PROPOSTA DE TEMA DE DISSERTAÇÃO/TESE DE MESTRADO/DOUTORADO

Universidade de Brasília

Programa de Pós-Graduação em Sistemas Mecatrônicos - PPMEC

Departamento de Engenharia Mecânica

PROPOSTA DE TEMA DE DISSERTAÇÃO/TESE DE

MESTRADO/DOUTORADO

NOME DO TEMA

Multi-dimensional Parameter Estimation Techniques for MIMO Communication Systems

LINHA DE PESQUISA (PROGRAMA)

Linha 1: Automação, Controle e Automação Linha 2: Sistemas Robóticos

Linha 3: Sistemas Embarcados e Sistemas Inteligentes Linha 4: Materiais Inteligentes e Materiais Funcionais Linha 5: Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos

ORIENTADOR/CO-ORIENTADOR

João Paulo Carvalho Lustosa da Costa

SUMÁRIO DA PROPOSTA

(Problema/Objetivo/Metodologia/Principais Etapas)

In several scientific fields, such as chemometrics, signal processing, wireless communications, bioengineering, fluid dynamics, the measured data may have a multi-dimensional structure. A natural fashion to deal with such multi-dimensional data is by using tensor calculus, and one primary benefit of its application can be exemplified by the high parameter estimation accuracy.

In MIMO communication systems, tensor calculus concepts are essential, since the data is oft composed of different dimensions, such as spatial dimensions at the transmitter and at the receiver, frequency dimension and time dimension. MIMO systems are a key solution for the future communications systems, since different information can be transmitted in the same frequency spectrum and time slot, but through different paths.

Objective:

The goal of this proposal is to develop multi-dimensional parameter estimation techniques and to apply them in MIMO measurements in order to estimate the channel and transmitted symbols, as well as, to extract the communication channel parameters. In this sense, the understanding of MIMO communication channels based on these parameters is fundamental to propose new wireless communication schemes.

Methodology:

The concepts on tensor calculus should be studied by the student, and, in parallel, state-of-the-art tensor based schemes for MIMO systems should be reviewed and implemented in MATLAB®_{. Next, advanced data models}

should be evaluated taking into account the several dimensions of the received data and of the communication channel. By exploiting the multidimensional structure of the data and of the channel, tensor based schemes should be proposed in order to better exploit these models, outperforming the state-of-the-art techniques. Measurements should also be performed using the antenna arrays based Universal Software Radio Peripherals (USRPs) validating the proposed solutions. The research results should be submitted to renowned IEEE conferences and journals. Main steps:

The study of techniques to find the amount of principal components, i.e., the total amount of parameters, is the first step for the parameter estimation and to exploit the multidimensional structure of the data. Once the total amount of parameters is correctly estimated, the parameters itself can be extracted from the measured data. Particularly, in our case, we are interested in estimating the transmitted symbols and the channel. Moreover, we also desire to extract the following parameters from the data: direction of departure, direction of arrival, time delay of arrival and Doppler shift. Although several approaches, such as Higher Order Singular Value Decomposition (HOSVD) and Parallel Factor Analysis (PARAFAC) decomposition, are applied, proposing new tensor models and new multi-dimensional techniques for the MIMO measurements are the major points of the proposal.

Additional information:

During the master´s course, the student will be supported to apply for the FAPDF call in order to obtain the financial support for a technical visit to the Ilmenau University of Technology (TU Ilmenau), in Germany. In case of a PhD student, the student will be supported to apply for a dual degree agreement in order to obtain the PhD title from UnB and from TU Ilmenau. Moreover, the student will be also supported to apply for the CAPES/CNPq/DAAD call

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for one year stay at the TU Ilmenau. In Figure 1, we exemplify a MIMO channel measurement campaign at TU Ilmenau, Germany.

For additional information about the proposal, please do not hesitate to contact Prof. da Costa by the email:

joaopaulo.dacosta@ene.unb.br.

Moreover, the candidate can check more information about the research on the homepage of the Laboratory of Array Signal Processing (LASP) [1] and also watch our youtube® _{channel [2] on the links below.}

[1] http://www.redes.unb.br/lasp/

[2] https://www.youtube.com/channel/UCQ6NCPuJQSo4CtMx4kUoabA

Figure 1. MIMO measurement campaign in Ilmenau

Apoio/Financiamento:

Requisitos mínimos/necessários:

Local e Data: .

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Aluno Orientador

APROVAÇÃO DA COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUÇÃO EM SISTEMAS MECATRÔNICOS

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Local e Data

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Coordenador

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PROPOSTA DE TEMA DE DISSERTAÇÃO/TESE DE

MESTRADO/DOUTORADO

NOME DO TEMA

Localização de veículos aéreos não tripulados por meio de radar passivo multi-estático usando técnicas híbridas de estimação da diferença do tempo de atraso e da diferença da frequência de atraso

LINHA DE PESQUISA (PROGRAMA)

Linha 1: Automação, Controle e Automação Linha 2: Sistemas Robóticos

Linha 3: Sistemas Embarcados e Sistemas Inteligentes Linha 4: Materiais Inteligentes e Materiais Funcionais Linha 5: Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos

ORIENTADOR/CO-ORIENTADOR

João Paulo Carvalho Lustosa da Costa

SUMÁRIO DA PROPOSTA

(Problema/Objetivo/Metodologia/Principais Etapas)

Atualmente existe um aumento significativo do uso de pequenos veículos aéreos não tripulados (VANT), tais sistemas sao considerados cada dia mais como uma ameaça a operação segura de aeroportos e à segurança de áreas sensíveis redes elétricas.

Objetivo:

O objetivo da pesquisa é modelar e estudar o uso de sistema de redes de sensores atuando como Radar Passivo Multi-Estático por meio da diferença do tempo de atraso (TDoA) e da diferença da frequência de atraso (FDoA) aliada à emissão de sinais conhecidos para detectar pequenos veículos aéreos não tripulados (VANTs) a uma distância de até 500 metros.

Motivação:

Detecção e localização de VANTs são tarefas complexas dado o tamanho e dada composição dos VANTs que pode ser de diversas partes de plástico. Além disso, os VANTs podem ser controlados com programas autômatos sem a necessidade de transmitirem sinal para a Base. Os sensores TDoA oferecem benefícios significativos no contexto de tamanho, peso e potência, que os tornam particularmente adequados a plataformas móveis. Além disso, as antenas são mais simples de serem integradas nos sensores e levam, na maioria dos casos, a uma solução menos volumosa. Neste sentido, a proposta visa o desenvolvimento de soluções baratas e de alta disponibilidade para proteger áreas e instalações sensíveis da presença de UAVs.

Metodologia:

Os conceitos de estimação de parâmetros em alta resolução usando técnicas tensoriais adaptativas devem ser estudados. Em uma segunda fase as técnicas de radares multi-estaticos serão revistas incluindo simulações e provas de conceito por meio de cenários simulados e algoritmos desenvolvidos em MATLAB. Após o estudo conceitual, um “setup” de testes será montado usando as USRP e os VANTs do Laboratório de Processamento de Sinais em Arranjos de Sensores (LASP). Com essa ferramenta de medição, o modelo de dados e a parametrização das simulações será feita, a fim de refinar os algoritmos de detecção e acompanhamento dos UAV usando sistemas TDoA e FDoA. As técnicas de detecção e de rastreamento serão testadas em diferentes cenários e as simulações serão comparadas aos dados provenientes de medições parametrizadas no ambiente. Os resultados da pesquisa serão submetidos a diversas conferências e seminários e publicados como artigos científicos.

Principais etapas:

- Desenvolver, analisar e comparar a arquitetura de radares multi-estáticos;

- Proposta de formas de onda para a detecção multi-estática do UAV usando sistemas TDoA e FDoA em uma abordagem “multicritério” levando-se em conta informações geográficas, a fim de aprimorar a capacidade de localização de sensores;

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Departamento de Engenharia Mecânica

- Desenvolver algoritmos que agreguem informações dos obstáculos do ambiente na estimação da posição do emissor, usando técnicas de alta resolução tensoriais adaptativas;

- Publicar artigos científicos com os resultados incluindo as ferramentas matemáticas desenvolvidas e as medidas realizadas;

- Realizar medidas experimentais com USRP para comprovar a eficácia da abordagem híbrida para validar os resultados das simulações;

- Publicar artigos científicos com os resultados incluindo as ferramentas matemáticas desenvolvidas e as medidas realizadas;

- Finalizar a escrita da tese e realizar a defesa.

Durante a pesquisa, o aluno contará com apoio para aplicar para a chamada FAPDF, a fim de obter suporte financeiro para realizar uma visita técnica na Universidade de Tecnologia de Ilmenau, na Alemanha.

No caso de um aluno de PhD, o candidato será apoiado para aplicar a pesquisa dentro do acordo de diploma duplo, a fim de obter o título de Doutor da UnB e da TU Ilmenau em conjunto.

Além disso, o aluno terá apoio para aplicar para a chamada da CAPES/CNPq/DAAD para permanecer na Alemanha por um ano nos laboratórios da TU Ilmenau.

Informações adicionais, entrar em contato por email: joaopaulo.dacosta@ene.unb.br.

Além disso o candidato pode obter mais informações a respeito da pesquisa nos seguintes sites: [1] http://www.redes.unb.br/lasp/

[2] https://www.youtube.com/channel/UCQ6NCPuJQSo4CtMx4kUoabA

Apoio/Financiamento:

Requisitos mínimos/necessários:

Local e Data:

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Aluno Orientador

APROVAÇÃO DA COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUÇÃO EM SISTEMAS MECATRÔNICOS

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Local e Data

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Coordenador

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PROPOSTA DE TEMA DE DISSERTAÇÃO/TESE DE

MESTRADO/DOUTORADO

NOME DO TEMA

Extração de Padrões em Big Data via Modelos e Decomposições Tensoriais

LINHA DE PESQUISA (PROGRAMA)

Linha 1: Automação, Controle e Automação Linha 2: Sistemas Robóticos

Linha 3: Sistemas Embarcados e Sistemas Inteligentes Linha 4: Materiais Inteligentes e Materiais Funcionais Linha 5: Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos

ORIENTADOR/CO-ORIENTADOR

João Paulo Carvalho Lustosa da Costa

SUMÁRIO DA PROPOSTA

(Problema/Objetivo/Metodologia/Principais Etapas)

Atualmente existe um grande aumento no volume de dados e informações geradas por corporações e pessoas, é possível o tratamento dos mesmos e a coleta de novos padrões, como por exemplo, uma estrutura tensorial que relaciona as várias dimensões dos dados [1]. Para o tratamento dos dados, a utilização de técnicas de mineração de dados se tornam cruciais. Os desafios dentre a mineração dos dados incluem a captura, gerenciamento, armazenamento, busca, compartilhamento, transferência, análise e visualização, podendo ser vista como um processo de proposição de várias consultas e extração de informações úteis, padrões e tendências, frequentemente desconhecidos, a partir de grande quantidade de dados armazenada em bancos de dados [2]. No contexto de tratamento de grandes volumes de dados, o desenvolvimento e oportunidade de utilização de algoritmos de mineração de dados constitui uma valiosa ferramenta.

Nesta proposta foca-se no desenvolvimento de técnicas de mineração de dados e big data aplicadas ao processamento de sinais multidimensionais para extração de padrões tensoriais. Para validação desta proposta, serão utilizadas bases de conhecimento públicas e abertas, dados difusos, como aqueles adquiridos em redes sociais ou computação ubíqua e modelos matemáticos de alto nível.

Objetivo:

Os objetivos desta proposta incluem detecção quanto a possíveis dados ausentes e valores a serem manipulados por meio de pré-processamento, em particular, no caso de dados heterogêneos [3]. Tem-se o objetivo de desenvolver modelos tensoriais [4] bem como também técnicas de decomposição tensorial a fim de se extrair padrões dos dados bem como de se realizar a análise preditiva [5,6].

Metodologia:

O primeiro passo será a investigação do estado da arte de técnicas de mineração de dados multidimensionais bem como propor e explorar novos métodos tensoriais. Para fins de validação das técnicas do estado da arte, será utilizada a infraestrutura do Laboratório de Tecnologias da Tomada de Decisão (LATITUDE). Em seguida, serão desenvolvidos algoritmos de mineração de dados multidimensionais adequados para aplicações big data. As ferramentas desenvolvidas ao longo do trabalho serão validadas em diversas bases de dados, em particular, dos projetos do LATITUDE com o governo federal. Por fim, utilizar-se-á os algoritmos desenvolvidos serão incorporados às ferramentas baseadas em software livre existentes a fim de impactar toda a comunidade científica.

Etapas principais:

O estudo das diversas técnicas para atingir o objetivo deve ter qualidade total em seu processo, uma vez levantado e estipulado o plano de projeto é preciso seguir minunciosamente o plano desenvolvimento no início do processo, em seguida o aluno deve aplicar os estudos para o desenvolvimento de técnicas de mineração de dados e big data aplicadas a processamento de dados multidimensionais para extração de padrões

Informações adicionais:

[1] F. H. L. Vasconcelos, T. E. V. Silva, P. R. B. Gomes, A. O. Nunes,W. B. Andriola, A. L. F. de Almeida, J. C. M. Mota. Analise do Desempenho Discente em um Ambiente Virtual de Aprendizagem Atraves de Decomposições Tensoriais Multilineares. XXII SBIE - XVII WIE Aracaju, 2011.

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[2] Bhavanni, T. Data Mining, CRC Press, 1999.[10] Bro, R.; Geladi, P. Multi-way Analysis with Applications in the Chemical Sciences. John Willey & Sons Ltda. 2004.

[3] Bro, R.; Geladi, P. Multi-way Analysis with Applications in the Chemical Sciences. John Willey & Sons Ltda. 2004 [4] de Almeida, A. L. F., Favier, G., da Costa, J. P. C. L., and Mota, J. C. M., "Overview of Tensor Decompositions with Applications to Communications", R. F. Coelho, V. H. Nascimento, R. L. de Queiroz, J. M.T. Romano and C. C. Cavalcante, "Signals and Images: Advances and Results in Speech, Estimation, Compression, Recognition, Filtering, and Processing", CRC Press publisher, 2015

[5] Rubio Serrano, A. M., "CONTRIBUTIONS ON BI SYSTEMS BASED ON BIG DATA AND PREDICTIVE ANALYTICS INTEGRATED WITH AN ETL PROCESS", Master thesis, Jun 2014

[6] Han, Z., Hong, M., and Wang, D., "Signal Processing and Networking for Big Data Applications", Cambridge Unviersity Press.

Apoio/Financiamento:

Requisitos mínimos/necessários:

Local e Data: .

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Aluno Orientador

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PROPOSTA DE TEMA DE DISSERTAÇÃO/TESE DE

MESTRADO/DOUTORADO

NOME DO TEMA

Localização de emissores de rádio frequência para posicionamento de dispositivos autômatos usando técnicas híbridas de diferença de tempo e de ângulo de chegada dentro do escopo de Internet das Coisas

LINHA DE PESQUISA (PROGRAMA)

Linha 1: Automação, Controle e Automação Linha 2: Sistemas Robóticos

Linha 3: Sistemas Embarcados e Sistemas Inteligentes Linha 4: Materiais Inteligentes e Materiais Funcionais Linha 5: Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos

ORIENTADOR/CO-ORIENTADOR

João Paulo Carvalho Lustosa da Costa

SUMÁRIO DA PROPOSTA

(Problema/Objetivo/Metodologia/Principais Etapas)

Os multipercursos causados pelas reflexões do sinal transmitido no ambiente pode degradar significativamente o desempenho de sistemas de localização de emissores usando redes de sensores com diferença de tempo de chegada (TDoA), Doppler diferencial de chegada (DDoA), diferença de potência de chegada (PDoA) e ângulo de chegada (AoA), o que dificilmente consegue ser realizado usando técnicas tradicionais.

Objetivo:

O objetivo da pesquisa é desenvolver ferramentas de otimização de sistemas de sensores híbridos TDoA/AoA que consigam usar as informações do multipercurso e localizar os emissores usando uma abordagem “multicritério” com diferentes tipos de sensores.

Motivação:

Os serviços de localização são importantes dentro do contexto de sistemas autônomos inteligentes e estão presentes em diversas aplicações de Internet das Coisas (IoT), como em prédios e cidades inteligentes.

Os sensores TDoA oferecem benefícios significativos no contexto de tamanho, peso e potência que os tornam particularmente adequados a plataformas móveis, além disso, as antenas são mais simples de serem integradas nos sensores e levam, na maioria dos casos, a uma solução menos volumosa.

O uso de técnicas híbridas ameniza, mas não resolve o problema dos multipercursos, principalmente quando um emissor está inserido em um ambiente de múltiplos obstáculos, ou seja, quando não há linha de visada entre o sensor e o emissor. A presente pesquisa tem aplicação em sistemas de localização de estoques em depósitos e supermercados, e em prédios inteligentes.

Metodologia:

Os conceitos de estimação de parâmetros em alta resolução usando técnicas tensoriais adaptativas devem ser estudados. Em seguida, simulações usando Matlab para testar os algoritmos de localização serão realizadas. Para fins de geração de cenários, serão estudados diferentes modelos de dados, e de ruído bem como ferramentas computacionais de traçado dos raios (ray tracing). As técnicas híbridas de localização em diferentes cenários e as simulações serão comparadas resultados parciais da pesquisa serão submetidos a diversas conferências e seminários através da elaboração de artigos científicos.

Principais etapas:

- Desenvolver, analisar e comparar a arquitetura híbrida AoA/TDoA em uma abordagem

“multicritério”, usando informações geográficas, a fim de aprimorar a capacidade de localização de sensores; - Desenvolver algoritmos que agreguem informações dos obstáculos do ambiente na estimação da posição do emissor, usando de estimação de parâmetros em alta resolução usando técnicas tensoriais

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Departamento de Engenharia Mecânica

adaptativas;

- Avaliação da precisão e do desempenho de sistemas híbridos de geolocalização de emissores de baixa potência em ambientes multi-percurso;

- Avaliação da precisão da capacidade de localização de emissores posicionados muito próximos; - Caracterização de erros de localização de emissores móveis através da avaliação da ambiguidade doppler e da análise das respostas impulsivas do canal na técnica de processamento usada;

- Simulação de cenários indoor e outdoor, a fim de fazer uma comparação entre as diferentes soluções possíveis para melhorar a precisão;

- Publicar um artigo de revisão com os resultados das simulações incluindo os modelos matemáticos desenvolvidos e as medidas realizadas;

- Implementar os modelos e publicar um artigo com os resultados;

- Realizar medidas experimentais com USRP para comprovar a eficácia da abordagem híbrida para validar os resultados das simulações;

- Publicar artigos científicos com os resultados incluindo as ferramentas matemáticas desenvolvidas e as medidas realizadas;

- Finalizar a escrita da tese e realizar a defesa.

Durante a pesquisa, o aluno contará com apoio para aplicar para a chamada FAPDF, a fim de obter suporte financeiro para realizar uma visita técnica na Universidade de Tecnologia de Ilmenau, na Alemanha.

No caso de um aluno de PhD, o candidato será apoiado para aplicar a pesquisa dentro do acordo de diploma duplo, a fim de obter o título de Doutor da UnB e da TU Ilmenau em conjunto.

Além disso, o aluno terá apoio para aplicar para a chamada da CAPES/CNPq/DAAD para permanecer na Alemanha por um ano nos laboratórios da TU Ilmenau.

Informações adicionais, entrar em contato por email: joaopaulo.dacosta@ene.unb.br.

Além disso o candidato pode obter mais informações a respeito da pesquisa nos seguintes sites: [1] http://www.redes.unb.br/lasp/

[2] https://www.youtube.com/channel/UCQ6NCPuJQSo4CtMx4kUoabA

Apoio/Financiamento:

Requisitos mínimos/necessários:

Local e Data: .

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