A virtual backbone based approach for cooperative caching in mobile ad hoc networks

Cache look up is an integral part of cooperative caching in ad hoc networks. In this paper, we discuss a cooperative caching architecture with a distributed cache look up protocol which relies on a virtual backbone for locating and accessing data within a cooperate cache. Our proposal consists of two phases: (i) formation of a virtual backbone and (ii) the cache look up phase. The nodes in a Connected Dominating Set (CDS) form the virtual backbone. The cache look up protocol makes use of the nodes in the virtual backbone for effective data dissemination and discovery. The idea in this scheme is to reduce the number of nodes involved in cache look up process, by constructing a CDS that contains a small number of nodes, still having full coverage of the network. We evaluated the effect of various parameter settings on the performance metrics such as message overhead, cache hit ratio and average query delay. Compared to the previous schemes the proposed scheme not only reduces message overhead, but also improves the cache hit ratio and reduces the average delay

Channel Adaptive MAC Protocol with Traffic-Aware Distributed Power Management in Wireless Sensor Networks-Some Performance Issues

In Wireless Sensor Networks (WSN), neglecting the effects of varying channel quality can lead to an unnecessary wastage of precious battery resources and in turn can result in the rapid depletion of sensor energy and the partitioning of the network. Fairness is a critical issue when accessing a shared wireless channel and fair scheduling must be employed to provide the proper flow of information in a WSN. In this paper, we develop a channel adaptive MAC protocol with a traffic-aware dynamic power management algorithm for efficient packet scheduling and queuing in a sensor network, with time varying characteristics of the wireless channel also taken into consideration. The proposed protocol calculates a combined weight value based on the channel state and link quality. Then transmission is allowed only for those nodes with weights greater than a minimum quality threshold and nodes attempting to access the wireless medium with a low weight will be allowed to transmit only when their weight becomes high. This results in many poor quality nodes being deprived of transmission for a considerable amount of time. To avoid the buffer overflow and to achieve fairness for the poor quality nodes, we design a Load prediction algorithm. We also design a traffic aware dynamic power management scheme to minimize the energy consumption by continuously turning off the radio interface of all the unnecessary nodes that are not included in the routing path. By Simulation results, we show that our proposed protocol achieves a higher throughput and fairness besides reducing the delay

Smart electricity networks based on large integration of renewable sources and distributed generation

Das Grünbuch 2006 der Europäischen Kommission "Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie" unterstreicht, dass Europa in ein neues Energie-Zeitalter eingetreten ist. Die vorrangigen Ziele europäischer Energiepolitik müssen Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit sein, wobei sie eine zusammenhängende und logische Menge von Taktiken und Maßnahmen benötigt, um diese Ziele zu erreichen. Die Strommärkte und Verbundnetze Europas bilden das Kernstück unseres Energiesystems und müssen sich weiterentwickeln, um den neuen Anforderungen zu entsprechen. Die europäischen Stromnetze haben die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Stromproduzenten und Verbrauchern mit großem Erfolg seit vielen Jahrzehnten gesichert. Die grundlegende Struktur dieser Netze ist entwickelt worden, um die Bedürfnisse großer, überwiegend auf Kohle aufgebauten Herstellungstechnologien zu befriedigen, die sich entfernt von den Verbraucherzentren befinden. Die Energieprobleme, denen Europa jetzt gegenübersteht, ändern die Stromerzeugungslandschaft in zwei Gesichtspunkten: die Notwendigkeit für saubere Kraftwerkstechnologien verbunden mit erheblich verbesserten Wirkungsgraden auf der Verbraucherseite wird es Kunden ermöglichen, mit den Netzen viel interaktiver zu arbeiten; andererseits müssen die zukünftigen europaweiten Stromnetze allen Verbrauchern eine höchst zuverlässige, preiswerte Energiezufuhr bereitstellen, wobei sowohl die Nutzung von großen zentralisierten Kraftwerken als auch kleineren lokalen Energiequellen überall in Europa ausgeschöpft werden müssen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die in dieser Arbeit dargestellt werden, auf aktuellen Fragen mit großem Einfluss auf die gegenwärtigen technischen und wirtschaftspolitischen Diskussionen basieren. Der Autor hat während der letzten Jahre viele der hier vorgestellten Schlussfolgerungen und Empfehlungen mit Vertretern der Kraftwerksindustrie, Betreibern von Stromnetzen und Versorgungsbetrieben, Forschungsgremien und den Regulierungsstellen diskutiert. Die folgenden Absätze fassen die Hauptergebnisse zusammen: Diese Arbeit definiert das neue Konzept, das auf mehr verbraucherorientierten Netzen basiert, und untersucht die Notwendigkeiten sowie die Vorteile und die Hindernisse für den Übergang auf ein mögliches neues Modell für Europa: die intelligenten Stromnetze basierend auf starker Integration erneuerbarer Quellen und lokalen Kleinkraftwerken. Das neue Modell wird als eine grundlegende Änderung dargestellt, die sich deutlich auf Netzentwurf und -steuerung auswirken wird. Sie fordert ein europäisches Stromnetz mit den folgenden Merkmalen: – Flexibel: es erfüllt die Bedürfnisse der Kunden, indem es auf Änderungen und neue Forderungen eingehen kann – Zugänglich: es gestattet den Verbindungszugang aller Netzbenutzer besonders für erneuerbare Energiequellen und lokale Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad sowie ohne oder mit niedrigen Kohlendioxidemissionen – Zuverlässig: es verbessert und garantiert die Sicherheit und Qualität der Versorgung mit den Forderungen des digitalen Zeitalters mit Reaktionsmöglichkeiten gegen Gefahren und Unsicherheiten – Wirtschaftlich: es garantiert höchste Wirtschaftlichkeit durch Innovation, effizientes Energiemanagement und liefert „gleiche Ausgangsbedingungen“ für Wettbewerb und Regulierung. Es beinhaltet die neuesten Technologien, um Erfolg zu gewährleisten, während es die Flexibilität behält, sich an weitere Entwicklungen anzupassen und fordert daher ein zuversichtliches Programm für Forschung, Entwicklung und Demonstration, das einen Kurs im Hinblick auf ein Stromversorgungsnetz entwirft, welches die Bedürfnisse der Zukunft Europas befriedigt: – Netztechnologien, die die Stromübertragung verbessern und Energieverluste verringern, werden die Effizienz der Versorgung erhöhen, während neue Leistungselektronik die Versorgungsqualität verbessern wird. Es wird ein Werkzeugkasten erprobter technischer Lösungen geschaffen werden, der schnell und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, so dass bestehende Netze Stromeinleitungen von allen Energieressourcen aufnehmen können. – Fortschritte bei Simulationsprogrammen wird die Einführung innovativer Technologien in die praktische Anwendung zum Vorteil sowohl der Kunden als auch der Versorger stark unterstützen. Sie werden das erfolgreiche Anpassen neuer und alter Ausführungen der Netzkomponenten gewährleisten, um die Funktion von Automatisierungs- und Regelungsanordnungen zu garantieren. – Harmonisierung der ordnungspolitischen und kommerziellen Rahmen in Europa, um grenzüberschreitenden Handel von sowohl Energie als auch Netzdienstleistungen zu erleichtern; damit muss eine Vielzahl von Einsatzsituationen gewährleistet werden. Gemeinsame technische Normen und Protokolle müssen eingeführt werden, um offenen Zugang zu gewährleisten und den Einsatz der Ausrüstung eines jeden Herstellers zu ermöglichen. – Entwicklungen in Nachrichtentechnik, Mess- und Handelssystemen werden auf allen Ebenen neue Möglichkeiten eröffnen, auf Grund von Signalen des Marktes frühzeitig technische und kommerzielle Wirkungsgrade zu verbessern. Es wird Unternehmen ermöglichen, innovative Dienstvereinbarungen zu benutzen, um ihre Effizienz zu verbessern und ihre Angebote an Kunden zu vergrößern. Schließlich muss betont werden, dass für einen erfolgreichen Übergang zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem alle relevanten Beteiligten involviert werden müssen.

Safe Distributed Coordination of Heterogeneous Robots through Dynamic Simple Temporal Networks

Research on autonomous intelligent systems has focused on how robots can robustly carry out missions in uncertain and harsh environments with very little or no human intervention. Robotic execution languages such as RAPs, ESL, and TDL improve robustness by managing functionally redundant procedures for achieving goals. The model-based programming approach extends this by guaranteeing correctness of execution through pre-planning of non-deterministic timed threads of activities. Executing model-based programs effectively on distributed autonomous platforms requires distributing this pre-planning process. This thesis presents a distributed planner for modelbased programs whose planning and execution is distributed among agents with widely varying levels of processor power and memory resources. We make two key contributions. First, we reformulate a model-based program, which describes cooperative activities, into a hierarchical dynamic simple temporal network. This enables efficient distributed coordination of robots and supports deployment on heterogeneous robots. Second, we introduce a distributed temporal planner, called DTP, which solves hierarchical dynamic simple temporal networks with the assistance of the distributed Bellman-Ford shortest path algorithm. The implementation of DTP has been demonstrated successfully on a wide range of randomly generated examples and on a pursuer-evader challenge problem in simulation.

Dynamic management and restoration of virtual paths in broadband networks based on distributed software agents

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes. En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat. El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat.

Distributed intelligent management of active networks

This paper focuses on improving computer network management by the adoption of artificial intelligence techniques. A logical inference system has being devised to enable automated isolation, diagnosis, and even repair of network problems, thus enhancing the reliability, performance, and security of networks. We propose a distributed multi-agent architecture for network management, where a logical reasoner acts as an external managing entity capable of directing, coordinating, and stimulating actions in an active management architecture. The active networks technology represents the lower level layer which makes possible the deployment of code which implement teleo-reactive agents, distributed across the whole network. We adopt the Situation Calculus to define a network model and the Reactive Golog language to implement the logical reasoner. An active network management architecture is used by the reasoner to inject and execute operational tasks in the network. The integrated system collects the advantages coming from logical reasoning and network programmability, and provides a powerful system capable of performing high-level management tasks in order to deal with network fault.

Global exponential periodicity of a class of bidirectional associative memory networks with finite distributed delays

In this paper, we study the periodic oscillatory behavior of a class of bidirectional associative memory (BAM) networks with finite distributed delays. A set of criteria are proposed for determining global exponential periodicity of the proposed BAM networks, which assume neither differentiability nor monotonicity of the activation function of each neuron. In addition, our criteria are easily checkable. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Global exponential periodicity of a class of neural networks with recent-history distributed delays

In this paper, we propose to study a class of neural networks with recent-history distributed delays. A sufficient condition is derived for the global exponential periodicity of the proposed neural networks, which has the advantage that it assumes neither the differentiability nor monotonicity of the activation function of each neuron nor the symmetry of the feedback matrix or delayed feedback matrix. Our criterion is shown to be valid by applying it to an illustrative system. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Minimum neighbour and extended Kalman filter estimator: a practical distributed channel assignment scheme for dense wireless local area networks

Dense deployments of wireless local area networks (WLANs) are becoming a norm in many cities around the world. However, increased interference and traffic demands can severely limit the aggregate throughput achievable unless an effective channel assignment scheme is used. In this work, a simple and effective distributed channel assignment (DCA) scheme is proposed. It is shown that in order to maximise throughput, each access point (AP) simply chooses the channel with the minimum number of active neighbour nodes (i.e. nodes associated with neighbouring APs that have packets to send). However, application of such a scheme to practice depends critically on its ability to estimate the number of neighbour nodes in each channel, for which no practical estimator has been proposed before. In view of this, an extended Kalman filter (EKF) estimator and an estimate of the number of nodes by AP are proposed. These not only provide fast and accurate estimates but can also exploit channel switching information of neighbouring APs. Extensive packet level simulation results show that the proposed minimum neighbour and EKF estimator (MINEK) scheme is highly scalable and can provide significant throughput improvement over other channel assignment schemes.

Distributed fuzzy logic for building management systems using local operating networks

This paper describes the development of an experimental distributed fuzzy control system for heating and ventilation (HVAC) systems within a building. Each local control loop is affected by a number of local variables, as well as information from neighboring controllers. By including this additional information it is hoped that a more equal allocation of resources can be achieved.

Bayesian parameter estimation for latent Markov random fields and social networks

Undirected graphical models are widely used in statistics, physics and machine vision. However Bayesian parameter estimation for undirected models is extremely challenging, since evaluation of the posterior typically involves the calculation of an intractable normalising constant. This problem has received much attention, but very little of this has focussed on the important practical case where the data consists of noisy or incomplete observations of the underlying hidden structure. This paper specifically addresses this problem, comparing two alternative methodologies. In the first of these approaches particle Markov chain Monte Carlo (Andrieu et al., 2010) is used to efficiently explore the parameter space, combined with the exchange algorithm (Murray et al., 2006) for avoiding the calculation of the intractable normalising constant (a proof showing that this combination targets the correct distribution in found in a supplementary appendix online). This approach is compared with approximate Bayesian computation (Pritchard et al., 1999). Applications to estimating the parameters of Ising models and exponential random graphs from noisy data are presented. Each algorithm used in the paper targets an approximation to the true posterior due to the use of MCMC to simulate from the latent graphical model, in lieu of being able to do this exactly in general. The supplementary appendix also describes the nature of the resulting approximation.

Power allocation strategies for distributed space-time codes in two-way relay networks

We study a two-way relay network (TWRN), where distributed space-time codes are constructed across multiple relay terminals in an amplify-and-forward mode. Each relay transmits a scaled linear combination of its received symbols and their conjugates,with the scaling factor chosen based on automatic gain control. We consider equal power allocation (EPA) across the relays, as well as the optimal power allocation (OPA) strategy given access to instantaneous channel state information (CSI). For EPA, we derive an upper bound on the pairwise-error-probability (PEP), from which we prove that full diversity is achieved in TWRNs. This result is in contrast to one-way relay networks, in which case a maximum diversity order of only unity can be obtained. When instantaneous CSI is available at the relays, we show that the OPA which minimizes the conditional PEP of the worse link can be cast as a generalized linear fractional program, which can be solved efficiently using the Dinkelback-type procedure.We also prove that, if the sum-power of the relay terminals is constrained, then the OPA will activate at most two relays.

EFFECTIVE NETWORKS FOR REAL-TIME DISTRIBUTED PROCESSING

This paper applies the concepts and methods of complex networks to the development of models and simulations of master-slave distributed real-time systems by introducing an upper bound in the allowable delivery time of the packets with computation results. Two representative interconnection models are taken into account: Uniformly random and scale free (Barabasi-Albert), including the presence of background traffic of packets. The obtained results include the identification of the uniformly random interconnectivity scheme as being largely more efficient than the scale-free counterpart. Also, increased latency tolerance of the application provides no help under congestion.