Symmetric complex-valued RBF receiver for multiple-antenna aided wireless systems

A nonlinear beamforming assisted detector is proposed for multiple-antenna-aided wireless systems employing complex-valued quadrature phase shift-keying modulation. By exploiting the inherent symmetry of the optimal Bayesian detection solution, a novel complex-valued symmetric radial basis function (SRBF)-network-based detector is developed, which is capable of approaching the optimal Bayesian performance using channel-impaired training data. In the uplink case, adaptive nonlinear beamforming can be efficiently implemented by estimating the system’s channel matrix based on the least squares channel estimate. Adaptive implementation of nonlinear beamforming in the downlink case by contrast is much more challenging, and we adopt a cluster-variationenhanced clustering algorithm to directly identify the SRBF center vectors required for realizing the optimal Bayesian detector. A simulation example is included to demonstrate the achievable performance improvement by the proposed adaptive nonlinear beamforming solution over the theoretical linear minimum bit error rate beamforming benchmark

Comparison of Classifiers for Radar Emitter Type Identification

ARTMAP neural network classifiers are considered for the identification of radar emitter types from their waveform parameters. These classifiers can represent radar emitter type classes with one or more prototypes, perform on-line incremental learning to account for novelty encountered in the field, and process radar pulse streams at high speed, making them attractive for real-time applications such as electronic support measures (ESM). The performance of four ARTMAP variants- ARTMAP (Stage 1), ARTMAP-IC, fuzzy ARTMAP and Gaussian ARTMAP - is assessed with radar data gathered in the field. The k nearest neighbor (kNN) and radial basis function (RDF) classifiers are used for reference. Simulation results indicate that fuzzy ARTMAP and Gaussian ARTMAP achieve an average classification rate consistently higher than that of the other ARTMAP classifers and comparable to that of kNN and RBF. ART-EMAP, ARTMAP-IC and fuzzy ARTMAP require fewer training epochs than Gaussian ARTMAP and RBF, and substantially fewer prototype vectors (thus, smaller physical memory requirements and faster fielded performance) than Gaussian ARTMAP, RBF and kNN. Overall, fuzzy ART MAP performs at least as well as the other classifiers in both accuracy and computational complexity, and better than each of them in at least one of these aspects of performance. Incorporation into fuzzy ARTMAP of the MT- feature of ARTMAP-IC is found to be essential for convergence during on-line training with this data set.Defense Advanced Research Projects Agency and the Office of Naval Research (N000I4-95-1-409 (S.G. and M.A.R.); National Science Foundation (IRI-97-20333) (S.G.); Natural Science and Engineering Research Council of Canada (E.G.); Office of Naval Research (N00014-95-1-0657

Higher order feature extraction and selection for robust human gesture recognition using CSI of COTS Wi-Fi devices

Device-free human gesture recognition (HGR) using commercial o the shelf (COTS) Wi-Fi devices has gained attention with recent advances in wireless technology. HGR recognizes the human activity performed, by capturing the reflections ofWi-Fi signals from moving humans and storing them as raw channel state information (CSI) traces. Existing work on HGR applies noise reduction and transformation to pre-process the raw CSI traces. However, these methods fail to capture the non-Gaussian information in the raw CSI data due to its limitation to deal with linear signal representation alone. The proposed higher order statistics-based recognition (HOS-Re) model extracts higher order statistical (HOS) features from raw CSI traces and selects a robust feature subset for the recognition task. HOS-Re addresses the limitations in the existing methods, by extracting third order cumulant features that maximizes the recognition accuracy. Subsequently, feature selection methods derived from information theory construct a robust and highly informative feature subset, fed as input to the multilevel support vector machine (SVM) classifier in order to measure the performance. The proposed methodology is validated using a public database SignFi, consisting of 276 gestures with 8280 gesture instances, out of which 5520 are from the laboratory and 2760 from the home environment using a 10 5 cross-validation. HOS-Re achieved an average recognition accuracy of 97.84%, 98.26% and 96.34% for the lab, home and lab + home environment respectively. The average recognition accuracy for 150 sign gestures with 7500 instances, collected from five di erent users was 96.23% in the laboratory environment.Taylor's University through its TAYLOR'S PhD SCHOLARSHIP Programmeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Outlier detection in scatterometer data:Neural network approaches

Satellite-borne scatterometers are used to measure backscattered micro-wave radiation from the ocean surface. This data may be used to infer surface wind vectors where no direct measurements exist. Inherent in this data are outliers owing to aberrations on the water surface and measurement errors within the equipment. We present two techniques for identifying outliers using neural networks; the outliers may then be removed to improve models derived from the data. Firstly the generative topographic mapping (GTM) is used to create a probability density model; data with low probability under the model may be classed as outliers. In the second part of the paper, a sensor model with input-dependent noise is used and outliers are identified based on their probability under this model. GTM was successfully modified to incorporate prior knowledge of the shape of the observation manifold; however, GTM could not learn the double skinned nature of the observation manifold. To learn this double skinned manifold necessitated the use of a sensor model which imposes strong constraints on the mapping. The results using GTM with a fixed noise level suggested the noise level may vary as a function of wind speed. This was confirmed by experiments using a sensor model with input-dependent noise, where the variation in noise is most sensitive to the wind speed input. Both models successfully identified gross outliers with the largest differences between models occurring at low wind speeds. © 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved

Automatic detection of signals by using artificial intelligence techniques

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2013Premio a la Mejor Tesis Doctoral en Seguridad y Defensa por el Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación (COIT) y la Asociación Española de Ingenieros de Telecomunicación (AEIT) en 2013La detección automática de señales (blancos) en interferencia aditiva (clutter más ruido) es un problema no resuelto hoy en día. Muchos y diversos esquemas de detección son propuestos constantemente en revistas especializadas sobre temas de investigación radar y de procesado de señal. Esos esquemas son adaptados normalmente a la casuística del problema, es decir, a los blancos y al tipo de clutter presentes en esos experimentos. Es por ello que la tesis presentada a continuación busca proponer un esquema de detección que trabaje con altas prestaciones en distintos entornos. En esta tesis se pretende resolver dos tipos de problemas: uno centrado en la detección de blancos radar de tipo Swerling 0 en presencia de clutter sintético modelado con una distribución Weibull y ruido blanco Gaussiano; y otro centrado en la detección de barcos en movimiento a partir de imágenes radar provenientes de un radar marino comercial. Se ha comprobado que los datos reales están estadísticamente relacionados con los datos sintéticos simulados, lo cual permitirá proponer un único esquema de detección que trabaje en ambos casos. Teniendo en cuenta los problemas de detección planteados, se asumen varias premisas. Las imágenes radar generadas en entornos simulados tienen en cuenta una correlación temporal entre celdas consecutivas de la imagen y una distribución espacial constante de los parámetros estadísticos del clutter dentro de una misma imagen, pero variable de una imagen a otra. Dentro de este entorno simulado, se asumen distintos tamaños y formas de blanco. Estos entornos han sido simulados mediante el uso de los parámetros estadísticos del clutter descritos en la literatura. Comparando dichos entornos, se observa una gran disparidad en sus parámetros estadísticos, haciendo más difícil aún si cabe la tarea de proponer un detector radar que trabaje correctamente y con altas prestaciones en distintos entornos radar. Para resolver los problemas de detección planteados, se han considerado detectores radar utilizados habitualmente en la literatura. Así, se ha seleccionado como detector de referencia para el caso de trabajar con datos procedente de un radar coherente el detector de blanco conocido a priori (TSKAP: target sequence known a priori). Detectores basados en técnicas CFAR (constant false alarm rate) han sido elegidos para el caso de trabajar con datos procedentes de un radar incoherente. Por otro lado, se ha estudiado el uso de técnicas de inteligencia artificial (IA) para crear detectores que resuelvan los dos problemas de detección planteados. De las posibles técnicas de IA existentes en la literatura, se han elegido dos tipos de redes neuronales artificiales (RNAs): el perceptron multicapa (MLP: Multilayer perceptron) y las RNAs basadas en funciones de base radial (RBFNs: Radial basis function networks). Mediante este tipo de técnicas, se proponen nuevas estrategias de detección para los casos coherente e incoherente. Aparte de la contribución en el uso de técnicas de IA en temas de detección radar, se presenta otra contribución importante: el uso de nuevos modos de selección de celdas de una imagen para la mejora de las prestaciones del detector radar propuesto. Estos modos están basados en esquemas de selección con retardo (en una o dos dimensiones), dentro de los cuales se pueden elegir más celdas para poder realizar una mejor estimación de los parámetros del clutter que rodea al blanco. Además, el uso de estos modos de selección en dos dimensiones en detectores CFAR también puede ser considerado contribución ya que antes no se habían presentado resultados para los modos aquí propuestos. Los experimentos desarrollados consideran entornos simulados de mar, mar helado y tierra para el diseño y test de los detectores coherentes tomados como referencia y los basados en IA. En estos experimentos, se estudió la influencia de los siguientes parámetros durante el diseño de los detectores bajo estudio: las propiedades del clutter presente en las imágenes de los conjuntos de diseño (para entrenar RNAs y establecer el umbral de detección); los modos de selección; el número de celdas seleccionadas; así como el número de neuronas ocultas en las RNAs. A partir de estos estudios, se obtienen los valores de dichos parámetros, de tal forma que se obtienen altas prestaciones, mientras que se mantiene un coste computacional moderado en el detector propuesto. Una vez diseñados los detectores, éstos se testean utilizando un conjunto de datos de test no utilizado previamente. Este conjunto de test está compuesto por imágenes radar con distintas propiedades estadísticas para simular lo que ocurre en entornos reales. Las prestaciones observadas para este conjunto son ligeramente inferiores a los obtenidas en la etapa de diseño. Además, se observa que las prestaciones del detector para las distintas imágenes radar del con- junto, es decir, para distintos condiciones de clutter, presentan pequeñas variaciones. Esto nos indica un alto grado de robustez en los detectores cuando las condiciones de clutter cambian con el tiempo. Teniendo en cuenta estas pequeñas variaciones de las prestaciones del detector, podemos inferir que las mismas prestaciones presentadas aquí se pueden obtener cuando el detector diseñado procese nuevas imágenes radar en el futuro. Por otro lado, se han realizado estudios similares para el caso de detectores incoherentes en entornos simulados de mar, mar helado y tierra. De estos estudios, destacamos las diferencias que existen entre los resultados obtenidos por los detectores coherentes e incoherentes en entornos simulados de clutter de mar. La primera diferencia que se observa es que las prestaciones del detector incoherente son ligeramente menores que las obtenidas por el coherente, aspecto que era de esperar porque sólo considera la información de amplitud. La segunda diferencia observada es la alta reducción de coste computacional que se obtiene, siendo esto debido a que en estos detectores se utiliza menos información a la entrada. Los resultados obtenidos para los entornos simulados de mar helado y tierra no han sido incorporados en la memoria de la tesis porque tanto las prestaciones como el coste computacional obtenidos son similares a los obtenidos para el caso de entornos marinos. Finalmente, se han diseñado y testeado detectores incoherentes para trabajar con imágenes provenientes de un radar marino comercial situado en la plataforma de investigación alemana FINO-1, la cual se encuentra localizada en el mar del Norte (Alemania). Antes de proceder con el diseño de estos detectores, se comprobó que las medidas de clutter contenidas en las imágenes radar seguían una distribución Weibull, tal y como se asumió en el entorno simulado de mar. Acto seguido a esta comprobación, se procedió con el ajuste de los parámetros de cada uno de los detectores bajo estudio (CFAR y basados en técnicas de IA) para obtener las mejores prestaciones posibles, así como un coste computacional moderado. Una vez diseñados los detectores, se procedió a testearlos, llegando a las mismas conclusiones a las que se llegó para el caso sintético: alta robustez frente a cambios en las condiciones de diseño y baja pérdida de prestaciones cuando se procesan nuevas imágenes radar. También se muestra cual es el coste computacional de la configuración seleccionada en los casos de detectores incoherentes basados en MLPs y RBFNs, así como la velocidad de computo necesaria para poder procesar imágenes radar en tiempo real. A partir de estos resultados, se llega a la conclusión final de que como las unidades de procesado disponibles en el mercado permiten trabajar a las velocidades que necesita el sistema, el procesado en tiempo real está garantizado. A partir del análisis de las prestaciones obtenidas para los distintos casos de estudio abordados en la tesis, se llega a la siguiente conclusión general: los detectores basados en técnicas de IA mejoran las prestaciones obtenidas por los detectores de referencia seleccionados de la literatura en todos los casos de estudio presentados. Ésta conclusión se obtiene para radares que trabajan a distintas frecuencias, con distintas resoluciones y con receptores diferentes (coherentes e incoherentes). Además, esta conclusión también es independiente del entorno radar bajo estudio (mar, mar helado y tierra)