Wireless systems for the fourth generation

Today, third generation networks are consolidated realities, and user expectations on new applications and services are becoming higher and higher. Therefore, new systems and technologies are necessary to move towards the market needs and the user requirements. This has driven the development of fourth generation networks. ”Wireless network for the fourth generation” is the expression used to describe the next step in wireless communications. There is no formal definition for what these fourth generation networks are; however, we can say that the next generation networks will be based on the coexistence of heterogeneous networks, on the integration with the existing radio access network (e.g. GPRS, UMTS, WIFI, ...) and, in particular, on new emerging architectures that are obtaining more and more relevance, as Wireless Ad Hoc and Sensor Networks (WASN). Thanks to their characteristics, fourth generation wireless systems will be able to offer custom-made solutions and applications personalized according to the user requirements; they will offer all types of services at an affordable cost, and solutions characterized by flexibility, scalability and reconfigurability. This PhD’s work has been focused on WASNs, autoconfiguring networks which are not based on a fixed infrastructure, but are characterized by being infrastructure less, where devices have to automatically generate the network in the initial phase, and maintain it through reconfiguration procedures (if nodes’ mobility, or energy drain, etc..., cause disconnections). The main part of the PhD activity has been focused on an analytical study on connectivity models for wireless ad hoc and sensor networks, nevertheless a small part of my work was experimental. Anyway, both the theoretical and experimental activities have had a common aim, related to the performance evaluation of WASNs. Concerning the theoretical analysis, the objective of the connectivity studies has been the evaluation of models for the interference estimation. This is due to the fact that interference is the most important performance degradation cause in WASNs. As a consequence, is very important to find an accurate model that allows its investigation, and I’ve tried to obtain a model the most realistic and general as possible, in particular for the evaluation of the interference coming from bounded interfering areas (i.e. a WiFi hot spot, a wireless covered research laboratory, ...). On the other hand, the experimental activity has led to Throughput and Packet Error Rare measurements on a real IEEE802.15.4 Wireless Sensor Network.

High-performance switching architectures for optical networks

The need for high bandwidth, due to the explosion of new multi\-media-oriented IP-based services, as well as increasing broadband access requirements is leading to the need of flexible and highly reconfigurable optical networks. While transmission bandwidth does not represent a limit due to the huge bandwidth provided by optical fibers and Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) technology, the electronic switching nodes in the core of the network represent the bottleneck in terms of speed and capacity for the overall network. For this reason DWDM technology must be exploited not only for data transport but also for switching operations. In this Ph.D. thesis solutions for photonic packet switches, a flexible alternative with respect to circuit-switched optical networks are proposed. In particular solutions based on devices and components that are expected to mature in the near future are proposed, with the aim to limit the employment of complex components. The work presented here is the result of part of the research activities performed by the Networks Research Group at the Department of Electronics, Computer Science and Systems (DEIS) of the University of Bologna, Italy. In particular, the work on optical packet switching has been carried on within three relevant research projects: the e-Photon/ONe and e-Photon/ONe+ projects, funded by the European Union in the Sixth Framework Programme, and the national project OSATE funded by the Italian Ministry of Education, University and Scientific Research. The rest of the work is organized as follows. Chapter 1 gives a brief introduction to network context and contention resolution in photonic packet switches. Chapter 2 presents different strategies for contention resolution in wavelength domain. Chapter 3 illustrates a possible implementation of one of the schemes proposed in chapter 2. Then, chapter 4 presents multi-fiber switches, which employ jointly wavelength and space domains to solve contention. Chapter 5 shows buffered switches, to solve contention in time domain besides wavelength domain. Finally chapter 6 presents a cost model to compare different switch architectures in terms of cost.

Nonlinear/electromagnetic co-simulation of microwaves and millimeter-waves links

The Ph.D. thesis describes the simulations of different microwave links from the transmitter to the receiver intermediate-frequency ports, by means of a rigorous circuit-level nonlinear analysis approach coupled with the electromagnetic characterization of the transmitter and receiver front ends. This includes a full electromagnetic computation of the radiated far field which is used to establish the connection between transmitter and receiver. Digitally modulated radio-frequency drive is treated by a modulation-oriented harmonic-balance method based on Krylov-subspace model-order reduction to allow the handling of large-size front ends. Different examples of links have been presented: an End-to-End link simulated by making use of an artificial neural network model; the latter allows a fast computation of the link itself when driven by long sequences of the order of millions of samples. In this way a meaningful evaluation of such link performance aspects as the bit error rate becomes possible at the circuit level. Subsequently, a work focused on the co-simulation an entire link including a realistic simulation of the radio channel has been presented. The channel has been characterized by means of a deterministic approach, such as Ray Tracing technique. Then, a 2x2 multiple-input multiple-output antenna link has been simulated; in this work near-field and far-field coupling between radiating elements, as well as the environment factors, has been rigorously taken into account. Finally, within the scope to simulate an entire ultra-wideband link, the transmitting side of an ultrawideband link has been designed, and an interesting Front-End co-design technique application has been setup.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Analysis of ion channel stochastic signals for biosensing

In biological world, life of cells is guaranteed by their ability to sense and to respond to a large variety of internal and external stimuli. In particular, excitable cells, like muscle or nerve cells, produce quick depolarizations in response to electrical, mechanical or chemical stimuli: this means that they can change their internal potential through a quick exchange of ions between cytoplasm and the external environment. This can be done thanks to the presence of ion channels, proteins that span the lipid bilayer and act like switches, allowing ionic current to flow opening and shutting in a stochastic way. For a particular class of ion channels, ligand-gated ion channels, the gating processes is strongly influenced by binding between receptive sites located on the channel surface and specific target molecules. These channels, inserted in biomimetic membranes and in presence of a proper electronic system for acquiring and elaborating the electrical signal, could give us the possibility of detecting and quantifying concentrations of specific molecules in complex mixtures from ionic currents across the membrane; in this thesis work, this possibility is investigated. In particular, it reports a description of experiments focused on the creation and the characterization of artificial lipid membranes, the reconstitution of ion channels and the analysis of their electrical and statistical properties. Moreover, after a chapter about the basis of the modelling of the kinetic behaviour of ligand gated ion channels, a possible approach for the estimation of the target molecule concentration, based on a statistical analysis of the ion channel open probability, is proposed. The fifth chapter contains a description of the kinetic characterisation of a ligand gated ion channel: the homomeric α2 isoform of the glycine receptor. It involved both experimental acquisitions and signal analysis. The last chapter represents the conclusions of this thesis, with some remark on the effective performance that may be achieved using ligand gated ion channels as sensing elements.

A skin surface characterization system based on capacitive image analysis

During the last few years, several methods have been proposed in order to study and to evaluate characteristic properties of the human skin by using non-invasive approaches. Mostly, these methods cover aspects related to either dermatology, to analyze skin physiology and to evaluate the effectiveness of medical treatments in skin diseases, or dermocosmetics and cosmetic science to evaluate, for example, the effectiveness of anti-aging treatments. To these purposes a routine approach must be followed. Although very accurate and high resolution measurements can be achieved by using conventional methods, such as optical or mechanical profilometry for example, their use is quite limited primarily to the high cost of the instrumentation required, which in turn is usually cumbersome, highlighting some of the limitations for a routine based analysis. This thesis aims to investigate the feasibility of a noninvasive skin characterization system based on the analysis of capacitive images of the skin surface. The system relies on a CMOS portable capacitive device which gives 50 micron/pixel resolution capacitance map of the skin micro-relief. In order to extract characteristic features of the skin topography, image analysis techniques, such as watershed segmentation and wavelet analysis, have been used to detect the main structures of interest: wrinkles and plateau of the typical micro-relief pattern. In order to validate the method, the features extracted from a dataset of skin capacitive images acquired during dermatological examinations of a healthy group of volunteers have been compared with the age of the subjects involved, showing good correlation with the skin ageing effect. Detailed analysis of the output of the capacitive sensor compared with optical profilometry of silicone replica of the same skin area has revealed potentiality and some limitations of this technology. Also, applications to follow-up studies, as needed to objectively evaluate the effectiveness of treatments in a routine manner, are discussed.

Design and Performance Evaluation of Network-on-Chip Communication Protocols and Architectures

The scale down of transistor technology allows microelectronics manufacturers such as Intel and IBM to build always more sophisticated systems on a single microchip. The classical interconnection solutions based on shared buses or direct connections between the modules of the chip are becoming obsolete as they struggle to sustain the increasing tight bandwidth and latency constraints that these systems demand. The most promising solution for the future chip interconnects are the Networks on Chip (NoC). NoCs are network composed by routers and channels used to inter- connect the different components installed on the single microchip. Examples of advanced processors based on NoC interconnects are the IBM Cell processor, composed by eight CPUs that is installed on the Sony Playstation III and the Intel Teraflops pro ject composed by 80 independent (simple) microprocessors. On chip integration is becoming popular not only in the Chip Multi Processor (CMP) research area but also in the wider and more heterogeneous world of Systems on Chip (SoC). SoC comprehend all the electronic devices that surround us such as cell-phones, smart-phones, house embedded systems, automotive systems, set-top boxes etc... SoC manufacturers such as ST Microelectronics , Samsung, Philips and also Universities such as Bologna University, M.I.T., Berkeley and more are all proposing proprietary frameworks based on NoC interconnects. These frameworks help engineers in the switch of design methodology and speed up the development of new NoC-based systems on chip. In this Thesis we propose an introduction of CMP and SoC interconnection networks. Then focusing on SoC systems we propose: • a detailed analysis based on simulation of the Spidergon NoC, a ST Microelectronics solution for SoC interconnects. The Spidergon NoC differs from many classical solutions inherited from the parallel computing world. Here we propose a detailed analysis of this NoC topology and routing algorithms. Furthermore we propose aEqualized a new routing algorithm designed to optimize the use of the resources of the network while also increasing its performance; • a methodology flow based on modified publicly available tools that combined can be used to design, model and analyze any kind of System on Chip; • a detailed analysis of a ST Microelectronics-proprietary transport-level protocol that the author of this Thesis helped developing; • a simulation-based comprehensive comparison of different network interface designs proposed by the author and the researchers at AST lab, in order to integrate shared-memory and message-passing based components on a single System on Chip; • a powerful and flexible solution to address the time closure exception issue in the design of synchronous Networks on Chip. Our solution is based on relay stations repeaters and allows to reduce the power and area demands of NoC interconnects while also reducing its buffer needs; • a solution to simplify the design of the NoC by also increasing their performance and reducing their power and area consumption. We propose to replace complex and slow virtual channel-based routers with multiple and flexible small Multi Plane ones. This solution allows us to reduce the area and power dissipation of any NoC while also increasing its performance especially when the resources are reduced. This Thesis has been written in collaboration with the Advanced System Technology laboratory in Grenoble France, and the Computer Science Department at Columbia University in the city of New York.

Self-Organizing Mechanisms for Task Allocation in a Knowledge-Based Economy

A prevalent claim is that we are in knowledge economy. When we talk about knowledge economy, we generally mean the concept of “Knowledge-based economy” indicating the use of knowledge and technologies to produce economic benefits. Hence knowledge is both tool and raw material (people’s skill) for producing some kind of product or service. In this kind of environment economic organization is undergoing several changes. For example authority relations are less important, legal and ownership-based definitions of the boundaries of the firm are becoming irrelevant and there are only few constraints on the set of coordination mechanisms. Hence what characterises a knowledge economy is the growing importance of human capital in productive processes (Foss, 2005) and the increasing knowledge intensity of jobs (Hodgson, 1999). Economic processes are also highly intertwined with social processes: they are likely to be informal and reciprocal rather than formal and negotiated. Another important point is also the problem of the division of labor: as economic activity becomes mainly intellectual and requires the integration of specific and idiosyncratic skills, the task of dividing the job and assigning it to the most appropriate individuals becomes arduous, a “supervisory problem” (Hogdson, 1999) emerges and traditional hierarchical control may result increasingly ineffective. Not only specificity of know how makes it awkward to monitor the execution of tasks, more importantly, top-down integration of skills may be difficult because ‘the nominal supervisors will not know the best way of doing the job – or even the precise purpose of the specialist job itself – and the worker will know better’ (Hogdson,1999). We, therefore, expect that the organization of the economic activity of specialists should be, at least partially, self-organized. The aim of this thesis is to bridge studies from computer science and in particular from Peer-to-Peer Networks (P2P) to organization theories. We think that the P2P paradigm well fits with organization problems related to all those situation in which a central authority is not possible. We believe that P2P Networks show a number of characteristics similar to firms working in a knowledge-based economy and hence that the methodology used for studying P2P Networks can be applied to organization studies. Three are the main characteristics we think P2P have in common with firms involved in knowledge economy: - Decentralization: in a pure P2P system every peer is an equal participant, there is no central authority governing the actions of the single peers; - Cost of ownership: P2P computing implies shared ownership reducing the cost of owing the systems and the content, and the cost of maintaining them; - Self-Organization: it refers to the process in a system leading to the emergence of global order within the system without the presence of another system dictating this order. These characteristics are present also in the kind of firm that we try to address and that’ why we have shifted the techniques we adopted for studies in computer science (Marcozzi et al., 2005; Hales et al., 2007 [39]) to management science.

EXAM-S: an Analysis tool for Multi-Domain Policy Sets

As distributed collaborative applications and architectures are adopting policy based management for tasks such as access control, network security and data privacy, the management and consolidation of a large number of policies is becoming a crucial component of such policy based systems. In large-scale distributed collaborative applications like web services, there is the need of analyzing policy interactions and integrating policies. In this thesis, we propose and implement EXAM-S, a comprehensive environment for policy analysis and management, which can be used to perform a variety of functions such as policy property analyses, policy similarity analysis, policy integration etc. As part of this environment, we have proposed and implemented new techniques for the analysis of policies that rely on a deep study of state of the art techniques. Moreover, we propose an approach for solving heterogeneity problems that usually arise when considering the analysis of policies belonging to different domains. Our work focuses on analysis of access control policies written in the dialect of XACML (Extensible Access Control Markup Language). We consider XACML policies because XACML is a rich language which can represent many policies of interest to real world applications and is gaining widespread adoption in the industry.

Kernel Methods for Tree Structured Data

Machine learning comprises a series of techniques for automatic extraction of meaningful information from large collections of noisy data. In many real world applications, data is naturally represented in structured form. Since traditional methods in machine learning deal with vectorial information, they require an a priori form of preprocessing. Among all the learning techniques for dealing with structured data, kernel methods are recognized to have a strong theoretical background and to be effective approaches. They do not require an explicit vectorial representation of the data in terms of features, but rely on a measure of similarity between any pair of objects of a domain, the kernel function. Designing fast and good kernel functions is a challenging problem. In the case of tree structured data two issues become relevant: kernel for trees should not be sparse and should be fast to compute. The sparsity problem arises when, given a dataset and a kernel function, most structures of the dataset are completely dissimilar to one another. In those cases the classifier has too few information for making correct predictions on unseen data. In fact, it tends to produce a discriminating function behaving as the nearest neighbour rule. Sparsity is likely to arise for some standard tree kernel functions, such as the subtree and subset tree kernel, when they are applied to datasets with node labels belonging to a large domain. A second drawback of using tree kernels is the time complexity required both in learning and classification phases. Such a complexity can sometimes prevents the kernel application in scenarios involving large amount of data. This thesis proposes three contributions for resolving the above issues of kernel for trees. A first contribution aims at creating kernel functions which adapt to the statistical properties of the dataset, thus reducing its sparsity with respect to traditional tree kernel functions. Specifically, we propose to encode the input trees by an algorithm able to project the data onto a lower dimensional space with the property that similar structures are mapped similarly. By building kernel functions on the lower dimensional representation, we are able to perform inexact matchings between different inputs in the original space. A second contribution is the proposal of a novel kernel function based on the convolution kernel framework. Convolution kernel measures the similarity of two objects in terms of the similarities of their subparts. Most convolution kernels are based on counting the number of shared substructures, partially discarding information about their position in the original structure. The kernel function we propose is, instead, especially focused on this aspect. A third contribution is devoted at reducing the computational burden related to the calculation of a kernel function between a tree and a forest of trees, which is a typical operation in the classification phase and, for some algorithms, also in the learning phase. We propose a general methodology applicable to convolution kernels. Moreover, we show an instantiation of our technique when kernels such as the subtree and subset tree kernels are employed. In those cases, Direct Acyclic Graphs can be used to compactly represent shared substructures in different trees, thus reducing the computational burden and storage requirements.

Expressiveness of Concurrent Languages

The aim of this thesis is to go through different approaches for proving expressiveness properties in several concurrent languages. We analyse four different calculi exploiting for each one a different technique. We begin with the analysis of a synchronous language, we explore the expressiveness of a fragment of CCS! (a variant of Milner's CCS where replication is considered instead of recursion) w.r.t. the existence of faithful encodings (i.e. encodings that respect the behaviour of the encoded model without introducing unnecessary computations) of models of computability strictly less expressive than Turing Machines. Namely, grammars of types 1,2 and 3 in the Chomsky Hierarchy. We then move to asynchronous languages and we study full abstraction for two Linda-like languages. Linda can be considered as the asynchronous version of CCS plus a shared memory (a multiset of elements) that is used for storing messages. After having defined a denotational semantics based on traces, we obtain fully abstract semantics for both languages by using suitable abstractions in order to identify different traces which do not correspond to different behaviours. Since the ability of one of the two variants considered of recognising multiple occurrences of messages in the store (which accounts for an increase of expressiveness) reflects in a less complex abstraction, we then study other languages where multiplicity plays a fundamental role. We consider the language CHR (Constraint Handling Rules) a language which uses multi-headed (guarded) rules. We prove that multiple heads augment the expressive power of the language. Indeed we show that if we restrict to rules where the head contains at most n atoms we could generate a hierarchy of languages with increasing expressiveness (i.e. the CHR language allowing at most n atoms in the heads is more expressive than the language allowing at most m atoms, with m

A core calculus for the analysis and implementation of biologically inspired languages

The application of Concurrency Theory to Systems Biology is in its earliest stage of progress. The metaphor of cells as computing systems by Regev and Shapiro opened the employment of concurrent languages for the modelling of biological systems. Their peculiar characteristics led to the design of many bio-inspired formalisms which achieve higher faithfulness and specificity. In this thesis we present pi@, an extremely simple and conservative extension of the pi-calculus representing a keystone in this respect, thanks to its expressiveness capabilities. The pi@ calculus is obtained by the addition of polyadic synchronisation and priority to the pi-calculus, in order to achieve compartment semantics and atomicity of complex operations respectively. In its direct application to biological modelling, the stochastic variant of the calculus, Spi@, is shown able to model consistently several phenomena such as formation of molecular complexes, hierarchical subdivision of the system into compartments, inter-compartment reactions, dynamic reorganisation of compartment structure consistent with volume variation. The pivotal role of pi@ is evidenced by its capability of encoding in a compositional way several bio-inspired formalisms, so that it represents the optimal core of a framework for the analysis and implementation of bio-inspired languages. In this respect, the encodings of BioAmbients, Brane Calculi and a variant of P Systems in pi@ are formalised. The conciseness of their translation in pi@ allows their indirect comparison by means of their encodings. Furthermore it provides a ready-to-run implementation of minimal effort whose correctness is granted by the correctness of the respective encoding functions. Further important results of general validity are stated on the expressive power of priority. Several impossibility results are described, which clearly state the superior expressiveness of prioritised languages and the problems arising in the attempt of providing their parallel implementation. To this aim, a new setting in distributed computing (the last man standing problem) is singled out and exploited to prove the impossibility of providing a purely parallel implementation of priority by means of point-to-point or broadcast communication.