Marcio Eisencraft.

Projeto Universal CNPq Processo 404081/2023-1 Chamada CNPq/MCTI No 10/2023 - Faixa A - Grupos EmergentesAprendizado de máquina (AM) tem chamado atenção da comunidade científica por possibilitar resolver inúmeros problemas práticos. Neste projeto, pretende-se utilizar AM em várias frentes: (a) classificação de arritmias cardíacas; (b) filtragem, equalização e mitigação de ruído em sinais caóticos; (c) processamento de sinais de voz e de áudio; (d) reconhecimento de padrões e processamento de imagens; (e) modelos gerativos para produção musical e (f) redes de difusão adaptativas. Na frente (a), pretende-se classificar arritmias cardíacas, levando-se em conta o treinamento distribuído ou centralizado. O treinamento distribuído garante a privacidade do paciente e possibilita trabalhar com grandes conjuntos de dados. Para balancear o banco de dados, pretende-se considerar data augmentation utilizando modelos gerativos como a rede gerativa adversária (generative adversarial network - GAN). Na frente (b), pretende-se usar AM para equalizar canais de comunicação em sistemas de comunicação baseados em caos, considerados como uma alternativa inovadora em problemas de comunicação ainda sem solução bem definida. Pretende-se ainda utilizar reservoir computers para melhorar a relação sinal-ruído na entrada do receptor desses sistemas e analisar a influência da filtragem linear na sua dinâmica. Na frente (c), AM será usado para explorar análise de voz, codificação de voz e de áudio, reconhecimento da fala e de outras características para obter representações adequadas desses sinais. Na frente (d), pretende-se usar AM em aplicações que exigem reconhecimento de padrões ou processamento de imagens, como é o caso de super resolução de imagens. Na frente (e), pretende-se usar modelos gerativos como a GAN para gerar música. Por fim, na frente (f), pretende-se abordar a censura e amostragem em redes de difusão adaptativas. O projeto conta com cinco pesquisadores e diversos alunos de pós-graduação da Escola Politécnica da USP.

Projeto de pesquisa associado à bolsa de produtividade em pesquisa nível 1-D no período de março de 2020 a fevereiro de 2024.

Nas últimas décadas têm-se proposto diversas aplicações de sinais caóticos em Engenharia e, em especial, em Telecomunicações. Esses sinais são comumente descritos na literatura como sendo sinais de banda larga, devido à sua não periodicidade. Porém, essa caracterização não é suficiente quando se pensa em implementações práticas: é necessário determinar e possivelmente controlar a sequência de autocorrelação, a densidade espectral de potência e a banda ocupada pelos sinais caóticos a serem utilizados.
Nesse projeto, busca-se contribuir nesse sentido continuando-se trabalhos anteriores do proponente.
Por um lado, objetiva-se caracterizar espectralmente sinais gerados por mapas unidimensionais lineares por partes. Em trabalhos anteriores, obteve-se essa caracterização para uma família de mapas particular, as tendas inclinadas. Nesse projeto, pretende-se estender esses resultados para mapas lineares por partes quaisquer. Obtido esse objetivo, almeja-se obter resultados, ao menos numéricos, para mapas unidimensionais mais gerais.
 Por outro lado, pretende-se avançar no uso de filtros digitais em malhas de realimentação para controlar a banda de sinais caóticos gerados. Essa ideia foi apresentada em trabalhos anteriores do proponente. Porém, uma análise mais formal das condições que os coeficientes dos filtros devem satisfazer de forma a que os sinais gerados permaneçam caóticos, bem como as aplicações desses sinais em sistemas de comunicação digital ainda precisam ser melhor explorados.
Cada uma dessas faces do problema está ligada a uma orientação de pós-graduação em andamento com supervisão do proponente. Ambas são baseadas sobretudo em pesadas simulações computacionais. Com essa proposta deseja-se melhorar os recursos computacionais disponíveis para essas simulações.

Esse projeto de pesquisa, tendo como título Aplicações de Sinais Caóticos em Comunicações e em Processamento de Sinais, é apresentado ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico tendo em vista solicitação de bolsa de produtividade. O projeto deverá ser desenvolvido no Laboratório de Comunicações e Sinais do Departamento de Telecomunicações e Controle da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Inicia-se com um breve histórico e um resumo de alguns resultados relevantes obtidos recentemente pelo proponente e seus colaboradores, ilustrando-se o estado da arte da pesquisa na área. A partir daí, enumeram-se linhas de pesquisa que deverão ser seguidas durante o período de vigência da bolsa pretendida e que serão objetos de possíveis orientações de iniciação científica, mestrado e doutorado. Por fim, os principais trabalhos do proponente no último quinquênio são sucintamente descritos.

Esse projeto de pesquisa está centralizado na Universidade de São Paulo e se desenvolverá em parceria com a Universidade Federal do ABC. Em linhas gerais, o objetivo do projeto é avançar nas pesquisas relacionadas a implementação prática de sistemas de comunicação digitais que utilizam sinais caóticos. Em geral, esses sinais apresentam uma série de características interessantes do ponto de vista de comunicações: são aperiódicos, apresentando espectro de Fourier contínuo; possuem autocovariância quase impulsiva e baixa correlação cruzada entre sinais gerados por um mesmo sistema com condições iniciais diferentes. Essas propriedades levaram a uma grande quantidade de trabalhos publicados sobre as aplicações desses sinais em Telecomunicações e Processamento de Sinais desde o início da década de 1990. Apesar disso, ainda não surgiu de fato um sistema comercial que use essa tecnologia. Para tanto, é necessário analisar mais profundamente as características espectrais desses sinais e tornar viável o desempenho dos sistemas de comunicação que utilizam sinais caóticos em condições mais realistas de canal, levando-se em conta efeitos como limitação em banda, distorção, ruído aditivo e atrasos. Buscando contribuir nesse sentido, esse projeto concentra-se em três frentes principais: (i) equalização de canal para sistemas baseados em caos utilizando-se técnicas adaptativas; (ii) filtragem e formatação do espectro de sinais e caóticos e (iii) caracterização espectral desses sinais. Cada uma dessas frentes está associada a um trabalho de pós-graduação em andamento, orientado pelo coordenador da proposta.

Combinações de filtros operando em paralelo têm sido usadas para melhorar o desempenho de filtros adaptativos no que tange à escolha dos parâmetros fixos dos filtros, à capacidade de \textit{tracking}, à estabilidade, à solução em regime, à inicialização, entre outros fatores. Embora muitos resultados relacionados a esse assunto tenham sido publicados na literatura, ainda há alguns problemas em aberto que serão abordados neste projeto de pesquisa. Dentre eles, destacam-se: (i) a combinação de dois filtros NLMS (\emph{normalized least mean square}) com diferentes ordens para cancelamento de eco acústico esparso; (ii) a análise do transitório da combinação convexa; (iii) a redução do custo computacional da combinação;
(iv) a comparação das combinações convexa, afim e linear em diferentes cenários; e
(v) o uso da combinação afim em processamento adaptativo distribuído com aplicações em redes de sensores. Um outro assunto que se pretende abordar neste projeto é a utilização de algoritmos de equalização autodidata de sinais QAM (quadrature amplitude modulation) para restauração de imagens. Alguns trabalhos na literatura propõem o uso do algoritmo do módulo constante (CMA - constant modulus algorithm) para desconvolução autodidata de imagens.
No entanto, seu desempenho não é satisfatório pelo fato dos pixels da imagem não representarem um sinal de módulo constante. Neste trabalho, pretende-se utilizar algoritmos autodidatas eficientes na recuperação de sinais de módulo não constante para restauração de imagens. Por fim, pretende-se estudar a equalização em sistemas de comunicação baseados em caos. Devido à falta de robustez do sincronismo caótico, uma simples atenuação pode impedir a comunicação. Por isso, o equalizador exerce um
papel fundamental nesses sistemas. Inicialmente, pretende-se estender o algoritmo NLMS para adaptar o equalizador e posteriormente, buscar uma solução autodidata.

O fenômeno de intermitência, em que um observável de um sistema apresenta um comportamento dinâmico que intercala períodos de oscilação ruidosa com períodos de quase inatividade, ganhou destaque, primeiramente, como uma abordagem para a turbulência em fluidos. Desde então, o interesse crescente levou a um aprofundamento do nosso conhecimento sobre esse fenômeno dinâmico de forma que, atualmente, mais de cinco tipos diferentes de intermitência são conhecidos. A variedade de aplicações também se ampliou bastante, indo muito além do contexto original. Por exemplo, a difusão anômala observada no transporte de carga em sólidos amorfos pode ser explicada teoricamente a partir de uma intermitência subjacente. Uma lista de outros fenômenos físicos que exibem intermitência contempla uma série de sistemas fora do equilíbrio como instabilidades de ondas de spin, plasmas, cristais líquidos, lasers e pontos quânticos nanocristalinos. A epilepsia também é frequentemente relacionada à intermitência na literatura. Os principais objetivos desse projeto são: (i) contribuir para a descoberta ou extensão de relações fundamentais em dinâmicas intermitentes do ponto de vista da dinâmica não-linear; (ii) Investigar dinâmicas intermitentes do tipo on-off em sistemas mistos (determinístico-estocásticos) e em dinâmicas puramente estocásticas de buscas optimais de alvos numa rede; (iii) calcular e estudar as características espectrais dos mapas da família Pomeu-Manneville e, a partir dos resultados obtidos, analisar as possibilidades de aplicações em sistemas de comunicação; (iv) investigar estratégias optimais de busca intermitentes tanto teoricamente, seja pelo uso redes ou grafos, quanto do ponto de vista das aplicações, tendo em vista o estudo de processos de reações bioquímicas e de dinâmicas populacionais por meio dos chamados processos de primeira passagem; (v) estudar sinais neuronais do ponto de vista de sistemas intermitentes de forma a melhorar tanto a compreensão sobre as rajadas

Sinais caóticos apresentam uma série de características interessantes do ponto de vista de comunicações: são aperiódicos, apresentando espectro de Fourier contínuo; possuem autocovariância quase impulsiva e baixa correlação cruzada entre sinais gerados por um mesmo sistema com condições iniciais diferentes. Estas propriedades levaram a uma grande quantidade de trabalhos publicados sobre as aplicações de sinais caóticos em Telecomunicações e Processamento de Sinais desde o início da década de 1990. Apesar das amplas possibilidades de futuro uso prático desta tecnologia, considera-se que seu estudo ainda está em uma fase inicial e exploratória, o que permite a elaboração de uma extensa gama de trabalhos de pesquisa relevantes. Tenho estudado este assunto ao longo dos últimos doze anos, tendo em vista principalmente as seguintes aplicações: (i) modulação baseada em sinais caóticos; (ii) análise espectral de sinais caóticos; (iii) geração de sequências pseudoaleatórias usando mapas caóticos e (iv) modelagem de sinais usando ferramentas de dinâmica não-linear. O objetivo deste projeto é dar seguimento a estas pesquisas, dando ênfase ao estudo do comportamento dos sistemas baseados em caos em situações realísticas, ou seja, canais com distorção e atraso e presença de ruído aditivo. Neste texto é feita uma introdução ao assunto, são descritas as minhas principais publicações no assunto e descrevem-se diversas trabalhos presentes e futuros que serão objetos de pesquisa e possíveis orientações de iniciação científica, mestrado e doutorado durante a vigência da bolsa pretendida.

Este projeto de pesquisa está centralizado na Universidade Estadual de Campinas e envolve pesquisadores da Escola Politécnica da USP e da Universidade Federal do ABC. O projeto tem em seu princípio uma dupla motivação: por um lado, a nítida confluência de interesses e a fertilização mútua de idéias que vêm sendo verificadas entre pesquisadores das áreas de telecomunicações, processamento de sinais e machine learning; por outro, atendo-se a um aspecto mais tecnológico, a grande discussão em torno de dotar os sistemas de comunicações de uma maior capacidade de adaptação, ou de autoconfiguração, ao meio que o cerca, a ponto de já se chegar às primeiras padronizações do que se convencionou chamar de rádio-cognitivo. Assim, o projeto tem como objetivo principal o estudo de técnicas cognitivas aplicadas a comunicações, entendendo por isto tanto a idéia de tornar o sistema como um todo capaz de se adaptar a determinadas condições do ambiente, como, no nível da camada física, dotar os dispositivos e algoritmos a eles associados de capacidade de auto-aprendizado. Dessa forma, dividimos o projeto em duas grandes linhas: a que chamamos Sistemas Cognitivos de Telecomunicações, que compreende principalmente aspectos de otimização entre camadas e alocação de recursos, com ênfase aos sistemas com modulação multi-freqüência; e a que denominamos Processamento Cognitivo da Informação, que se volta para os dispositivos de contramedida com o intuito de lhes incrementar o nível de cognição, entendido aqui como a capacidade de operar com cada vez menos supervisão. Em termos de plataforma de aplicação, preferimos nos ater aqui à terminologia de redes cognitivas, procurando dar igual ênfase às comunicações sem fio e às comunicações ópticas, que entendemos prioritárias para o cenário atual, e de futuro em curto prazo, das tecnologias de informação e comunicação.

O escopo de investigação do presente projeto se encontra na interseção de três áreas de pesquisa correlatas, quais sejam a de Aprendizado de Máquina (AM), Mineração de Dados (MD) e Análise e Previsão de Séries Temporais. Pretende-se investigar e comparar novas abordagens destinadas ao pré-processamento, à extração de padrões ?escondidos? e à construção de modelos de previsão mais robustos com base em dados de séries temporais estocásticas ou caóticas mediante a aplicação de técnicas avançadas de aprendizado de máquina e mineração de dados. Mais especificamente, as linhas de investigação propostas envolvem: (i) o estudo e
implementação de novos algoritmos de previsão e análise de dados temporais baseados no conceito de máquinas de kernel; (ii) o projeto automático via métodos de otimização bioinspirada de arquiteturas de comitês de máquinas (ensembles e misturas de especialistas) compostas por modelos homogêneos e heterogêneos (lineares ou não-lineares) de preditores de curto ou longo prazo; (iii) a comparação de diferentes abordagens voltadas à limpeza, seleção e extração de características de dados temporais; e (iv) a concepção e avaliação de técnicas de mineração de dados destinadas às tarefas de classificação, agrupamento, detecção de correlações
e detecção de anomalias em séries temporais. Dentre os tipos de séries temporais, pretende-se dar um maior destaque ao estudo de séries financeiras e fisiológicas e sinais de natureza caótica imersos em ruído. Desse modo, este projeto envolverá atividades de pesquisa a serem conduzidas em paralelo tanto nos domínios de AM e MD como no de séries temporais, enfatizando a sua integração.

Este Projeto, inserido no âmbito do Programa de Inovação em Ciência e Tecnologia
Aeroespacial (Picta), visa investigar e desenvolver soluções aprimoradas para o problema de ruído externo presente em aeronaves. Pretende-se atacar o problema segundo três abordagens distintas mas complementares em aeroacústica: aeroacústica computacional (CAA), modelos analíticos e empíricos, e ensaios em vôo e em túnel. A síntese do Projeto é o desenvolvimento de metodologias de análise que possibilitem estimar a geração e propagação de ruído em aeronaves. A intenção é agrupar uma equipe acadêmica e técnica que tem se envolvido ao longo do tempo com problemas de aerodinâmica e, recentemente, em acústica, e proposto soluções particulares segundo uma das abordagens citadas. O que se pretende agora é integrar esse esforço, é aprofundá-lo explorando a complementaridade dos distintos enfoques, é, em última instância, responder, da melhor forma possível, às questões suscitadas pelo problema
de engenharia concreto associado à geração e propagação de ruído em aeronaves. Deseja-se explorar a complementaridade de visões que as distintas abordagens proporcionam.
Como resultado prático desse esforço deve-se efetivar novo patamar tecnológico que
assegure o desenvolvimento e certificação de aeronaves tendo como um dos focos o ruído externo de modo a atender a legislação vigente, com níveis de ruído competitivos para a classe de novas aeronaves a serem desenvolvidas, sem penalizar o custo operacional direto (DOC). Vale ressaltar que a integração das abordagens é inédita no Brasil e muito recente no cenário mundial.