Energy efficient scheduling for cluster-tree wireless sensor networks with time-bounded data flows: application to IEEE 802.15.4/ZigBee

Cluster scheduling and collision avoidance are crucial issues in large-scale cluster-tree Wireless Sensor Networks (WSNs). The paper presents a methodology that provides a Time Division Cluster Scheduling (TDCS) mechanism based on the cyclic extension of RCPS/TC (Resource Constrained Project Scheduling with Temporal Constraints) problem for a cluster-tree WSN, assuming bounded communication errors. The objective is to meet all end-to-end deadlines of a predefined set of time-bounded data flows while minimizing the energy consumption of the nodes by setting the TDCS period as long as possible. Sinceeach cluster is active only once during the period, the end-to-end delay of a given flow may span over several periods when there are the flows with opposite direction. The scheduling tool enables system designers to efficiently configure all required parameters of the IEEE 802.15.4/ZigBee beaconenabled cluster-tree WSNs in the network design time. The performance evaluation of thescheduling tool shows that the problems with dozens of nodes can be solved while using optimal solvers.

Waste collection routing-limited multiple landfills and heterogeneous fleet

This article deals with a real-life waste collection routing problem. To efficiently plan waste collection, large municipalities may be partitioned into convenient sectors and only then can routing problems be solved in each sector. Three diverse situations are described, resulting in three different new models. In the first situation, there is a single point of waste disposal from where the vehicles depart and to where they return. The vehicle fleet comprises three types of collection vehicles. In the second, the garage does not match any of the points of disposal. The vehicle is unique and the points of disposal (landfills or transfer stations) may have limitations in terms of the number of visits per day. In the third situation, disposal points are multiple (they do not coincide with the garage), they are limited in the number of visits, and the fleet is composed of two types of vehicles. Computational results based not only on instances adapted from the literature but also on real cases are presented and analyzed. In particular, the results also show the effectiveness of combining sectorization and routing to solve waste collection problems.

A decision support system for a waste collection vehicle routing problem

The selective collection of municipal solid waste for recycling is a very complex and expensive process, where a major issue is to perform cost-efficient waste collection routes. Despite the abundance of commercially available software for fleet management, they often lack the capability to deal properly with sequencing problems and dynamic revision of plans and schedules during process execution. Our approach to achieve better solutions for the waste collection process is to model it as a vehicle routing problem, more specifically as a team orienteering problem where capacity constraints on the vehicles are considered, as well as time windows for the waste collection points and for the vehicles. The final model is called capacitated team orienteering problem with double time windows (CTOPdTW).We developed a genetic algorithm to solve routing problems in waste collection modelled as a CTOPdTW. The results achieved suggest possible reductions of logistic costs in selective waste collection.

An Empirical Examination of the R&D Boundaries of the Firm - A Problem-Solving Perspective

We consider, both theoretically and empirically, how different organization modes are aligned to govern the efficient solving of technological problems. The data set is a sample from the Chinese consumer electronics industry. Following mainly the problem solving perspective (PSP) within the knowledge based view (KBV), we develop and test several PSP and KBV hypotheses, in conjunction with competing transaction cost economics (TCE) alternatives, in an examination of the determinants of the R&D organization mode. The results show that a firm’s existing knowledge base is the single most important explanatory variable. Problem complexity and decomposability are also found to be important, consistent with the theoretical predictions of the PSP, but it is suggested that these two dimensions need to be treated as separate variables. TCE hypotheses also receive some support, but the estimation results seem more supportive of the PSP and the KBV than the TCE.

Locating emergency services with priority rules: The priority queuing covering location problem

One of the assumptions of the Capacitated Facility Location Problem (CFLP) is thatdemand is known and fixed. Most often, this is not the case when managers take somestrategic decisions such as locating facilities and assigning demand points to thosefacilities. In this paper we consider demand as stochastic and we model each of thefacilities as an independent queue. Stochastic models of manufacturing systems anddeterministic location models are put together in order to obtain a formula for thebacklogging probability at a potential facility location.Several solution techniques have been proposed to solve the CFLP. One of the mostrecently proposed heuristics, a Reactive Greedy Adaptive Search Procedure, isimplemented in order to solve the model formulated. We present some computationalexperiments in order to evaluate the heuristics performance and to illustrate the use ofthis new formulation for the CFLP. The paper finishes with a simple simulationexercise.

Network revenue management with product-specific no-shows

Revenue management practices often include overbooking capacity to account for customerswho make reservations but do not show up. In this paper, we consider the network revenuemanagement problem with no-shows and overbooking, where the show-up probabilities are specificto each product. No-show rates differ significantly by product (for instance, each itinerary andfare combination for an airline) as sale restrictions and the demand characteristics vary byproduct. However, models that consider no-show rates by each individual product are difficultto handle as the state-space in dynamic programming formulations (or the variable space inapproximations) increases significantly. In this paper, we propose a randomized linear program tojointly make the capacity control and overbooking decisions with product-specific no-shows. Weestablish that our formulation gives an upper bound on the optimal expected total profit andour upper bound is tighter than a deterministic linear programming upper bound that appearsin the existing literature. Furthermore, we show that our upper bound is asymptotically tightin a regime where the leg capacities and the expected demand is scaled linearly with the samerate. We also describe how the randomized linear program can be used to obtain a bid price controlpolicy. Computational experiments indicate that our approach is quite fast, able to scale to industrialproblems and can provide significant improvements over standard benchmarks.

Optimal information transmission in organizations: Search and congestion

We propose a stylized model of a problem-solving organization whoseinternal communication structure is given by a fixed network. Problemsarrive randomly anywhere in this network and must find their way to theirrespective specialized solvers by relying on local information alone.The organization handles multiple problems simultaneously. For this reason,the process may be subject to congestion. We provide a characterization ofthe threshold of collapse of the network and of the stock of foatingproblems (or average delay) that prevails below that threshold. We buildupon this characterization to address a design problem: the determinationof what kind of network architecture optimizes performance for any givenproblem arrival rate. We conclude that, for low arrival rates, the optimalnetwork is very polarized (i.e. star-like or centralized ), whereas it islargely homogenous (or decentralized ) for high arrival rates. We also showthat, if an auxiliary assumption holds, the transition between these twoopposite structures is sharp and they are the only ones to ever qualify asoptimal.

Application of a support system to the design of wastewater treatment plants

This paper presents a case study that explores the advantages that can be derived from the use of a design support system during the design of wastewater treatment plants (WWTP). With this objective in mind a simplified but plausible WWTP design case study has been generated with KBDS, a computer-based support system that maintains a historical record of the design process. The study shows how, by employing such a historical record, it is possible to: (1) rank different design proposals responding to a design problem; (2) study the influence of changing the weight of the arguments used in the selection of the most adequate proposal; (3) take advantage of keywords to assist the designer in the search of specific items within the historical records; (4) evaluate automatically thecompliance of alternative design proposals with respect to the design objectives; (5) verify the validity of previous decisions after the modification of the current constraints or specifications; (6) re-use the design records when upgrading an existing WWTP or when designing similar facilities; (7) generate documentation of the decision making process; and (8) associate a variety of documents as annotations to any component in the design history. The paper also shows one possible future role of design support systems as they outgrow their current reactive role as repositories of historical information and start to proactively support the generation of new knowledge during the design process

APOE status modulates the changes in network connectivity induced by brain stimulation in non-demented elders.

Behavioral consequences of a brain insult represent an interaction between the injury and the capacity of the rest of the brain to adapt to it. We provide experimental support for the notion that genetic factors play a critical role in such adaptation. We induced a controlled brain disruption using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and show that APOE status determines its impact on distributed brain networks as assessed by functional MRI (fMRI).Twenty non-demented elders exhibiting mild memory dysfunction underwent two fMRI studies during face-name encoding tasks (before and after rTMS). Baseline task performance was associated with activation of a network of brain regions in prefrontal, parietal, medial temporal and visual associative areas. APOE ε4 bearers exhibited this pattern in two separate independent components, whereas ε4-non carriers presented a single partially overlapping network. Following rTMS all subjects showed slight ameliorations in memory performance, regardless of APOE status. However, after rTMS APOE ε4-carriers showed significant changes in brain network activation, expressing strikingly similar spatial configuration as the one observed in the non-carrier group prior to stimulation. Similarly, activity in areas of the default-mode network (DMN) was found in a single component among the ε4-non bearers, whereas among carriers it appeared disaggregated in three distinct spatiotemporal components that changed to an integrated single component after rTMS. Our findings demonstrate that genetic background play a fundamental role in the brain responses to focal insults, conditioning expression of distinct brain networks to sustain similar cognitive performance.

Object-Oriented Modelling of Multilayer Networks

Tämä diplomityökuuluu tietoliikenneverkkojen suunnittelun tutkimukseen ja pohjimmiltaan kohdistuu verkon mallintamiseen. Tietoliikenneverkkojen suunnittelu on monimutkainen ja vaativa ongelma, joka sisältää mutkikkaita ja aikaa vieviä tehtäviä. Tämä diplomityö esittelee ”monikerroksisen verkkomallin”, jonka tarkoitus on auttaa verkon suunnittelijoita selviytymään ongelmien monimutkaisuudesta ja vähentää verkkojen suunnitteluun kuluvaa aikaa. Monikerroksinen verkkomalli perustuu yleisille objekteille, jotka ovat yhteisiä kaikille tietoliikenneverkoille. Tämä tekee mallista soveltuvan mielivaltaisille verkoille, välittämättä verkkokohtaisista ominaisuuksista tai verkon toteutuksessa käytetyistä teknologioista. Malli määrittelee tarkan terminologian ja käyttää kolmea käsitettä: verkon jakaminen tasoihin (plane separation), kerrosten muodostaminen (layering) ja osittaminen (partitioning). Nämä käsitteet kuvataan yksityiskohtaisesti tässä työssä. Monikerroksisen verkkomallin sisäinen rakenne ja toiminnallisuus ovat määritelty käyttäen Unified Modelling Language (UML) -notaatiota. Tämä työ esittelee mallin use case- , paketti- ja luokkakaaviot. Diplomityö esittelee myös tulokset, jotka on saatu vertailemalla monikerroksista verkkomallia muihin verkkomalleihin. Tulokset osoittavat, että monikerroksisella verkkomallilla on etuja muihin malleihin verrattuna.

A maximum likelihood framework for protein design

Affiliation: Claudia Kleinman, Nicolas Rodrigue & Hervé Philippe : Département de biochimie, Faculté de médecine, Université de Montréal

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Evaluating Design Decay during Software Evolution

Les logiciels sont en constante évolution, nécessitant une maintenance et un développement continus. Ils subissent des changements tout au long de leur vie, que ce soit pendant l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou la correction de bogues dans le code. Lorsque ces logiciels évoluent, leurs architectures ont tendance à se dégrader avec le temps et deviennent moins adaptables aux nouvelles spécifications des utilisateurs. Elles deviennent plus complexes et plus difficiles à maintenir. Dans certains cas, les développeurs préfèrent refaire la conception de ces architectures à partir du zéro plutôt que de prolonger la durée de leurs vies, ce qui engendre une augmentation importante des coûts de développement et de maintenance. Par conséquent, les développeurs doivent comprendre les facteurs qui conduisent à la dégradation des architectures, pour prendre des mesures proactives qui facilitent les futurs changements et ralentissent leur dégradation. La dégradation des architectures se produit lorsque des développeurs qui ne comprennent pas la conception originale du logiciel apportent des changements au logiciel. D'une part, faire des changements sans comprendre leurs impacts peut conduire à l'introduction de bogues et à la retraite prématurée du logiciel. D'autre part, les développeurs qui manquent de connaissances et–ou d'expérience dans la résolution d'un problème de conception peuvent introduire des défauts de conception. Ces défauts ont pour conséquence de rendre les logiciels plus difficiles à maintenir et évoluer. Par conséquent, les développeurs ont besoin de mécanismes pour comprendre l'impact d'un changement sur le reste du logiciel et d'outils pour détecter les défauts de conception afin de les corriger. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution concerne l'évaluation de la dégradation des architectures logicielles. Cette évaluation consiste à utiliser une technique d’appariement de diagrammes, tels que les diagrammes de classes, pour identifier les changements structurels entre plusieurs versions d'une architecture logicielle. Cette étape nécessite l'identification des renommages de classes. Par conséquent, la première étape de notre approche consiste à identifier les renommages de classes durant l'évolution de l'architecture logicielle. Ensuite, la deuxième étape consiste à faire l'appariement de plusieurs versions d'une architecture pour identifier ses parties stables et celles qui sont en dégradation. Nous proposons des algorithmes de bit-vecteur et de clustering pour analyser la correspondance entre plusieurs versions d'une architecture. La troisième étape consiste à mesurer la dégradation de l'architecture durant l'évolution du logiciel. Nous proposons un ensemble de m´etriques sur les parties stables du logiciel, pour évaluer cette dégradation. La deuxième contribution est liée à l'analyse de l'impact des changements dans un logiciel. Dans ce contexte, nous présentons une nouvelle métaphore inspirée de la séismologie pour identifier l'impact des changements. Notre approche considère un changement à une classe comme un tremblement de terre qui se propage dans le logiciel à travers une longue chaîne de classes intermédiaires. Notre approche combine l'analyse de dépendances structurelles des classes et l'analyse de leur historique (les relations de co-changement) afin de mesurer l'ampleur de la propagation du changement dans le logiciel, i.e., comment un changement se propage à partir de la classe modifiée è d'autres classes du logiciel. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Nous proposons une métaphore inspirée du système immunitaire naturel. Comme toute créature vivante, la conception de systèmes est exposée aux maladies, qui sont des défauts de conception. Les approches de détection sont des mécanismes de défense pour les conception des systèmes. Un système immunitaire naturel peut détecter des pathogènes similaires avec une bonne précision. Cette bonne précision a inspiré une famille d'algorithmes de classification, appelés systèmes immunitaires artificiels (AIS), que nous utilisions pour détecter les défauts de conception. Les différentes contributions ont été évaluées sur des logiciels libres orientés objets et les résultats obtenus nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Les métriques Tunnel Triplets Metric (TTM) et Common Triplets Metric (CTM), fournissent aux développeurs de bons indices sur la dégradation de l'architecture. La d´ecroissance de TTM indique que la conception originale de l'architecture s’est dégradée. La stabilité de TTM indique la stabilité de la conception originale, ce qui signifie que le système est adapté aux nouvelles spécifications des utilisateurs. • La séismologie est une métaphore intéressante pour l'analyse de l'impact des changements. En effet, les changements se propagent dans les systèmes comme les tremblements de terre. L'impact d'un changement est plus important autour de la classe qui change et diminue progressivement avec la distance à cette classe. Notre approche aide les développeurs à identifier l'impact d'un changement. • Le système immunitaire est une métaphore intéressante pour la détection des défauts de conception. Les résultats des expériences ont montré que la précision et le rappel de notre approche sont comparables ou supérieurs à ceux des approches existantes.

Availability analysis of GMPLS connections based on physical network topology

This paper presents a study of connection availability in GMPLS over optical transport networks (OTN) taking into account different network topologies. Two basic path protection schemes are considered and compared with the no protection case. The selected topologies are heterogeneous in geographic coverage, network diameter, link lengths, and average node degree. Connection availability is also computed considering the reliability data of physical components and a well-known network availability model. Results show several correspondences between suitable path protection algorithms and several network topology characteristics

INFO6003: Campus Network Security Perspectives

These slides cover aspects of network design and technology relevant to a campus network deployment such as that at the University of Southampton.