Transceiver designs and analysis for LTI, LTV and broadcast channels - new matrix decompositions and majorization theory

Signal processing techniques play important roles in the design of digital communication systems. These include information manipulation, transmitter signal processing, channel estimation, channel equalization and receiver signal processing. By interacting with communication theory and system implementing technologies, signal processing specialists develop efficient schemes for various communication problems by wisely exploiting various mathematical tools such as analysis, probability theory, matrix theory, optimization theory, and many others. In recent years, researchers realized that multiple-input multiple-output (MIMO) channel models are applicable to a wide range of different physical communications channels. Using the elegant matrix-vector notations, many MIMO transceiver (including the precoder and equalizer) design problems can be solved by matrix and optimization theory. Furthermore, the researchers showed that the majorization theory and matrix decompositions, such as singular value decomposition (SVD), geometric mean decomposition (GMD) and generalized triangular decomposition (GTD), provide unified frameworks for solving many of the point-to-point MIMO transceiver design problems.

In this thesis, we consider the transceiver design problems for linear time invariant (LTI) flat MIMO channels, linear time-varying narrowband MIMO channels, flat MIMO broadcast channels, and doubly selective scalar channels. Additionally, the channel estimation problem is also considered. The main contributions of this dissertation are the development of new matrix decompositions, and the uses of the matrix decompositions and majorization theory toward the practical transmit-receive scheme designs for transceiver optimization problems. Elegant solutions are obtained, novel transceiver structures are developed, ingenious algorithms are proposed, and performance analyses are derived.

The first part of the thesis focuses on transceiver design with LTI flat MIMO channels. We propose a novel matrix decomposition which decomposes a complex matrix as a product of several sets of semi-unitary matrices and upper triangular matrices in an iterative manner. The complexity of the new decomposition, generalized geometric mean decomposition (GGMD), is always less than or equal to that of geometric mean decomposition (GMD). The optimal GGMD parameters which yield the minimal complexity are derived. Based on the channel state information (CSI) at both the transmitter (CSIT) and receiver (CSIR), GGMD is used to design a butterfly structured decision feedback equalizer (DFE) MIMO transceiver which achieves the minimum average mean square error (MSE) under the total transmit power constraint. A novel iterative receiving detection algorithm for the specific receiver is also proposed. For the application to cyclic prefix (CP) systems in which the SVD of the equivalent channel matrix can be easily computed, the proposed GGMD transceiver has K/log_2(K) times complexity advantage over the GMD transceiver, where K is the number of data symbols per data block and is a power of 2. The performance analysis shows that the GGMD DFE transceiver can convert a MIMO channel into a set of parallel subchannels with the same bias and signal to interference plus noise ratios (SINRs). Hence, the average bit rate error (BER) is automatically minimized without the need for bit allocation. Moreover, the proposed transceiver can achieve the channel capacity simply by applying independent scalar Gaussian codes of the same rate at subchannels.

In the second part of the thesis, we focus on MIMO transceiver design for slowly time-varying MIMO channels with zero-forcing or MMSE criterion. Even though the GGMD/GMD DFE transceivers work for slowly time-varying MIMO channels by exploiting the instantaneous CSI at both ends, their performance is by no means optimal since the temporal diversity of the time-varying channels is not exploited. Based on the GTD, we develop space-time GTD (ST-GTD) for the decomposition of linear time-varying flat MIMO channels. Under the assumption that CSIT, CSIR and channel prediction are available, by using the proposed ST-GTD, we develop space-time geometric mean decomposition (ST-GMD) DFE transceivers under the zero-forcing or MMSE criterion. Under perfect channel prediction, the new system minimizes both the average MSE at the detector in each space-time (ST) block (which consists of several coherence blocks), and the average per ST-block BER in the moderate high SNR region. Moreover, the ST-GMD DFE transceiver designed under an MMSE criterion maximizes Gaussian mutual information over the equivalent channel seen by each ST-block. In general, the newly proposed transceivers perform better than the GGMD-based systems since the super-imposed temporal precoder is able to exploit the temporal diversity of time-varying channels. For practical applications, a novel ST-GTD based system which does not require channel prediction but shares the same asymptotic BER performance with the ST-GMD DFE transceiver is also proposed.

The third part of the thesis considers two quality of service (QoS) transceiver design problems for flat MIMO broadcast channels. The first one is the power minimization problem (min-power) with a total bitrate constraint and per-stream BER constraints. The second problem is the rate maximization problem (max-rate) with a total transmit power constraint and per-stream BER constraints. Exploiting a particular class of joint triangularization (JT), we are able to jointly optimize the bit allocation and the broadcast DFE transceiver for the min-power and max-rate problems. The resulting optimal designs are called the minimum power JT broadcast DFE transceiver (MPJT) and maximum rate JT broadcast DFE transceiver (MRJT), respectively. In addition to the optimal designs, two suboptimal designs based on QR decomposition are proposed. They are realizable for arbitrary number of users.

Finally, we investigate the design of a discrete Fourier transform (DFT) modulated filterbank transceiver (DFT-FBT) with LTV scalar channels. For both cases with known LTV channels and unknown wide sense stationary uncorrelated scattering (WSSUS) statistical channels, we show how to optimize the transmitting and receiving prototypes of a DFT-FBT such that the SINR at the receiver is maximized. Also, a novel pilot-aided subspace channel estimation algorithm is proposed for the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with quasi-stationary multi-path Rayleigh fading channels. Using the concept of a difference co-array, the new technique can construct M^2 co-pilots from M physical pilot tones with alternating pilot placement. Subspace methods, such as MUSIC and ESPRIT, can be used to estimate the multipath delays and the number of identifiable paths is up to O(M^2), theoretically. With the delay information, a MMSE estimator for frequency response is derived. It is shown through simulations that the proposed method outperforms the conventional subspace channel estimator when the number of multipaths is greater than or equal to the number of physical pilots minus one.

Computational design of self-assembling proteins and protein-DNA nanowires

Computational protein design (CPD) is a burgeoning field that uses a physical-chemical or knowledge-based scoring function to create protein variants with new or improved properties. This exciting approach has recently been used to generate proteins with entirely new functions, ones that are not observed in naturally occurring proteins. For example, several enzymes were designed to catalyze reactions that are not in the repertoire of any known natural enzyme. In these designs, novel catalytic activity was built de novo (from scratch) into a previously inert protein scaffold. In addition to de novo enzyme design, the computational design of protein-protein interactions can also be used to create novel functionality, such as neutralization of influenza. Our goal here was to design a protein that can self-assemble with DNA into nanowires. We used computational tools to homodimerize a transcription factor that binds a specific sequence of double-stranded DNA. We arranged the protein-protein and protein-DNA binding sites so that the self-assembly could occur in a linear fashion to generate nanowires. Upon mixing our designed protein homodimer with the double-stranded DNA, the molecules immediately self-assembled into nanowires. This nanowire topology was confirmed using atomic force microscopy. Co-crystal structure showed that the nanowire is assembled via the desired interactions. To the best of our knowledge, this is the first example of a protein-DNA self-assembly that does not rely on covalent interactions. We anticipate that this new material will stimulate further interest in the development of advanced biomaterials.

2.0 funtsezko tresna bezala informazioaren kudeaketan

[EU]Ezagutzaren gizartean aurkitzen gara eta informazioak enpresa munduan hartu duen garrantziak garapen berriak ekarri ditu bai ikerketan bai informazio eta komunikazio teknologietan (IKT). Beraz, enpresek informazioa era sistematiko batean kudeatu beharra dute ez badute lehiakortasuna galdu nahi. Egoera honetan, zaintza teknologikoak paper garrantzitsu bat betetzen du informazioa lortzeaz, gordetzeaz eta transmititzeaz arduratzen den sistema baita. Baina sistema honen irispena mugatuta egongo da erabiltzen diren baliabideengatik. Gainera, muga hori garrantzi handiagoa hartzen du ETEtan, Euskal Herriko ekonomia-ehunaren oinarria, non baliabideak minimoak diren eta enpresa handiagoekin lehiatu behar diren. Egoera honi aurre egiteko, 2.0 tresnak aurkezten dira, zaintza teknologikorako baliagarriak diren tresnak, kostu eta denbora minimoak eskatzen dituztenak. Horrela, lan hau Euskal Herriko ETEtan zaintza teknologikoaren egoera aztertzera eta bere beharretara egokitzen diren soluzio teknologikoak planteatzera zuzenduta joango da, 2.0 tresnak oinarri moduan daudela.

Frame-level features conveying phonetic information for language and speaker recognition

150 p.

Uso de ambientes virtuais para a simulação de acidentes radiológicos

Em um ambiente virtual, construído com o uso de tecnologia computacional, encontram-se presentes entidades virtuais inseridas em um espaço tridimensional, que é utilizado para a simulação de processos críticos, como os acidentes radiológicos. A pronta detecção de um acidente radiológico e a determinação da sua possível extensão são fatores essenciais para o planejamento de respostas imediatas e de ações de emergência. A integração das representações georeferenciadas do espaço tridimensional, com modelos baseados em agentes autônomos, com o objetivo de construir ambientes virtuais que tenham a capacidade de simular acidentes radiológicos é a proposta dessa tese. As representações georeferenciadas do espaço tridimensional candidatas são: i)as representações espaciais usadas nos sistemas de informações geográficas (SIG) e ii) a representação adotada pelo Google MapsTM. Com o uso deste ambiente pode-se: quantificar as doses recebidas pelas pessoas; ter uma distribuição espacial das pessoas contaminadas; estimar o número de indivíduos contaminados; estimar o impacto na rede de saúde; estimar impactos ambientais; gerar zonas de exclusão; construir cenários alternativos; treinar pessoal técnico para lidar com acidentes radiológicos.

A língua portuguesa no vestibular: ensino, leitura e conhecimento prévio

Esta tese objetiva a análise de provas discursivas de Língua Portuguesa de vestibulares, na perspectiva da leitura, focando a compreensão de texto, suas estratégias e os conhecimentos prévios necessários ao egresso do Ensino Médio. São analisadas as provas discursivas de Língua Portuguesa da UERJ, UNIRIO, UFF e UFRJ, realizadas nos vestibulares 2006, 2007 e 2008. Parte-se das seguintes hipóteses: as provas solicitam conhecimentos prévios baseados nos programas, habilidades e competências a serem desenvolvidos no nível médio; a dificuldade apresentada na realização das questões está relacionada não só ao conhecimento disciplinar de língua portuguesa, mas também à capacidade/estratégia de leitura dos enunciados e à dificuldade de seleção e interação de diferentes conhecimentos específicos relacionados ao seu uso pragmático. A partir de tais hipóteses, propõem-se os seguintes objetivos: levantar os conhecimentos específicos relativos ao ensino de língua portuguesa; compreender a relação do processo de leitura na ativação do conhecimento prévio; relacionar o processo de avaliação do vestibular ao contexto da educação básica; buscar explicação para as questões com nota média baixa. Para atingir os objetivos, contextualiza-se o ensino de Língua Portuguesa no Ensino Médio; aborda-se a leitura, no viés da compreensão de texto, focalizando principalmente conhecimentos prévios e inferências; faz-se uma breve história do vestibular, seus objetivos e seu papel; a seguir, analisam-se as provas indicadas, levantando-se conhecimento prévio, habilidades e competências envolvidas no processo de compreensão de texto. As principais conclusões são: as questões das provas analisadas estão de acordo com os programas publicados pelas universidades e com os PCNs; o nível de exigência é graduado, conforme as competências e habilidades variadas; o conhecimento prévio organizado e esquematizado é fundamental para a realização de inferências adequadas

A narrativa na e sobre a clínica na atenção primária: uma reflexão sobre o modo pensar e agir dirigido ao diálogo, à integralidade e ao cuidado em saúde

A incorporação do sujeito que adoece e suas expectativas de cuidado é um apelo que acompanha as propostas de mudança da prática clínica no campo da APS. Esta perspectiva implica em um novo modo de ver o processo de adoecimento que procura romper com o reducionismo biomédico onde a clínica e sua ação são, praticamente, independentes do discurso do paciente. Este trabalho usou a narrativa, aplicada como uma ferramenta conceitual e prática na clínica na APS, para investigar as possibilidades de ampliar o universo discursivo e interpretativo, isto é, a competência narrativa do médico, para além de um modelo biomédico restritivo. Foi realizada uma busca, não sistemática, na literatura médica e de ciências sociais procurando identificar os aspectos conceituais, significados e perspectivas que podem ser assumidos para substantivar a narrativa como um conceito/idéia e suas possíveis interfaces e aplicações na clínica. Esta apropriação da narrativa instrumentalizou a observação participante nos módulos do Programa Médico de Família de Niterói, assim como a realização e análise dos resultados de entrevistas semi-estruturadas com seus médicos. Observou-se que a formação da identidade e da legitimidade profissionais do médico de família é dirigida, principalmente, pelo arranjo organizacional promovido pelo modelo de atenção e não pelo desenvolvimento de um saber que o diferencie e qualifique. Identificou-se que as capacidades dialógicas desenvolvidas nas experiências com a clínica na APS eram compreendidas e assumidas pelos médicos como habilidades pessoais e/ou como aspectos morais. Percebeu-se que este modo de pensar dá margem a uma tensão, externada por um discurso ambíguo e fragmentado, entre a proximidade, o vínculo e o diálogo com o paciente e a estruturação do saber e da prática clínica. A limitação dos médicos em incorporar novos saberes a partir de suas vivências, associada à forma como a racionalidade biomédica dirige a clínica, se constituem como obstáculos epistemológicos e práticos para a ampliação da competência narrativa e interpretativa médica. Estas são condições que dificultam o desenvolvimento de um estilo de pensamento médico que reflita, desenvolva e integre o saber prático e os saberes não biomédicos como algo legítimo, sistematizável, avaliável e reprodutível no âmbito da clínica.

Um estudo sobre a construção do diagnóstico de autismo nas comunidades da rede de relacionamento do Orkut no Brasil

O processo de construção de diagnósticos na contemporaneidade vem sofrendo modificações, constituindo novo foco de trabalho no campo da sociologia médica. O surgimento de grupos de reivindicação de direitos de pacientes e familiares, no final do século XX, determina um novo elemento na criação de categorias diagnósticas. Ao divulgar conhecimento sobre a experiência do doente, e reivindicar tratamentos, esses grupos desafiam a noção de exclusividade do conhecimento médico sobre os diagnósticos. Nesse sentido, a Internet se mostra um terreno fértil de propagação de conhecimento e de mobilização social, tanto de contestação quanto de afirmação do saber médico. Este trabalho faz uma análise do conteúdo de seis comunidades brasileiras de autismo da rede de relacionamentos do Orkut. Alguns resultados são apresentados em relação à divulgação de modelos teóricos, conhecimento baseado no cotidiano de pacientes e formas de ativismo em saúde nessas comunidades virtuais.

Das convenções processuais no processo civil

A presente tese tem por objetivo a análise das convenções processuais entabuladas entre as partes antes ou depois de instaurada a relação jurídica processual. O enfoque da pesquisa são os limites e a eficácia dessas convenções, em respeito à ordem pública processual. São analisados ordenamentos jurídicos estrangeiros e, posteriormente, o tratamento que a legislação brasileira confere ao tema. Outro ponto da pesquisa é a influência das ideologias publicista e privatista no processo civil. Por fim, são examinados o modelo de flexibilização procedimental por calendário e o tratamento dado pelo projeto de novo Código de Processo Civil.

Uma técnica híbrida para geração de rotas em espaço geográfico com obstáculos.

Este trabalho está inserido no campo da Geomática e se concentra, mais especificamente, no estudo de métodos para exploração e seleção de rotas em espaços geográficos sem delimitação prévia de vias trafegáveis. As atividades que poderiam se beneficiar de estudos desse tipo estão inseridas em áreas da engenharia, logística e robótica. Buscou-se, com as pesquisas realizadas nesse trabalho, elaborar um modelo computacional capaz de consultar as informações de um terreno, explorar uma grande quantidade de rotas viáveis e selecionar aquelas rotas que oferecessem as melhores condições de trajetória entre dois pontos de um mapa. Foi construído um sistema a partir do modelo computacional proposto para validar sua eficiência e aplicabilidade em diferentes casos de estudo. Para que esse sistema fosse construído, foram combinados conceitos de sistemas baseados em agentes, lógica nebulosa e planejamento de rotas em robótica. As informações de um terreno foram organizadas, consumidas e apresentadas pelo sistema criado, utilizando mapas digitais. Todas as funcionalidades do sistema foram construídas por meio de software livre. Como resultado, esse trabalho de pesquisa disponibiliza um sistema eficiente para o estudo, o planejamento ou a simulação de rotas sobre mapas digitais, a partir de um módulo de inferência nebuloso aplicado à classificação de rotas e um módulo de exploração de rotas baseado em agentes autônomos. A perspectiva para futuras aplicações utilizando o modelo computacional apresentado nesse trabalho é bastante abrangente. Acredita-se que, a partir dos resultados alcançados, esse sistema possa ajudar a reduzir custos e automatizar equipamentos em diversas atividades humanas.

Spoken document representations for probabilistic retrieval

This paper presents some developments in query expansion and document representation of our spoken document retrieval system and shows how various retrieval techniques affect performance for different sets of transcriptions derived from a common speech source. Modifications of the document representation are used, which combine several techniques for query expansion, knowledge-based on one hand and statistics-based on the other. Taken together, these techniques can improve Average Precision by over 19% relative to a system similar to that which we presented at TREC-7. These new experiments have also confirmed that the degradation of Average Precision due to a word error rate (WER) of 25% is quite small (3.7% relative) and can be reduced to almost zero (0.2% relative). The overall improvement of the retrieval system can also be observed for seven different sets of transcriptions from different recognition engines with a WER ranging from 24.8% to 61.5%. We hope to repeat these experiments when larger document collections become available, in order to evaluate the scalability of these techniques.

Why do firms acquire external technologies? Understanding the motivations for technology acquisitions

Why do firms acquire external technologies? Previous research indicates that there are a wide variety of motivations. These include the need to acquire valuable knowledge-based resources, to improve strategic flexibility, to experiment), to overcome organisational inertia, to mitigate risk and uncertainty, to reduce costs and development time in new product development, and the perception that the firm has the absorptive capacity to integrate acquisitions. In this paper we provide an in-depth literature review of the motivations for the acquisition of external technologies by firms. We find that these motivations can be broadly classed into four categories: (1) the development of technological capabilities, (2) the development of strategic options, (3) efficiency improvements, and (4) responses to the competitive environment. In light of this categorisation, we comment on how these different motivations connect to the wider issues of technology acquisition. © 2010 IEEE.

The role of artificial intelligence as 'text' within design

The paper describes a new approach to artificial intelligence (AI) and its role in design. This approach argues that AI can be seen as 'text', or in other words as a medium for the communication of design knowledge and information between designers. This paper will apply these ideas to reinterpreting an existing knowledge-based system (KBS) design tool, that is, CADET - a product design evaluation tool. The paper will discuss the authorial issues, amongst others, involved in the development of AI and KBS design tools by adopting this new approach. Consequently, the designers' rights and responsibilities will be better understood as the knowledge medium, through its concern with authorship, returns control to users rather than attributing the system with agent status. © 1998 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.