Hilbert space on probability density functions with Aitchison geometry

Compositional data analysis motivated the introduction of a complete Euclidean structure in the simplex of D parts. This was based on the early work of J. Aitchison (1986) and completed recently when Aitchinson distance in the simplex was associated with an inner product and orthonormal bases were identified (Aitchison and others, 2002; Egozcue and others, 2003). A partition of the support of a random variable generates a composition by assigning the probability of each interval to a part of the composition. One can imagine that the partition can be refined and the probability density would represent a kind of continuous composition of probabilities in a simplex of infinitely many parts. This intuitive idea would lead to a Hilbert-space of probability densities by generalizing the Aitchison geometry for compositions in the simplex into the set probability densities

Aitchison Geometry for Probability and Likelihood as a new approach to mathematical statistics

The Aitchison vector space structure for the simplex is generalized to a Hilbert space structure A2(P) for distributions and likelihoods on arbitrary spaces. Central notations of statistics, such as Information or Likelihood, can be identified in the algebraical structure of A2(P) and their corresponding notions in compositional data analysis, such as Aitchison distance or centered log ratio transform. In this way very elaborated aspects of mathematical statistics can be understood easily in the light of a simple vector space structure and of compositional data analysis. E.g. combination of statistical information such as Bayesian updating, combination of likelihood and robust M-estimation functions are simple additions/ perturbations in A2(Pprior). Weighting observations corresponds to a weighted addition of the corresponding evidence. Likelihood based statistics for general exponential families turns out to have a particularly easy interpretation in terms of A2(P). Regular exponential families form finite dimensional linear subspaces of A2(P) and they correspond to finite dimensional subspaces formed by their posterior in the dual information space A2(Pprior). The Aitchison norm can identified with mean Fisher information. The closing constant itself is identified with a generalization of the cummulant function and shown to be Kullback Leiblers directed information. Fisher information is the local geometry of the manifold induced by the A2(P) derivative of the Kullback Leibler information and the space A2(P) can therefore be seen as the tangential geometry of statistical inference at the distribution P. The discussion of A2(P) valued random variables, such as estimation functions or likelihoods, give a further interpretation of Fisher information as the expected squared norm of evidence and a scale free understanding of unbiased reasoning

Markov chain montecarlo method applied to rounding zeros of compositional data: first approach

As stated in Aitchison (1986), a proper study of relative variation in a compositional data set should be based on logratios, and dealing with logratios excludes dealing with zeros. Nevertheless, it is clear that zero observations might be present in real data sets, either because the corresponding part is completely absent –essential zeros– or because it is below detection limit –rounded zeros. Because the second kind of zeros is usually understood as “a trace too small to measure”, it seems reasonable to replace them by a suitable small value, and this has been the traditional approach. As stated, e.g. by Tauber (1999) and by Martín-Fernández, Barceló-Vidal, and Pawlowsky-Glahn (2000), the principal problem in compositional data analysis is related to rounded zeros. One should be careful to use a replacement strategy that does not seriously distort the general structure of the data. In particular, the covariance structure of the involved parts –and thus the metric properties– should be preserved, as otherwise further analysis on subpopulations could be misleading. Following this point of view, a non-parametric imputation method is introduced in Martín-Fernández, Barceló-Vidal, and Pawlowsky-Glahn (2000). This method is analyzed in depth by Martín-Fernández, Barceló-Vidal, and Pawlowsky-Glahn (2003) where it is shown that the theoretical drawbacks of the additive zero replacement method proposed in Aitchison (1986) can be overcome using a new multiplicative approach on the non-zero parts of a composition. The new approach has reasonable properties from a compositional point of view. In particular, it is “natural” in the sense that it recovers the “true” composition if replacement values are identical to the missing values, and it is coherent with the basic operations on the simplex. This coherence implies that the covariance structure of subcompositions with no zeros is preserved. As a generalization of the multiplicative replacement, in the same paper a substitution method for missing values on compositional data sets is introduced

Bayesian tools for zero counts in compositional data

The log-ratio methodology makes available powerful tools for analyzing compositional data. Nevertheless, the use of this methodology is only possible for those data sets without null values. Consequently, in those data sets where the zeros are present, a previous treatment becomes necessary. Last advances in the treatment of compositional zeros have been centered especially in the zeros of structural nature and in the rounded zeros. These tools do not contemplate the particular case of count compositional data sets with null values. In this work we deal with \count zeros" and we introduce a treatment based on a mixed Bayesian-multiplicative estimation. We use the Dirichlet probability distribution as a prior and we estimate the posterior probabilities. Then we apply a multiplicative modi¯cation for the non-zero values. We present a case study where this new methodology is applied. Key words: count data, multiplicative replacement, composition, log-ratio analysis

Evaluating the probability and the impact of a failure in GMPLS based networks

In this paper, we define a new scheme to develop and evaluate protection strategies for building reliable GMPLS networks. This is based on what we have called the network protection degree (NPD). The NPD consists of an a priori evaluation, the failure sensibility degree (FSD), which provides the failure probability, and an a posteriori evaluation, the failure impact degree (FID), which determines the impact on the network in case of failure, in terms of packet loss and recovery time. Having mathematical formulated these components, experimental results demonstrate the benefits of the utilization of the NPD, when used to enhance some current QoS routing algorithms in order to offer a certain degree of protection

Resource dimensioning aspect of heterogeneous traffic with different service requirements: Integration versus segregation

In this paper, we consider the ATM networks in which the virtual path concept is implemented. The question of how to multiplex two or more diverse traffic classes while providing different quality of service requirements is a very complicated open problem. Two distinct options are available: integration and segregation. In an integration approach all the traffic from different connections are multiplexed onto one VP. This implies that the most restrictive QOS requirements must be applied to all services. Therefore, link utilization will be decreased because unnecessarily stringent QOS is provided to all connections. With the segregation approach the problem can be much simplified if different types of traffic are separated by assigning a VP with dedicated resources (buffers and links). Therefore, resources may not be efficiently utilized because no sharing of bandwidth can take place across the VP. The probability that the bandwidth required by the accepted connections exceeds the capacity of the link is evaluated with the probability of congestion (PC). Since the PC can be expressed as the CLP, we shall simply carry out bandwidth allocation using the PC. We first focus on the influence of some parameters (CLP, bit rate and burstiness) on the capacity required by a VP supporting a single traffic class using the new convolution approach. Numerical results are presented both to compare the required capacity and to observe which conditions under each approach are preferred

Knowledge integration within an applied mobile robot summer course

This paper presents the use of a mobile robot platform as an innovative educational tool in order to promote and integrate different curriculum knowledge. Hence, it is presented the acquired experience within a summer course named ldquoapplied mobile roboticsrdquo. The main aim of the course is to integrate different subjects as electronics, programming, architecture, perception systems, communications, control and trajectory planning by using the educational open mobile robot platform PRIM. The summer course is addressed to a wide range of student profiles. However, it is of special interests to the students of electrical and computer engineering around their final academic year. The summer course consists of the theoretical and laboratory sessions, related to the following topics: design & programming of electronic devices, modelling and control systems, trajectory planning and control, and computer vision systems. Therefore, the clues for achieving a renewed path of progress in robotics are the integration of several knowledgeable fields, such as computing, communications, and control sciences, in order to perform a higher level reasoning and use decision tools with strong theoretical base

Estimation of the probability of congestion using Monte Carlo method in OPS networks

In networks with small buffers, such as optical packet switching based networks, the convolution approach is presented as one of the most accurate method used for the connection admission control. Admission control and resource management have been addressed in other works oriented to bursty traffic and ATM. This paper focuses on heterogeneous traffic in OPS based networks. Using heterogeneous traffic and bufferless networks the enhanced convolution approach is a good solution. However, both methods (CA and ECA) present a high computational cost for high number of connections. Two new mechanisms (UMCA and ISCA) based on Monte Carlo method are proposed to overcome this drawback. Simulation results show that our proposals achieve lower computational cost compared to enhanced convolution approach with an small stochastic error in the probability estimation

Fronts from complex two-dimensional dispersal kernels: theory and application to Reid's paradox

Bimodal dispersal probability distributions with characteristic distances differing by several orders of magnitude have been derived and favorably compared to observations by Nathan [Nature (London) 418, 409 (2002)]. For such bimodal kernels, we show that two-dimensional molecular dynamics computer simulations are unable to yield accurate front speeds. Analytically, the usual continuous-space random walks (CSRWs) are applied to two dimensions. We also introduce discrete-space random walks and use them to check the CSRW results (because of the inefficiency of the numerical simulations). The physical results reported are shown to predict front speeds high enough to possibly explain Reid's paradox of rapid tree migration. We also show that, for a time-ordered evolution equation, fronts are always slower in two dimensions than in one dimension and that this difference is important both for unimodal and for bimodal kernels

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Congestion probability routing in virtual path ATM network

This dissertation focuses on the problem of providing mechanisms for routing point to point and multipoint connections in ATM networks. In general the notion of multipoint connection refers to connections that involve a group of users with more than two members. The main objective of this dissertation is to contribute to design efficient routing protocols with alterative routes in fully connected VP-based ATM Networks for call establishment of point to point and multipoint VC connections. An efficient route should be computed during this connection establishment phase.

Enhanced fault recovery methods for protected traffic services in GMPLS networks

Les noves tecnologies a la xarxa ens permeten transportar, cada cop més, grans volums d' informació i trànsit de xarxa amb diferents nivells de prioritat. En aquest escenari, on s'ofereix una millor qualitat de servei, les conseqüències d'una fallada en un enllaç o en un node esdevenen més importants. Multiprotocol Lavel Switching (MPLS), juntament amb l'extensió a MPLS generalitzat (GMPLS), proporcionen mecanismes ràpids de recuperació de fallada establint camins, Label Switch Path (LSPs), redundants per ser utilitzats com a camins alternatius. En cas de fallada podrem utilitzar aquests camins per redireccionar el trànsit. El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat millorar alguns dels actuals mecanismes de recuperació de fallades MPLS/GMPLS, amb l'objectiu de suportar els requeriments de protecció dels serveis proporcionats per la nova Internet. Per tal de fer aquesta avaluació s'han tingut en compte alguns paràmetres de qualitat de protecció com els temps de recuperació de fallada, les pèrdues de paquets o el consum de recursos. En aquesta tesi presentem una completa revisió i comparació dels principals mètodes de recuperació de fallada basats en MPLS. Aquest anàlisi inclou els mètodes de protecció del camí (backups globals, backups inversos i protecció 1+1), els mètodes de protecció locals i els mètodes de protecció de segments. També s'ha tingut en compte l'extensió d'aquests mecanismes a les xarxes òptiques mitjançant el pla de control proporcionat per GMPLS. En una primera fase d'aquest treball, cada mètode de recuperació de fallades és analitzat sense tenir en compte restriccions de recursos o de topologia. Aquest anàlisi ens dóna una primera classificació dels millors mecanismes de protecció en termes de pèrdues de paquets i temps de recuperació. Aquest primer anàlisi no és aplicable a xarxes reals. Per tal de tenir en compte aquest nou escenari, en una segona fase, s'analitzen els algorismes d'encaminament on sí tindrem en compte aquestes limitacions i restriccions de la xarxa. Es presenten alguns dels principals algorismes d'encaminament amb qualitat de servei i alguna de les principals propostes d'encaminament per xarxes MPLS. La majoria dels actual algorismes d'encaminament no tenen en compte l'establiment de rutes alternatives o utilitzen els mateixos objectius per seleccionar els camins de treball i els de protecció. Per millorar el nivell de protecció introduïm i formalitzem dos nous conceptes: la Probabilitat de fallada de la xarxa i l'Impacte de fallada. Un anàlisi de la xarxa a nivell físic proporciona un primer element per avaluar el nivell de protecció en termes de fiabilitat i disponibilitat de la xarxa. Formalitzem l'impacte d'una fallada, quant a la degradació de la qualitat de servei (en termes de retard i pèrdues de paquets). Expliquem la nostra proposta per reduir la probabilitat de fallada i l'impacte de fallada. Per últim fem una nova definició i classificació dels serveis de xarxa segons els valors requerits de probabilitat de fallada i impacte. Un dels aspectes que destaquem dels resultats d'aquesta tesi és que els mecanismes de protecció global del camí maximitzen la fiabilitat de la xarxa, mentre que les tècniques de protecció local o de segments de xarxa minimitzen l'impacte de fallada. Per tant podem assolir mínim impacte i màxima fiabilitat aplicant protecció local a tota la xarxa, però no és una proposta escalable en termes de consum de recursos. Nosaltres proposem un mecanisme intermig, aplicant protecció de segments combinat amb el nostre model d'avaluació de la probabilitat de fallada. Resumint, aquesta tesi presenta diversos mecanismes per l'anàlisi del nivell de protecció de la xarxa. Els resultats dels models i mecanismes proposats milloren la fiabilitat i minimitzen l'impacte d'una fallada en la xarxa.