Complexity over Uncertainty in Generalized Representational\ud Information Theory (GRIT): A Structure-Sensitive General\ud Theory of Information

What is information? Although researchers have used the construct of information liberally to refer to pertinent forms of domain-specific knowledge, relatively few have attempted to generalize and standardize the construct. Shannon and Weaver(1949)offered the best known attempt at a quantitative generalization in terms of the number of discriminable symbols required to communicate the state of an uncertain event. This idea, although useful, does not capture the role that structural context and complexity play in the process of understanding an event as being informative. In what follows, we discuss the limitations and futility of any generalization (and particularly, Shannon’s) that is not based on the way that agents extract patterns from their environment. More specifically, we shall argue that agent concept acquisition, and not the communication of\ud states of uncertainty, lie at the heart of generalized information, and that the best way of characterizing information is via the relative gain or loss in concept complexity that is experienced when a set of known entities (regardless of their nature or domain of origin) changes. We show that Representational Information Theory perfectly captures this crucial aspect of information and conclude with the first generalization of Representational Information Theory (RIT) to continuous domains

Cooperating broadcast and cellular conditional access system for digital television

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The lack of interoperability between Pay‐TV service providers and a horizontally integrated business transaction model have compromised the competition in the Pay‐TV market. In addition, the lack of interactivity with customers has resulted in high churn rate and improper security measures have contributed into considerable business loss. These issues are the main cause of high operational costs and subscription fees in the Pay‐TV systems. This paper presents a novel end‐to‐end system architecture for Pay‐TV systems cooperating mobile and broadcasting technologies. It provides a cost‐effective, scalable, dynamic and secure access control mechanism supporting converged services and new business opportunities in Pay‐TV systems. It enhances interactivity, security and potentially reduces customer attrition and operational cost. In this platform, service providers can effectively interact with their customers, personalise their services and adopt appropriate security measures. It breaks up the rigid relationship between a viewer and set‐top box as imposed by traditional conditional access systems, thus, a viewer can fully enjoy his entitlements via an arbitrary set‐top box. Having thoroughly considered state‐of‐the‐art technologies currently being used across the world, the thesis highlights novel use cases and presents the full design and implementation aspects of the system. The design section is enriched by providing possible security structures supported thereby. A business collaboration structure is proposed, followed by a reference model for implementing the system. Finally, the security architectures are analysed to propose the best architecture on the basis of security, complexity and set‐top box production cost criteria

A Review of Findings from Neuroscience and Cognitive Psychology as Possible Inspiration for the Path to Artificial General Intelligence

This review aims to contribute to the quest for artificial general intelligence by examining neuroscience and cognitive psychology methods for potential inspiration. Despite the impressive advancements achieved by deep learning models in various domains, they still have shortcomings in abstract reasoning and causal understanding. Such capabilities should be ultimately integrated into artificial intelligence systems in order to surpass data-driven limitations and support decision making in a way more similar to human intelligence. This work is a vertical review that attempts a wide-ranging exploration of brain function, spanning from lower-level biological neurons, spiking neural networks, and neuronal ensembles to higher-level concepts such as brain anatomy, vector symbolic architectures, cognitive and categorization models, and cognitive architectures. The hope is that these concepts may offer insights for solutions in artificial general intelligence.Comment: 143 pages, 49 figures, 244 reference

Scaling reinforcement learning to the unconstrained multi-agent domain

Reinforcement learning is a machine learning technique designed to mimic the way animals learn by receiving rewards and punishment. It is designed to train intelligent agents when very little is known about the agent’s environment, and consequently the agent’s designer is unable to hand-craft an appropriate policy. Using reinforcement learning, the agent’s designer can merely give reward to the agent when it does something right, and the algorithm will craft an appropriate policy automatically. In many situations it is desirable to use this technique to train systems of agents (for example, to train robots to play RoboCup soccer in a coordinated fashion). Unfortunately, several significant computational issues occur when using this technique to train systems of agents. This dissertation introduces a suite of techniques that overcome many of these difficulties in various common situations. First, we show how multi-agent reinforcement learning can be made more tractable by forming coalitions out of the agents, and training each coalition separately. Coalitions are formed by using information-theoretic techniques, and we find that by using a coalition-based approach, the computational complexity of reinforcement-learning can be made linear in the total system agent count. Next we look at ways to integrate domain knowledge into the reinforcement learning process, and how this can signifi-cantly improve the policy quality in multi-agent situations. Specifically, we find that integrating domain knowledge into a reinforcement learning process can overcome training data deficiencies and allow the learner to converge to acceptable solutions when lack of training data would have prevented such convergence without domain knowledge. We then show how to train policies over continuous action spaces, which can reduce problem complexity for domains that require continuous action spaces (analog controllers) by eliminating the need to finely discretize the action space. Finally, we look at ways to perform reinforcement learning on modern GPUs and show how by doing this we can tackle significantly larger problems. We find that by offloading some of the RL computation to the GPU, we can achieve almost a 4.5 speedup factor in the total training process

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen

Carrier Recovery in burst-mode 16-QAM

Wireless communication systems such as multipoint communication systems (MCS) are becoming attractive as cost-effective means for providing network access in sparsely populated, rugged, or developing areas of the world. Since the radio spectrum is limited, it is desirable to use spectrally efficient modulation methods such as quadrature amplitude modulation (QAM) for high data rate channels. Many MCS employ time division multiple access (TDMA) and/or time division duplexing (TDD) techniques, in which transmissions operate in bursts. In many cases, a preamble of known symbols is appended to the beginning of each burst for carrier and symbol timing recovery (symbol timing is assumed known in this thesis). Preamble symbols consume bandwidth and power and are not used to convey information. In order for burst-mode communications to provide efficient data throughput, the synchronization time must be short compared to the user data portion of the burst. Traditional methods of communication system synchronization such as phase-locked loops (PLLs) have demonstrated reduced performance when operated in burst-mode systems. In this thesis, a feedforward (FF) digital carrier recovery technique to achieve rapid carrier synchronization is proposed. The estimation algorithms for determining carrier offsets in carrier acquisition and tracking in a linear channel environment corrupted by additive white Gaussian noise (AWGN) are described. The estimation algorithms are derived based on the theory of maximum likelihood (ML) parameter estimation. The estimations include data-aided (DA) carrier frequency and phase estimations in acquisition and non-data-aided (NDA) carrier phase estimation in tracking. The DA carrier frequency and phase estimation algorithms are based on oversampling of a known preamble. The NDA carrier phase estimation makes use of symbol timing knowledge and estimates are extracted from the random data portion of the burst. The algorithms have been simulated and tested using Matlab® to verify their functionalities. The performance of these estimators is also evaluated in the burst-mode operations for 16-QAM and compared in the presence of non-ideal conditions (frequency offset, phase offset, and AWGN). The simulation results show that the carrier recovery techniques presented in this thesis proved to be applicable to the modulation schemes of 16-QAM. The simulations demonstrate that the techniques provide a fast carrier acquisition using a short preamble (about 111 symbols) and are suitable for burst-mode communication systems