Statistical model identification : dynamical processes and large-scale networks in systems biology

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2014

Statistical model identification : dynamical processes and large-scale networks in systems biology

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2014

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

W3233 -- Networks and Complexity in Social Systems (Collective Dynamics Group ISERP -- Columbia University) Course Syllabus

The Networks and Complexity in Social Systems course commences with an overview of the nascent field of complex networks, dividing it into three related but distinct strands: Statistical description of large scale networks, viewed as static objects; the dynamic evolution of networks, where now the structure of the network is understood in terms of a growth process; and dynamical processes that take place on fixed networks; that is, "networked dynamical systems". (A fourth area of potential research ties all the previous three strands together under the rubric of co-evolution of networks and dynamics, but very little research has been done in this vein and so it is omitted.) The remainder of the course treats each of the three strands in greater detail, introducing technical knowledge as required, summarizing the research papers that have introduced the principal ideas, and pointing out directions for future development. With regard to networked dynamical systems, the course treats in detail the more specific topic of information propagation in networks, in part because this topic is of great relevance to social science, and in part because it has received the most attention in the literature to date.

Artificial neural networks and clustering techniques applied in the reconfiguration of distribution systems

One objective of the feeder reconfiguration problem in distribution systems is to minimize the power losses for a specific load. For this problem, mathematical modeling is a nonlinear mixed integer problem that is generally hard to solve. This paper proposes an algorithm based on artificial neural network theory. In this context, clustering techniques to determine the best training set for a single neural network with generalization ability are also presented. The proposed methodology was employed for solving two electrical systems and presented good results. Moreover, the methodology can be employed for large-scale systems in real-time environment.

Fault location in underground systems using artificial neural networks and PSCAD/EMTDC

The need for high reliability and environmental concerns are making the underground networks the most appropriate choice of energy distribution. However, like any other system, underground distribution systems are not free of failures. In this context, this work presents an approach to study underground systems using computational tools by integrating the software PSCAD/EMTDC with artificial neural networks to assist fault location in power distribution systems. Targeted benefits include greater accuracy and reduced repair time. The results presented here shows the feasibility of the proposed approach. © 2012 IEEE.

Multidomain Optical Networks: Issues and Challenges

Today, many leading organizations are undertaking extensive research on a very broad range of new and evolving optical networking technologies. These efforts carry particular significance, especially in light of the “postbubble” dynamics of the optical networking market and have led to the investigation of various cost-efficient optical technologies. Today’s telecom carriers operate several independent optical domains based on diverse technologies, control solutions, standards, and protocols, making interdomain and intercarrier interworking extremely difficult. Standardized interworking across diverse multigranularity network interfaces, and interoperability across disparate vendor equipments and carrier domains are crucial to provisioning end-to-end services and achieving cost-efficient network operation. Needless to say, having an interoperable and standard control plane across multidomain optical networks can benefit carriers through the availability of a wide selection of network elements, platforms, and multiple vendor solutions resulting in faster deployment and reduced CAPEX and OPEX charges.

Design and control techniques of optical networks

The world of communication has changed quickly in the last decade resulting in the the rapid increase in the pace of peoples’ lives. This is due to the explosion of mobile communication and the internet which has now reached all levels of society. With such pressure for access to communication there is increased demand for bandwidth. Photonic technology is the right solution for high speed networks that have to supply wide bandwidth to new communication service providers. In particular this Ph.D. dissertation deals with DWDM optical packet-switched networks. The issue introduces a huge quantity of problems from physical layer up to transport layer. Here this subject is tackled from the network level perspective. The long term solution represented by optical packet switching has been fully explored in this years together with the Network Research Group at the department of Electronics, Computer Science and System of the University of Bologna. Some national as well as international projects supported this research like the Network of Excellence (NoE) e-Photon/ONe, funded by the European Commission in the Sixth Framework Programme and INTREPIDO project (End-to-end Traffic Engineering and Protection for IP over DWDM Optical Networks) funded by the Italian Ministry of Education, University and Scientific Research. Optical packet switching for DWDM networks is studied at single node level as well as at network level. In particular the techniques discussed are thought to be implemented for a long-haul transport network that connects local and metropolitan networks around the world. The main issues faced are contention resolution in a asynchronous variable packet length environment, adaptive routing, wavelength conversion and node architecture. Characteristics that a network must assure as quality of service and resilience are also explored at both node and network level. Results are mainly evaluated via simulation and through analysis.

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.

Optimal design of AC EMI filters with damping networks and effect on the systems power factor

The cutoff frequencies of an EMI filter are normally given by the noise attenuation requirements the filter has to fulfill. In order to select the component values of the filter elements, i.e. inductances and capacitances, an additional design criterium is needed. In this paper the effect of the EMI filter input and output impedances are considered. The input impedance influences the filters effect on the system displacement power factor and the output impedance plays a key role in the system stability. The effect of filter element values, the number of filter stages as well as additional damping networks are considered and a design procedure is provided. For this analysis a two-port description of the input filters employing ABCD-parameters is used.

Digital chaos synchronization in optical networks

A new method to obtain digital chaos synchronization between two systems is reported. It is based on the use of Optically Programmable Logic Cells as chaos generators. When these cells are feedbacked, periodic and chaotic behaviours are obtained. They depend on the ratio between internal and external delay times. Chaos synchronization is obtained if a common driving signal feeds both systems. A control to impose the same boundary conditions to both systems is added to the emitter. New techniques to analyse digital chaos are presented. The main application of these structures is to obtain secure communications in optical networks.

Optical Multistability and Oscillations in Hybrid Optical Bistable Systems with Short Delay Times

Optical instabilities in the output light from a bistable optical device (BOD) with a delayed feedback was predicted by Ikeda [1]. Gibbs et al. [2] gave the first experimental verification of this type of instabilities. From that time several groups have studied the instabilities of the BOD for different relations between the delay time tR and the time constant ح of the system. In a previous paper [3] an empirical and analytical study of instabilities in hybrid BOD was reported by us. The employed set up is shown in Fig. 1.