Optimização de recursos para difusão em redes de próxima geração

Esta tese aborda o problema de optimização de recursos de rede, na entrega de Serviços de Comunicação em Grupo, em Redes de Próxima Geração que suportem tecnologias de difusão. De acordo com esta problemática, são feitas propostas que levam em atenção a evolução espectável das redes 3G em Redes Heterogéneas de Próxima Geração que incluam tecnologias de difusão tais como o DVB. A optimização de recursos em Comunicações em Grupo é apresentada como um desafio vertical que deve cruzar diversas camadas. As optimizações aqui propostas cobrem tanto a interface entre Aplicação e a Plataforma de Serviços para a disponibilização de serviços de comunicação em grupo, como as abstracções e mapeamentos feitos na interface entre a Rede Central e a Rede de Acesso Rádio. As optimizações propostas nesta tese, assumem que o caminho evolutivo na direcção de uma Rede de Próxima Geração é feito através do IP. Em primeiro lugar são endereçadas as optimizações entre a Aplicação e a Plataforma de Serviços que já podem ser integradas nas redes 3G existentes. Estas optimizações podem potenciar o desenvolvimento de novas e inovadoras aplicações, que através do uso de mecanismos de distribuição em difusão podem fazer um uso mais eficiente dos recursos de rede. De seguida são apresentadas optimizações ao nível da interface entre a Rede Central e a Rede de Acesso Rádio que abordam a heterogeneidade das redes futuras assim como a necessidade de suportar tecnologias de difusão. É ainda considerada a possibilidade de aumentar a qualidade de serviço de serviços de difusão através do mapeamento do IP multicast em portadoras unidireccionais. Por forma a validar todas estas optimizações, vários protótipos foram desenvolvidos com base num router avançado para redes de acesso de próxima geração. As funcionalidades e arquitectura de software desse router são também aqui apresentadas.

Interacting agents on complex networks and stochastic processes in them

Nas últimas décadas, um grande número de processos têm sido descritos em termos de redes complexas. A teoria de redes complexas vem sendo utilizada com sucesso para descrever, modelar e caracterizar sistemas naturais, artificias e sociais, tais como ecossistemas, interações entre proteínas, a Internet, WWW, até mesmo as relações interpessoais na sociedade. Nesta tese de doutoramento apresentamos alguns modelos de agentes interagentes em redes complexas. Inicialmente, apresentamos uma breve introdução histórica (Capítulo 1), seguida de algumas noções básicas sobre redes complexas (Capítulo 2) e de alguns trabalhos e modelos mais relevantes a esta tese de doutoramento (Capítulo 3). Apresentamos, no Capítulo 4, o estudo de um modelo de dinâmica de opiniões, onde busca-se o consenso entre os agentes em uma população, seguido do estudo da evolução de agentes interagentes em um processo de ramificação espacialmente definido (Capítulo 5). No Capítulo 6 apresentamos um modelo de otimização de fluxos em rede e um estudo do surgimento de redes livres de escala a partir de um processo de otimização . Finalmente, no Capítulo 7, apresentamos nossas conclusões e perspectivas futuras.

Phase transitions and nonlinear phenomena in neuronal network models

Communication and cooperation between billions of neurons underlie the power of the brain. How do complex functions of the brain arise from its cellular constituents? How do groups of neurons self-organize into patterns of activity? These are crucial questions in neuroscience. In order to answer them, it is necessary to have solid theoretical understanding of how single neurons communicate at the microscopic level, and how cooperative activity emerges. In this thesis we aim to understand how complex collective phenomena can arise in a simple model of neuronal networks. We use a model with balanced excitation and inhibition and complex network architecture, and we develop analytical and numerical methods for describing its neuronal dynamics. We study how interaction between neurons generates various collective phenomena, such as spontaneous appearance of network oscillations and seizures, and early warnings of these transitions in neuronal networks. Within our model, we show that phase transitions separate various dynamical regimes, and we investigate the corresponding bifurcations and critical phenomena. It permits us to suggest a qualitative explanation of the Berger effect, and to investigate phenomena such as avalanches, band-pass filter, and stochastic resonance. The role of modular structure in the detection of weak signals is also discussed. Moreover, we find nonlinear excitations that can describe paroxysmal spikes observed in electroencephalograms from epileptic brains. It allows us to propose a method to predict epileptic seizures. Memory and learning are key functions of the brain. There are evidences that these processes result from dynamical changes in the structure of the brain. At the microscopic level, synaptic connections are plastic and are modified according to the dynamics of neurons. Thus, we generalize our cortical model to take into account synaptic plasticity and we show that the repertoire of dynamical regimes becomes richer. In particular, we find mixed-mode oscillations and a chaotic regime in neuronal network dynamics.

Construção da profissionalidade na formação inicial de professores do 1º CEB: o caso de um grupo de professores estagiários da ESEC

Este trabalho põe em evidência o valor formativo da prática profissional supervisionada e da escrita reflexiva com feedback co-construtivo sobre a praxis enquanto eixos estruturantes da construção de competências profissionais na formação inicial de professores do 1.º ciclo do ensino básico. Integrada no paradigma da complexidade e assumindo, do ponto de vista teórico-epistemológico, o diálogo entre o paradigma construtivista da complexidade (Lerbet 1986, 2004; Morin, 1994, s.d.; Le Moigne, 2002, 2003a), o paradigma da complexificação e da epistemologia da escuta/controvérsia (Correia, 2001), o experiencialismo crítico (Alarcão, 2001b) e o construtivismo/socioconstrutivismo (Piaget, 1975; Perret-Clermont, 1978; Morgado, 1988), a investigação que desenvolvemos teve como objectivo central saber como e em que condições, num contexto de formação reflexiva (Schön, 1983, 1992; Zeichner, 1993; Alarcão, 1996b, 2001c; Marcelo, 1999; Sá-Chaves, 2002; Alarcão e Tavares, 2003; Perrenoud, 2004) e, simultaneamente, de investigação (Moreira e Alarcão, 1997; Elliot, 1997; Alarcão, 2001a, 2001b; Moreira, 2001; Esteves, 2002; Estrela, 2003), se opera a construção da profissionalidade e da identidade social docente (Perrenoud, 1995, 2001b; Le Boterf, 1999; DeSeCo, 2002), ou seja, compreender a forma como se estabelecem e evoluem as dimensões que caracterizam o conhecimento profissional e os factores (activadores e inibidores) de desenvolvimento nele envolvidos. Para atingir este objectivo, propusemo-nos desenhar e realizar uma investigação centrada numa metodologia de formação – investigação-acção (Bataille, 1981; Pourtois, 1981; Morin, 1985; Moreira, 2001), de orientação reflexiva, focada no desenvolvimento pessoal e profissional dos alunos do 4.º ano do curso de formação de professores do 1.º CEB, da Escola Superior de Educação de Coimbra. Adoptou-se, por isso, uma dupla modelização para a investigação: o estudo de caso (para a investigação) e a investigação-acção (para a formação). O pólo técnico da investigação (Bruyne, Herman e Schoutheete, 1991) configurou, assim, como modo de investigação, o estudo de caso (multicaso) e as entrevistas, os interrogatórios clínicos (realizados no âmbito da pós-observação da componente de formação Estágio), a escrita regular de narrativas autobiográficas centrada nas trajectórias de formação (de processo e de síntese), a observação de aulas, entre outros, como instrumentos de recolha de dados que pareceram adequados à metodologia essencialmente qualitativa que elegemos. Os mesmos instrumentos, articulada e conjuntamente com outros adoptados no âmbito do desenvolvimento da unidade curricular Observação e Intervenção Educativa IV - Seminário de Análise e Reflexão Práticas, assumiram também funções formativas, ou seja, constituíram, pela análise dos dados que possibilitaram, ferramentas importantes de auto, hetero e co-formação e, concomitantemente, de investigação. A triangulação dos dados provenientes destas múltiplas fontes de informação assegurou o contraditório na gestão dos dados garantindo, deste modo, a validade das conclusões da investigação. Os dados da observação/supervisão das práticas pedagógicas e respectiva análise permitiu-nos: 1) identificar o estabelecimento e a evolução de configurações de relação entre a aprendizagem de competências básicas para o desempenho docente no 1.º CEB e certos aspectos explícitos do contexto de formação inicial tais como a iniciação à prática profissional supervisionada e a escrita reflexiva com feedback co-construtivo; 2) perspectivar, no contexto da iniciação à prática profissional supervisionada, a existência de um espaço de intervenção comum co-concebido, co-planificado, co-desenvolvido e coavaliado pelas instituições formadora e cooperantes em torno de um projecto de formação onde o diálogo prática-teoria-prática emerge como central na construção da complexa rede de competências profissionais que hoje se reclamam na formação inicial de professores; 3) conceber o professor como um profissional crítico-reflexivo e a reflexão e a investigação partilhada como dispositivos centrais de auto-avaliação e auto-regulação do desempenho profissional e do desenvolvimento ao longo da vida; 4) percepcionar a formação inicial do professor de 1.º CEB como o início do processo de vinculação/socialização à profissão. Estas conclusões podem, a nosso ver, contribuir, no quadro de uma colaboração interinstitucional co-formadora, que do ponto de vista das políticas de formação de professores se impõe redefinir, para o reconhecimento e valorização da importância dos contextos de prática supervisionada e da escrita autobiográfica com feedback co-construtivo no desenvolvimento profissional e identitário na formação inicial de educadores/professores e, simultaneamente, sustentar, ancorada numa nova ética de investigação, a teoria da formação na perspectiva da epistemologia do sujeito aprendente.

Networked tourism: from world destinations to inter-organizations

Na última década, a referência ao conceito de redes cresceu rapidamente entre a literatura sobre turismo, geralmente aplicado a tópicos como as interorganizações, estrutura de multi-destinos, espaços de Turismo online, entre outros. O conceito de rede difundiu-se na natureza e na sociedade, em áreas que vão desde a Biologia à Medicina, ou da Economia à Gestão, e o conhecimento sobre redes tem vindo a impulsionar uma teoria comum para facilitar a compreensão de diferentes sistemas complexos e a representação das ligações entre organizações, acções, bens, proteínas ou pessoas. A tese teve como propósito o encontro de um eixo comum entre dois campos férteis de investigação através de uma revisão teórica sistemática. A investigação sobre redes complexas é um campo recente na Física que tem vindo a desenvolver-se bastante na última década com fortes aplicações interdisciplinares. Por outro lado, a análise de redes sociais é uma área de investigação activa em Sociologia e Economia há bastante tempo. O estudo das implicações das redes complexas para a ciência das redes de turismo é uma área promissora já com resultados fascinantes. A tese tem três resultados principais. Primeiro, traz conhecimento das ricas áreas de conhecimento sobre redes complexas e redes sociais. Em segundo lugar, apresenta modelos evolutivos que melhor se adaptam às chegadas turísticas internacionais. Como se organizam as redes sociais? Como é que os indivíduos escolhem os seus destinos de viagem? Estes são exemplos de questões que serão abordadas na tese. Em terceiro lugar, discute resultados que fazem notar comportamentos comuns entre redes em turismo e outras redes reais. O que é comum a todas as redes na natureza? Adicionalmente, os padrões encontrados entre os destinos turísticos mostram um comportamento não social, com destinos mais característicos de redes económicas e sistemas tecnológicos que questionam a faceta social do sector do turismo. Por acréscimo, a rede de transportes aéreos e a rede de turismo mostram diferenças consideráveis que se podem dever a razões políticas ou outras que provavelmente explicam o aumento da utilização de voos charters.

Novel critical phenomena in optimization driven processes on networks

The work presented in this Ph.D thesis was developed in the context of complex network theory, from a statistical physics standpoint. We examine two distinct problems in this research field, taking a special interest in their respective critical properties. In both cases, the emergence of criticality is driven by a local optimization dynamics. Firstly, a recently introduced class of percolation problems that attracted a significant amount of attention from the scientific community, and was quickly followed up by an abundance of other works. Percolation transitions were believed to be continuous, until, recently, an 'explosive' percolation problem was reported to undergo a discontinuous transition, in [93]. The system's evolution is driven by a metropolis-like algorithm, apparently producing a discontinuous jump on the giant component's size at the percolation threshold. This finding was subsequently supported by number of other experimental studies [96, 97, 98, 99, 100, 101]. However, in [1] we have proved that the explosive percolation transition is actually continuous. The discontinuity which was observed in the evolution of the giant component's relative size is explained by the unusual smallness of the corresponding critical exponent, combined with the finiteness of the systems considered in experiments. Therefore, the size of the jump vanishes as the system's size goes to infinity. Additionally, we provide the complete theoretical description of the critical properties for a generalized version of the explosive percolation model [2], as well as a method [3] for a precise calculation of percolation's critical properties from numerical data (useful when exact results are not available). Secondly, we study a network flow optimization model, where the dynamics consists of consecutive mergings and splittings of currents flowing in the network. The current conservation constraint does not impose any particular criterion for the split of current among channels outgoing nodes, allowing us to introduce an asymmetrical rule, observed in several real systems. We solved analytically the dynamic equations describing this model in the high and low current regimes. The solutions found are compared with numerical results, for the two regimes, showing an excellent agreement. Surprisingly, in the low current regime, this model exhibits some features usually associated with continuous phase transitions.

On the application of optimal control techniques in lossy fieldbuses

The performance of real-time networks is under continuous improvement as a result of several trends in the digital world. However, these tendencies not only cause improvements, but also exacerbates a series of unideal aspects of real-time networks such as communication latency, jitter of the latency and packet drop rate. This Thesis focuses on the communication errors that appear on such realtime networks, from the point-of-view of automatic control. Specifically, it investigates the effects of packet drops in automatic control over fieldbuses, as well as the architectures and optimal techniques for their compensation. Firstly, a new approach to address the problems that rise in virtue of such packet drops, is proposed. This novel approach is based on the simultaneous transmission of several values in a single message. Such messages can be from sensor to controller, in which case they are comprised of several past sensor readings, or from controller to actuator in which case they are comprised of estimates of several future control values. A series of tests reveal the advantages of this approach. The above-explained approach is then expanded as to accommodate the techniques of contemporary optimal control. However, unlike the aforementioned approach, that deliberately does not send certain messages in order to make a more efficient use of network resources; in the second case, the techniques are used to reduce the effects of packet losses. After these two approaches that are based on data aggregation, it is also studied the optimal control in packet dropping fieldbuses, using generalized actuator output functions. This study ends with the development of a new optimal controller, as well as the function, among the generalized functions that dictate the actuator’s behaviour in the absence of a new control message, that leads to the optimal performance. The Thesis also presents a different line of research, related with the output oscillations that take place as a consequence of the use of classic co-design techniques of networked control. The proposed algorithm has the goal of allowing the execution of such classical co-design algorithms without causing an output oscillation that increases the value of the cost function. Such increases may, under certain circumstances, negate the advantages of the application of the classical co-design techniques. A yet another line of research, investigated algorithms, more efficient than contemporary ones, to generate task execution sequences that guarantee that at least a given number of activated jobs will be executed out of every set composed by a predetermined number of contiguous activations. This algorithm may, in the future, be applied to the generation of message transmission patterns in the above-mentioned techniques for the efficient use of network resources. The proposed task generation algorithm is better than its predecessors in the sense that it is capable of scheduling systems that cannot be scheduled by its predecessor algorithms. The Thesis also presents a mechanism that allows to perform multi-path routing in wireless sensor networks, while ensuring that no value will be counted in duplicate. Thereby, this technique improves the performance of wireless sensor networks, rendering them more suitable for control applications. As mentioned before, this Thesis is centered around techniques for the improvement of performance of distributed control systems in which several elements are connected through a fieldbus that may be subject to packet drops. The first three approaches are directly related to this topic, with the first two approaching the problem from an architectural standpoint, whereas the third one does so from more theoretical grounds. The fourth approach ensures that the approaches to this and similar problems that can be found in the literature that try to achieve goals similar to objectives of this Thesis, can do so without causing other problems that may invalidate the solutions in question. Then, the thesis presents an approach to the problem dealt with in it, which is centered in the efficient generation of the transmission patterns that are used in the aforementioned approaches.

Calculus of variations on time scales and applications to economics

We consider some problems of the calculus of variations on time scales. On the beginning our attention is paid on two inverse extremal problems on arbitrary time scales. Firstly, using the Euler-Lagrange equation and the strengthened Legendre condition, we derive a general form for a variation functional that attains a local minimum at a given point of the vector space. Furthermore, we prove a necessary condition for a dynamic integro-differential equation to be an Euler-Lagrange equation. New and interesting results for the discrete and quantum calculus are obtained as particular cases. Afterwards, we prove Euler-Lagrange type equations and transversality conditions for generalized infinite horizon problems. Next we investigate the composition of a certain scalar function with delta and nabla integrals of a vector valued field. Euler-Lagrange equations in integral form, transversality conditions, and necessary optimality conditions for isoperimetric problems, on an arbitrary time scale, are proved. In the end, two main issues of application of time scales in economic, with interesting results, are presented. In the former case we consider a firm that wants to program its production and investment policies to reach a given production rate and to maximize its future market competitiveness. The model which describes firm activities is studied in two different ways: using classical discretizations; and applying discrete versions of our result on time scales. In the end we compare the cost functional values obtained from those two approaches. The latter problem is more complex and relates to rate of inflation, p, and rate of unemployment, u, which inflict a social loss. Using known relations between p, u, and the expected rate of inflation π, we rewrite the social loss function as a function of π. We present this model in the time scale framework and find an optimal path π that minimizes the total social loss over a given time interval.