hampering the objects interoperability and slowing down the development of a unified reference model for the IoT. We propose a novel TR-based heterogeneous system, which can address the bandwidth heterogeneity and maintain the benefit of TR at the same time. The increase of complexity in the proposed system lies in the digital processing at the access point (AP), instead of at the devices' ends, which can be easily handled with more powerful digital signal processor (DSP). Meanwhile, the complexity of the terminal devices stays low and therefore satisfies the low-complexity and scalability requirement of the IoT. Since there is no middleware in the proposed scheme and the additional physical layer complexity concentrates on the AP side, the proposed heterogeneous TR system better satisfies the low-complexity and energy-efficiency requirement for the terminal devices (TDs) compared with the middleware approach.

A medida e as escalas de avaliação da saúde das populações neonatais e pediátricas : estudo de simulação de Monte Carlo com variáveis ordinais

A investigação na área da saúde e a utilização dos seus resultados tem funcionado como base para a melhoria da qualidade de cuidados, exigindo dos profissionais de saúde conhecimentos na área específica onde desempenham funções, conhecimentos em metodologia de investigação que incluam as técnicas de observação, técnicas de recolha e análise de dados, para mais facilmente serem leitores capacitados dos resultados da investigação. Os profissionais de saúde são observadores privilegiados das respostas humanas à saúde e à doença, podendo contribuir para o desenvolvimento e bem-estar dos indivíduos muitas vezes em situações de grande vulnerabilidade. Em saúde infantil e pediatria o enfoque está nos cuidados centrados na família privilegiando-se o desenvolvimento harmonioso da criança e jovem, valorizando os resultados mensuráveis em saúde que permitam determinar a eficácia das intervenções e a qualidade de saúde e de vida. No contexto pediátrico realçamos as práticas baseadas na evidência, a importância atribuída à pesquisa e à aplicação dos resultados da investigação nas práticas clínicas, assim como o desenvolvimento de instrumentos de mensuração padronizados, nomeadamente as escalas de avaliação, de ampla utilização clínica, que facilitam a apreciação e avaliação do desenvolvimento e da saúde das crianças e jovens e resultem em ganhos em saúde. A observação de forma sistematizada das populações neonatais e pediátricas com escalas de avaliação tem vindo a aumentar, o que tem permitido um maior equilíbrio na avaliação das crianças e também uma observação baseada na teoria e nos resultados da investigação. Alguns destes aspetos serviram de base ao desenvolvimento deste trabalho que pretende dar resposta a 3 objetivos fundamentais. Para dar resposta ao primeiro objetivo, “Identificar na literatura científica, os testes estatísticos mais frequentemente utilizados pelos investigadores da área da saúde infantil e pediatria quando usam escalas de avaliação” foi feita uma revisão sistemática da literatura, que tinha como objetivo analisar artigos científicos cujos instrumentos de recolha de dados fossem escalas de avaliação, na área da saúde da criança e jovem, desenvolvidas com variáveis ordinais, e identificar os testes estatísticos aplicados com estas variáveis. A análise exploratória dos artigos permitiu-nos verificar que os investigadores utilizam diferentes instrumentos com diferentes formatos de medida ordinal (com 3, 4, 5, 7, 10 pontos) e tanto aplicam testes paramétricos como não paramétricos, ou os dois em simultâneo, com este tipo de variáveis, seja qual for a dimensão da amostra. A descrição da metodologia nem sempre explicita se são cumpridas as assunções dos testes. Os artigos consultados nem sempre fazem referência à distribuição de frequência das variáveis (simetria/assimetria) nem à magnitude das correlações entre os itens. A leitura desta bibliografia serviu de suporte à elaboração de dois artigos, um de revisão sistemática da literatura e outro de reflexão teórica. Apesar de terem sido encontradas algumas respostas às dúvidas com que os investigadores e os profissionais, que trabalham com estes instrumentos, se deparam, verifica-se a necessidade de desenvolver estudos de simulação que confirmem algumas situações reais e alguma teoria já existente, e trabalhem outros aspetos nos quais se possam enquadrar os cenários reais de forma a facilitar a tomada de decisão dos investigadores e clínicos que utilizam escalas de avaliação. Para dar resposta ao segundo objetivo “Comparar a performance, em termos de potência e probabilidade de erro de tipo I, das 4 estatísticas da MANOVA paramétrica com 2 estatísticas da MANOVA não paramétrica quando se utilizam variáveis ordinais correlacionadas, geradas aleatoriamente”, desenvolvemos um estudo de simulação, através do Método de Monte Carlo, efetuado no Software R. O delineamento do estudo de simulação incluiu um vetor com 3 variáveis dependentes, uma variável independente (fator com três grupos), escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5, e 7 pontos, diferentes probabilidades marginais (p1 para distribuição simétrica, p2 para distribuição assimétrica positiva, p3 para distribuição assimétrica negativa e p4 para distribuição uniforme) em cada um dos três grupos, correlações de baixa, média e elevada magnitude (r=0.10, r=0.40, r=0.70, respetivamente), e seis dimensões de amostras (n=30, 60, 90, 120, 240, 300). A análise dos resultados permitiu dizer que a maior raiz de Roy foi a estatística que apresentou estimativas de probabilidade de erro de tipo I e de potência de teste mais elevadas. A potência dos testes apresenta comportamentos diferentes, dependendo da distribuição de frequência da resposta aos itens, da magnitude das correlações entre itens, da dimensão da amostra e do formato de medida da escala. Tendo por base a distribuição de frequência, considerámos três situações distintas: a primeira (com probabilidades marginais p1,p1,p4 e p4,p4,p1) em que as estimativas da potência eram muito baixas, nos diferentes cenários; a segunda situação (com probabilidades marginais p2,p3,p4; p1,p2,p3 e p2,p2,p3) em que a magnitude das potências é elevada, nas amostras com dimensão superior ou igual a 60 observações e nas escalas com 3, 4,5 pontos e potências de magnitude menos elevada nas escalas com 7 pontos, mas com a mesma ma magnitude nas amostras com dimensão igual a 120 observações, seja qual for o cenário; a terceira situação (com probabilidades marginais p1,p1,p2; p1,p2,p4; p2,p2,p1; p4,p4,p2 e p2,p2,p4) em que quanto maiores, a intensidade das correlações entre itens e o número de pontos da escala, e menor a dimensão das amostras, menor a potência dos testes, sendo o lambda de Wilks aplicado às ordens mais potente do que todas as outra s estatísticas da MANOVA, com valores imediatamente a seguir à maior raiz de Roy. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com dimensão superior a 90 observações (com correlações de baixa e média magnitude), entre as variáveis dependentes nas escalas com 3, 4 e 5 pontos; e superiores a 240 observações, para correlações de baixa intensidade, nas escalas com 7 pontos. No estudo de simulação e tendo por base a distribuição de frequência, concluímos que na primeira situação de simulação e para os diferentes cenários, as potências são de baixa magnitude devido ao facto de a MANOVA não detetar diferenças entre grupos pela sua similaridade. Na segunda situação de simulação e para os diferentes cenários, a magnitude das potências é elevada em todos os cenários cuja dimensão da amostra seja superior a 60 observações, pelo que é possível aplicar testes paramétricos. Na terceira situação de simulação, e para os diferentes cenários quanto menor a dimensão da amostra e mais elevada a intensidade das correlações e o número de pontos da escala, menor a potência dos testes, sendo a magnitude das potências mais elevadas no teste de Wilks aplicado às ordens, seguido do traço de Pillai aplicado às ordens. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com maior dimensão e correlações de baixa e média magnitude. Para dar resposta ao terceiro objetivo “Enquadrar os resultados da aplicação da MANOVA paramétrica e da MANOVA não paramétrica a dados reais provenientes de escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5 e 7 pontos, nos resultados do estudo de simulação estatística” utilizaram-se dados reais que emergiram da observação de recém-nascidos com a escala de avaliação das competências para a alimentação oral, Early Feeding Skills (EFS), o risco de lesões da pele, com a Neonatal Skin Risk Assessment Scale (NSRAS), e a avaliação da independência funcional em crianças e jovens com espinha bífida, com a Functional Independence Measure (FIM). Para fazer a análise destas escalas foram realizadas 4 aplicações práticas que se enquadrassem nos cenários do estudo de simulação. A idade, o peso, e o nível de lesão medular foram as variáveis independentes escolhidas para selecionar os grupos, sendo os recém-nascidos agrupados por “classes de idade gestacional” e por “classes de peso” as crianças e jovens com espinha bífida por “classes etárias” e “níveis de lesão medular”. Verificou-se um bom enquadramento dos resultados com dados reais no estudo de simulação.

Development of a novel platform for high-throughput gene design and artificial gene synthesis to produce large libraries of recombinant venom peptides for drug discovery

Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias na Especialidade de Ciências Biológicas e Biomédicas

Using dysphonic voice to characterize speaker's biometry

Phonation distortion leaves relevant marks in a speaker's biometric profile. Dysphonic voice production may be used for biometrical speaker characterization. In the present paper phonation features derived from the glottal source (GS) parameterization, after vocal tract inversion, is proposed for dysphonic voice characterization in Speaker Verification tasks. The glottal source derived parameters are matched in a forensic evaluation framework defining a distance-based metric specification. The phonation segments used in the study are derived from fillers, long vowels, and other phonation segments produced in spontaneous telephone conversations. Phonated segments from a telephonic database of 100 male Spanish native speakers are combined in a 10-fold cross-validation task to produce the set of quality measurements outlined in the paper. Shimmer, mucosal wave correlate, vocal fold cover biomechanical parameter unbalance and a subset of the GS cepstral profile produce accuracy rates as high as 99.57 for a wide threshold interval (62.08-75.04%). An Equal Error Rate of 0.64 % can be granted. The proposed metric framework is shown to behave more fairly than classical likelihood ratios in supporting the hypothesis of the defense vs that of the prosecution, thus ofering a more reliable evaluation scoring. Possible applications are Speaker Verification and Dysphonic Voice Grading.

Comparison of Computer-Based and Optical Face Recognition Paradigms

The main objectives of this thesis are to validate an improved principal components analysis (IPCA) algorithm on images; designing and simulating a digital model for image compression, face recognition and image detection by using a principal components analysis (PCA) algorithm and the IPCA algorithm; designing and simulating an optical model for face recognition and object detection by using the joint transform correlator (JTC); establishing detection and recognition thresholds for each model; comparing between the performance of the PCA algorithm and the performance of the IPCA algorithm in compression, recognition and, detection; and comparing between the performance of the digital model and the performance of the optical model in recognition and detection. The MATLAB © software was used for simulating the models. PCA is a technique used for identifying patterns in data and representing the data in order to highlight any similarities or differences. The identification of patterns in data of high dimensions (more than three dimensions) is too difficult because the graphical representation of data is impossible. Therefore, PCA is a powerful method for analyzing data. IPCA is another statistical tool for identifying patterns in data. It uses information theory for improving PCA. The joint transform correlator (JTC) is an optical correlator used for synthesizing a frequency plane filter for coherent optical systems. The IPCA algorithm, in general, behaves better than the PCA algorithm in the most of the applications. It is better than the PCA algorithm in image compression because it obtains higher compression, more accurate reconstruction, and faster processing speed with acceptable errors; in addition, it is better than the PCA algorithm in real-time image detection due to the fact that it achieves the smallest error rate as well as remarkable speed. On the other hand, the PCA algorithm performs better than the IPCA algorithm in face recognition because it offers an acceptable error rate, easy calculation, and a reasonable speed. Finally, in detection and recognition, the performance of the digital model is better than the performance of the optical model.

Conversação homem-máquina. Caracterização e avaliação do estado actual das soluções de speech recognition, speech synthesis e sistemas de conversação homem-máquina

A comunicação verbal humana é realizada em dois sentidos, existindo uma compreensão de ambas as partes que resulta em determinadas considerações. Este tipo de comunicação, também chamada de diálogo, para além de agentes humanos pode ser constituído por agentes humanos e máquinas. A interação entre o Homem e máquinas, através de linguagem natural, desempenha um papel importante na melhoria da comunicação entre ambos. Com o objetivo de perceber melhor a comunicação entre Homem e máquina este documento apresenta vários conhecimentos sobre sistemas de conversação Homemmáquina, entre os quais, os seus módulos e funcionamento, estratégias de diálogo e desafios a ter em conta na sua implementação. Para além disso, são ainda apresentados vários sistemas de Speech Recognition, Speech Synthesis e sistemas que usam conversação Homem-máquina. Por último são feitos testes de performance sobre alguns sistemas de Speech Recognition e de forma a colocar em prática alguns conceitos apresentados neste trabalho, é apresentado a implementação de um sistema de conversação Homem-máquina. Sobre este trabalho várias ilações foram obtidas, entre as quais, a alta complexidade dos sistemas de conversação Homem-máquina, a baixa performance no reconhecimento de voz em ambientes com ruído e as barreiras que se podem encontrar na implementação destes sistemas.

Improving Bangla ocr output through correction algorithms

Bangla OCR (Optical Character Recognition) is a long deserving software for Bengali community all over the world. Numerous e efforts suggest that due to the inherent complex nature of Bangla alphabet and its word formation process development of high fidelity OCR producing a reasonably acceptable output still remains a challenge. One possible way of improvement is by using post processing of OCR’s output; algorithms such as Edit Distance and the use of n-grams statistical information have been used to rectify misspelled words in language processing. This work presents the first known approach to use these algorithms to replace misrecognized words produced by Bangla OCR. The assessment is made on a set of fifty documents written in Bangla script and uses a dictionary of 541,167 words. The proposed correction model can correct several words lowering the recognition error rate by 2.87% and 3.18% for the character based n- gram and edit distance algorithms respectively. The developed system suggests a list of 5 (five) alternatives for a misspelled word. It is found that in 33.82% cases, the correct word is the topmost suggestion of 5 words list for n-gram algorithm while using Edit distance algorithm the first word in the suggestion properly matches 36.31% of the cases. This work will ignite rooms of thoughts for possible improvements in character recognition endeavour.

Linear filtering methods for fixed rate quantisation with noisy symmetric error channels

This study considers linear filtering methods for minimising the end-to-end average distortion of a fixed-rate source quantisation system. For the source encoder, both scalar and vector quantisation are considered. The codebook index output by the encoder is sent over a noisy discrete memoryless channel whose statistics could be unknown at the transmitter. At the receiver, the code vector corresponding to the received index is passed through a linear receive filter, whose output is an estimate of the source instantiation. Under this setup, an approximate expression for the average weighted mean-square error (WMSE) between the source instantiation and the reconstructed vector at the receiver is derived using high-resolution quantisation theory. Also, a closed-form expression for the linear receive filter that minimises the approximate average WMSE is derived. The generality of framework developed is further demonstrated by theoretically analysing the performance of other adaptation techniques that can be employed when the channel statistics are available at the transmitter also, such as joint transmit-receive linear filtering and codebook scaling. Monte Carlo simulation results validate the theoretical expressions, and illustrate the improvement in the average distortion that can be obtained using linear filtering techniques.

A mode-shape classification technique for robust speech rate estimation and syllable nuclei detection

Acoustic feature based speech (syllable) rate estimation and syllable nuclei detection are important problems in automatic speech recognition (ASR), computer assisted language learning (CALL) and fluency analysis. A typical solution for both the problems consists of two stages. The first stage involves computing a short-time feature contour such that most of the peaks of the contour correspond to the syllabic nuclei. In the second stage, the peaks corresponding to the syllable nuclei are detected. In this work, instead of the peak detection, we perform a mode-shape classification, which is formulated as a supervised binary classification problem - mode-shapes representing the syllabic nuclei as one class and remaining as the other. We use the temporal correlation and selected sub-band correlation (TCSSBC) feature contour and the mode-shapes in the TCSSBC feature contour are converted into a set of feature vectors using an interpolation technique. A support vector machine classifier is used for the classification. Experiments are performed separately using Switchboard, TIMIT and CTIMIT corpora in a five-fold cross validation setup. The average correlation coefficients for the syllable rate estimation turn out to be 0.6761, 0.6928 and 0.3604 for three corpora respectively, which outperform those obtained by the best of the existing peak detection techniques. Similarly, the average F-scores (syllable level) for the syllable nuclei detection are 0.8917, 0.8200 and 0.7637 for three corpora respectively. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

The statistical properties of recreational catch rate data for some fish stocks off the northeast U.S. coast

Recreational fisheries in the waters off the northeast U.S. target a variety of pelagic and demersal fish species, and catch and effort data sampled from recreational fisheries are a critical component of the information used in resource evaluation and management. Standardized indices of stock abundance developed from recreational fishery catch rates are routinely used in stock assessments. The statistical properties of both simulated and empirical recreational fishery catch-rate data such as those collected by the National Marine Fisheries Service (NMFS) Marine Recreational Fishery Statistics Survey (MRFSS) are examined, and the potential effects of different assumptions about the error structure of the catch-rate frequency distributions in computing indices of stock abundance are evaluated. Recreational fishery catch distributions sampled by the MRFSS are highly contagious and overdispersed in relation to the normal distribution and are generally best characterized by the Poisson or negative binomial distributions. The modeling of both the simulated and empirical MRFSS catch rates indicates that one may draw erroneous conclusions about stock trends by assuming the wrong error distribution in procedures used to developed standardized indices of stock abundance. The results demonstrate the importance of considering not only the overall model fit and significance of classification effects, but also the possible effects of model misspecification, when determining the most appropriate model construction.