Parallel Cyclostationarity-Exploiting Algorithm for Energy-Efficient Spectrum Sensing

The evolution of wireless communication systems leads to Dynamic Spectrum Allocation for Cognitive Radio, which requires reliable spectrum sensing techniques. Among the spectrum sensing methods proposed in the literature, those that exploit cyclostationary characteristics of radio signals are particularly suitable for communication environments with low signal-to-noise ratios, or with non-stationary noise. However, such methods have high computational complexity that directly raises the power consumption of devices which often have very stringent low-power requirements. We propose a strategy for cyclostationary spectrum sensing with reduced energy consumption. This strategy is based on the principle that p processors working at slower frequencies consume less power than a single processor for the same execution time. We devise a strict relation between the energy savings and common parallel system metrics. The results of simulations show that our strategy promises very significant savings in actual devices.

Parallel Cyclostationarity-Exploiting Algorithm for Energy-Efficient Spectrum Sensing

The evolution of wireless communication systems leads to Dynamic Spectrum Allocation for Cognitive Radio, which requires reliable spectrum sensing techniques. Among the spectrum sensing methods proposed in the literature, those that exploit cyclostationary characteristics of radio signals are particularly suitable for communication environments with low signal-to-noise ratios, or with non-stationary noise. However, such methods have high computational complexity that directly raises the power consumption of devices which often have very stringent low-power requirements. We propose a strategy for cyclostationary spectrum sensing with reduced energy consumption. This strategy is based on the principle that p processors working at slower frequencies consume less power than a single processor for the same execution time. We devise a strict relation between the energy savings and common parallel system metrics. The results of simulations show that our strategy promises very significant savings in actual devices.

Lot production size problem and simulation of urban transport

OBJECTIVES AND STUDY METHOD: There are two subjects in this thesis: “Lot production size for a parallel machine scheduling problem with auxiliary equipment” and “Bus holding for a simulated traffic network”. Although these two themes seem unrelated, the main idea is the optimization of complex systems. The “Lot production size for a parallel machine scheduling problem with auxiliary equipment” deals with a manufacturing setting where sets of pieces form finished products. The aim is to maximize the profit of the finished products. Each piece may be processed in more than one mold. Molds must be mounted on machines with their corresponding installation setup times. The key point of our methodology is to solve the single period lot-sizing decisions for the finished products together with the piece-mold and the mold-machine assignments, relaxing the constraint that a single mold may not be used in two machines at the same time. For the “Bus holding for a simulated traffic network” we deal with One of the most annoying problems in urban bus operations is bus bunching, which happens when two or more buses arrive at a stop nose to tail. Bus bunching reflects an unreliable service that affects transit operations by increasing passenger-waiting times. This work proposes a linear mathematical programming model that establishes bus holding times at certain stops along a transit corridor to avoid bus bunching. Our approach needs real-time input, so we simulate a transit corridor and apply our mathematical model to the data generated. Thus, the inherent variability of a transit system is considered by the simulation, while the optimization model takes into account the key variables and constraints of the bus operation. CONTRIBUTIONS AND CONCLUSIONS: For the “Lot production size for a parallel machine scheduling problem with auxiliary equipment” the relaxation we propose able to find solutions more efficiently, moreover our experimental results show that most of the solutions verify that molds are non-overlapping even if they are installed on several machines. We propose an exact integer linear programming, a Relax&Fix heuristic, and a multistart greedy algorithm to solve this problem. Experimental results on instances based on real-world data show the efficiency of our approaches. The mathematical model and the algorithm for the lot production size problem, showed in this research, can be used for production planners to help in the scheduling of the manufacturing. For the “Bus holding for a simulated traffic network” most of the literature considers quadratic models that minimize passenger-waiting times, but they are harder to solve and therefore difficult to operate by real-time systems. On the other hand, our methodology reduces passenger-waiting times efficiently given our linear programming model, with the characteristic of applying control intervals just every 5 minutes.

Capacity utilisation and profitability: A decomposition of short-run profit efficiency

The principal aim of this paper is to measure the amount by which the profit of a multi-input, multi-output firm deviates from maximum short-run profit, and then to decompose this profit gap into components that are of practical use to managers. In particular, our interest is in the measurement of the contribution of unused capacity, along with measures of technical inefficiency, and allocative inefficiency, in this profit gap. We survey existing definitions of capacity and, after discussing their shortcomings, we propose a new ray economic capacity measure that involves short-run profit maximisation, with the output mix held constant. We go on to describe how the gap between observed profit and maximum profit can be calculated and decomposed using linear programming methods. The paper concludes with an empirical illustration, involving data on 28 international airline companies. The empirical results indicate that these airline companies achieve profit levels which are on average US$815m below potential levels, and that 70% of the gap may be attributed to unused capacity. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Efficiency Measures in the Agricultural Sector: The Beginning

Copyright © 2013 Springer Netherlands.

A dual characterization of incentive efficiency

We show that incentive efficient allocations in economies with adverse selection and moral hazard can be determined as optimal solutions to a linear programming problem and we use duality theory to obtain a complete characterization of the optima. Our dual analysis identifies welfare effects associated with the incentives of the agents to truthfully reveal their private information. Because these welfare effects may generate non-convexities, incentive efficient allocations may involve randomization. Other properties of incentive efficient allocations are also derived.

The achievable region approach to the optimal control of stochastic systems

The achievable region approach seeks solutions to stochastic optimisation problems by: (i) characterising the space of all possible performances(the achievable region) of the system of interest, and (ii) optimisingthe overall system-wide performance objective over this space. This isradically different from conventional formulations based on dynamicprogramming. The approach is explained with reference to a simpletwo-class queueing system. Powerful new methodologies due to the authorsand co-workers are deployed to analyse a general multiclass queueingsystem with parallel servers and then to develop an approach to optimalload distribution across a network of interconnected stations. Finally,the approach is used for the first time to analyse a class of intensitycontrol problems.

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.

Análise de desempenho da rede neural artificial do tipo multilayer perceptron na era multicore

Artificial neural networks are usually applied to solve complex problems. In problems with more complexity, by increasing the number of layers and neurons, it is possible to achieve greater functional efficiency. Nevertheless, this leads to a greater computational effort. The response time is an important factor in the decision to use neural networks in some systems. Many argue that the computational cost is higher in the training period. However, this phase is held only once. Once the network trained, it is necessary to use the existing computational resources efficiently. In the multicore era, the problem boils down to efficient use of all available processing cores. However, it is necessary to consider the overhead of parallel computing. In this sense, this paper proposes a modular structure that proved to be more suitable for parallel implementations. It is proposed to parallelize the feedforward process of an RNA-type MLP, implemented with OpenMP on a shared memory computer architecture. The research consistes on testing and analizing execution times. Speedup, efficiency and parallel scalability are analyzed. In the proposed approach, by reducing the number of connections between remote neurons, the response time of the network decreases and, consequently, so does the total execution time. The time required for communication and synchronization is directly linked to the number of remote neurons in the network, and so it is necessary to investigate which one is the best distribution of remote connections

Análise de escalabilidade de uma implementação paralela do simulated annealing acoplado

This paper analyzes the performance of a parallel implementation of Coupled Simulated Annealing (CSA) for the unconstrained optimization of continuous variables problems. Parallel processing is an efficient form of information processing with emphasis on exploration of simultaneous events in the execution of software. It arises primarily due to high computational performance demands, and the difficulty in increasing the speed of a single processing core. Despite multicore processors being easily found nowadays, several algorithms are not yet suitable for running on parallel architectures. The algorithm is characterized by a group of Simulated Annealing (SA) optimizers working together on refining the solution. Each SA optimizer runs on a single thread executed by different processors. In the analysis of parallel performance and scalability, these metrics were investigated: the execution time; the speedup of the algorithm with respect to increasing the number of processors; and the efficient use of processing elements with respect to the increasing size of the treated problem. Furthermore, the quality of the final solution was verified. For the study, this paper proposes a parallel version of CSA and its equivalent serial version. Both algorithms were analysed on 14 benchmark functions. For each of these functions, the CSA is evaluated using 2-24 optimizers. The results obtained are shown and discussed observing the analysis of the metrics. The conclusions of the paper characterize the CSA as a good parallel algorithm, both in the quality of the solutions and the parallel scalability and parallel efficiency

Modeling and analysis of artificial neural networks applied in operations research

Artificial neural networks are dynamic systems consisting of highly interconnected and parallel nonlinear processing elements. Systems based on artificial neural networks have high computational rates due to the use of a massive number of these computational elements. Neural networks with feedback connections provide a computing model capable of solving a rich class of optimization problems. In this paper, a modified Hopfield network is developed for solving problems related to operations research. The internal parameters of the network are obtained using the valid-subspace technique. Simulated examples are presented as an illustration of the proposed approach. Copyright (C) 2000 IFAC.

An adaptation of the dual-affine interior point method for the surface flatness problem

This paper presents an adaptation of the dual-affine interior point method for the surface flatness problem. In order to determine how flat a surface is, one should find two parallel planes so that the surface is between them and they are as close together as possible. This problem is equivalent to the problem of solving inconsistent linear systems in terms of Tchebyshev's norm. An algorithm is proposed and results are presented and compared with others published in the literature. (C) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Planejamento da expansão de sistemas de transmissão usando algoritmos tipo dual simplex especializados em uma estrutura branch and bound

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Desenvolvimento de técnicas eficientes de programação linear na utilização de metaheurísticas para o problema de planejamento da expansão de sistemas de transmissão

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)