Field Theory of Yang-Mills Quantum Mechanics for D Particles

We propose a new field-theoretic framework for formulating the non-relativistic quantum mechanics of D particles in a Fock space of U(N) Yang-Mills theories with all different N in a unified way. D-particle field operators, creating and annihilating a D particle and hence changing N one by one, are defined. The base space of these D-particle fields is a (complex) vector space of infinite dimensions. The gauge invariance of Yang-Mills quantum mechanics is reinterpreted as a quantum-statistical symmetry, which is taken into account by setting up a novel algebraic and projective structure in the formalism. Ordinary physical observables of Yang-Mills theory, obeying the standard algebra, are expressed as bilinear forms of the D-particle fields. Together with the open-closed string duality, our new formulation suggests a trinity of three different but mutually dual viewpoints in string theory.Comment: corrected typos, corrected references, 39 pages, 2 figures, version to be published in Prog. Theor. Phy

Methodologies synthesis

This deliverable deals with the modelling and analysis of interdependencies between critical infrastructures, focussing attention on two interdependent infrastructures studied in the context of CRUTIAL: the electric power infrastructure and the information infrastructures supporting management, control and maintenance functionality. The main objectives are: 1) investigate the main challenges to be addressed for the analysis and modelling of interdependencies, 2) review the modelling methodologies and tools that can be used to address these challenges and support the evaluation of the impact of interdependencies on the dependability and resilience of the service delivered to the users, and 3) present the preliminary directions investigated so far by the CRUTIAL consortium for describing and modelling interdependencies

Ad hoc network security and modeling with stochastic petri nets

Advances in wireless technology and portable computing along with demands for high user mobility have provided a major promotion toward the development of ad hoc networks. These networks feature dynamic topology, self-organization, limited bandwidth and battery power of a node. Unlike the existing commercial wireless systems and fixed infrastructure networks, they do not rely on specialized routers for path discovery and traffic routing. Security is an important issue in such networks. Typically, mobile nodes are significantly more susceptible to physical attacks than their wired counterparts. This research intends to investigate the ad hoc network routing security by proposing a performance enhanced Secure ad hoc On-demand Routing protocol (SOR). Specifically, it presents a method to embed Security Level into ad hoc on-demand routing protocols using node-disjoint multipath, and to use maximum hopcount to restrict the number of routing packets in a specific area. The proposed scheme enables the use of security as a marked factor to improve the relevance of the routes discovered by ad hoc routing protocols. It provides customizable security to the flow of routing protocol messages. In general, SOR offers an alternative way to implement security in on-demand routing protocols. Ad hoc network is too complex to allow analytical study for explicit performance expressions. This research presents a Stochastic Petri net-based approach to modeling and analysis of mobile ad hoc network. This work illustrates how this model is built as a scalable model and used to exploit the characteristics of the networks. The proposed scheme is a powerful analytical model that can be used to derive network performance much more easily than a simulation-based approach. Furthermore, the proposed model is extended to study the performance of ad hoc network security by adding multipath selection and security measurement parameters. This research gives a quantificational measurement to analyze the performance of a modified SPN model under the effect of multipath and attack of a hypothetical compromised node

Matrizen- und zustandsraumreduzierende Verfahren zur Leistungsbewertung großer stochastischer Petrinetze

Viele qualitative und quantitative Analysemethoden von Petrinetzmodellen basieren auf der Berechnung aller Modellzustände. Für sehr große Modelle ist eine Berechnung wichtiger Eigenschaften aufgrund ihrer zu großen Zustandsräume oft unmöglich. Diese Restriktion ist als das Problem der Zustandsraumexplosion bekannt. Sehr große Zustandsräume ziehen darüber hinaus die Behandlung sehr großer Matrizen nach sich. Während der numerischen Analyse muß nach der Ermittlung aller Zustände eines Petrinetzmodells eine quadratische Matrix erstellt werden, deren Dimension von der Anzahl der ermittelten Zustände ist. Diese Arbeit untersucht matrizen- und zustandsraumreduzierende Verfahren zur Überwindung des Problems der Zustandsraumexplosion. Durch die in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren sind deutlich größere Modelle als bisher analysierbar. Die Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren werden untersucht und erläutert. Anhand von Beispielen werden die beschriebenen Verfahren zur Reduzierung von Matrizen und Zustandsräumen vorgestellt. Kern der Arbeit ist eine neue Aggregierungsmethode. Unter Aggregierung wird dabei der Prozeß verstanden, ein großes, komplexes Modell in ein kleineres, weniger komplexes Modell zu überführen. Bedingung einer geeigneten Aggregierung ist die Bewahrung wichtiger Eigenschaften des Originalmodells. Zu diesen Eigenschaften gehören wichtige strukturelle Merkmale eines Modells. In dieser Arbeit werden solche strukturellen Merkmale erläutert und Verfahren vorgestellt, die deren effiziente Ermittlung ermöglichen. Es wird gezeigt, daß die in dieser Arbeit präsentierte Aggregierungsmethode die für die numerische Analyse wichtigen strukturellen Eigenschaften bewahrt. Eine Bewahrung zeitbehafteter Eigenschaften von Modellen bei deren Aggregierung wurde in bisherigen Untersuchungen kaum beachtet. In dieser Arbeit wird ein Graphen basiertes Verfahren vorgestellt, mit welchem häufig auftretende Strukturen in stochastischen Petrinetzen zu einer zeitbehafteten Transition mit einer markierungsabhängigen Schaltzeit aggregiert werden. Die dadurch erzeugten aggregierten Modelle mit einem deutlich reduzierten Zustandsraum weisen für wichtige Leistungsmaße ein ähnliches, in manchen Fällen gar gleiches Verhalten auf, wie das Originalmodell. Andere bekannte Verfahren zur Angleichung des Zeitverhaltens des aggregierten Modells an das Originalmodell basieren dagegen auf aufwendigen iterativen numerischen Analysen. Durch die Vermeidung eines solchen Iterationsverfahrens läßt sich die in dieser Arbeit vorgestellte Aggregierungsmethode in bekannte approximative Analyseverfahren integrieren. Die Anwendung einer solchen Integration wird demonstriert. Abschließend wird anhand einer Reihe von Beispielen die Praktikabilität der hier vorgeschlagenen Aggregierungsmethode experimentell untersucht

stochastic modeling and analysis of 3g mobile communication systems

Third-generation (3G) mobile communication systems are currently one of the key communication technologies in research and development due to the high market demand for advanced wireless communication. The current evolution is primarily characterized by a transition from circuit-switched voice-oriented networks to integrated multi-service all IP networks. To effectively design complex mobile communication systems, the design process should be accompanied by stochastic modeling and quantitative evaluation of different design alternatives. The most popular language for model specification used in industrial projects is the Unified Modeling Language (UML). Although conceived as a general-purpose modeling language, the current version of the UML does not contain building blocks for introducing stochastic timing into UML diagrams.The first part of this thesis presents new results for numerical quantitative analysis of discrete-event stochastic systems specified in Petri net notation or as UML diagrams. An efficient algorithm for the state space generation out of an UML state diagram or activity diagram that allows quantitative analysis by means of the underlying stochastic process is presented. Furthermore, this thesis considers new methodological results for the effective numerical analysis of finite-state generalized semi-Markov processes with exponential and deterministic events by an embedded general state space Markov chain (GSSMC). Key contributions constitute (i) the observation that elements of the transition kernel of the GSSMC can always be computed by appropriate summation of transient state probabilities of continuous-time Markov chains and (ii) the derivation of conditions under which kernel elements are constant. To provide automated tool support, the presented algorithms are included in the software package DSPNexpress-NG available for download on the Web.The support of multimedia services over wireless channels presents a number of technical challenges. One of the major challenges is to effectively utilize the scarce radio bandwidth in the access network by adaptive control of system parameters. The second part of this thesis is devoted to this topic. A Markov model representing the sharing of radio channels by circuit-switched connections and packet-switched sessions under a dynamic channel allocation scheme is evaluated. Closing the loop between network operation and network control, a framework for the adaptive quality of service management for 3G mobile networks is introduced. Building on this framework, a novel call admission control and bandwidth reservation scheme for the optimization of quality of service for mobile subscribers is presented. The performance of the solutions proposed in this thesis is investigated experimentally based on numerical quantitative analysis and discrete-event simulation

Institutional Vulnerability and Governance of Disaster Risk Reduction: Macro, Meso and Micro Scale Assessment : With Case Studies from Indonesia

This PhD research addresses two central questions: How should institutional vulnerability that shapes disaster risks and disaster reduction policy be assessed? How does the quality of institutions and governance influence the level of disaster risk and disaster reduction policy? In this dissertation, institutional vulnerability at global and local levels is analyzed and an answer to such questions is pursued. General vulnerability assessment frameworks on the global scale and local scale have limitations in measuring how and to what extent institutions in all countries can reduce risks. This PhD dissertation is pioneering in that it assesses global institutional vulnerability using an index-based approach on a national/local scale by employing mixed methods such as social network analysis complemented by qualitative approaches (e.g. participant observation and literature reviews) and quantitative approaches (simple regression, scatter plots and simple descriptive statistics). In this dissertation, it is hypothesized that the countries with greater institutional quality tend to have better governance over disaster risks, which leads to a higher level of disaster risk resilience. Risk assessors have often overlooked institutions. In fact, when one assesses vulnerability, for example, social/human vulnerability (such as using health, education, human development indices), physical vulnerability (quality of physical housing and infrastructure), economic vulnerability (income, economic production), and environmental vulnerability (land degradation, environmental quality indicators), the assessor essentially measures the “outcomes” of the institutions rather than the institutions directly. Institutional vulnerability to disaster risk is defined here as both the context and the process by which formal institutions (regulations, rule of law, constitutions, codes, bureaucracy, etc.), informal institutions (culture, norms, traditions, etc.), and governance are either too weak to provide protection against disaster risk or are ignorant of their duty to provide safety and human security. Central to this argument is the concept that institutions are designed, among others, to reduce risks. In this research, the focus is on disaster risks. This suggests a hypothesis that nations will fail to reduce risks owing to institutional and governance factors that modify their vulnerabilities and resilience. The findings show that both qualitative and quantitative methods at different scales of governance can assess institutional vulnerability and the governance of disaster risk reduction. At a global level, a quantitative approach to measuring institutional quality and governance disaster risk reduction is possible thanks to recent global data on countries’ implementation of the Hyogo Framework for Action; however, more efforts are required in the future. At the meso- and microlevels, this work describes the history of institutions for disaster risk management in Indonesia from the colonial period until the present challenges of decentralized governance. The main message is as follows: without considering institutions, institutional quality, and specific governance of disaster reduction at macro-, meso-. and microscales, disaster risk reduction will not be sustainably implemented.Institutionelle Vulnerabilität und Beeinflussung der Qualität von Institutionen und Governance auf den Grad der Katastrophenvorsorge auf globaler und lokaler Ebene Diese Doktorarbeit befasst sich mit zwei zentralen Fragen: Wie sollte institutionelle Vulnerabilität von Massnahmen zu Katastrophenrisiken und -vorsorge beurteilt werden? Wie beeinflusst die Qualität von Institutionen und Governance den Grad der Katastrophenvorsorge? Diese Dissertation analysiert institutionelle Vulnerabilität auf globaler und lokaler Ebene, um eine Antwort auf diese Fragen zu geben. Allgemeine Beurteilungssysteme von Vulnerabilität auf globaler und lokaler Ebene sind in ihrer Aussagekraft darüber begrenzt, wie und in welchem Umfang Institutionen in allen Ländern Risiken tatsächlich reduzieren können. Diese Dissertation ist eine grundlegende Arbeit dahingehend, indem sie globale institutionelle Vulnerabilität mittels eines Index-basierten Ansatzes auf nationaler / lokaler Ebene misst ergänzt durch gemischte Methoden wie soziale Netzwerkanalyse sowie qualitative (z.B. teilnehmende Beobachtung und Literaturrecherchen) und quantitative Ansätze (z.B. einfache Regression, Scatter-Plot, einfache deskriptive Statistik). In dieser Disssertation wird die Hypothese aufgestellt, dass die Länder mit der höchsten institutionellen Qualität eine bessere Governance von Katastrophenrisiken haben, was zu einer höheren Widerstandskraft gegen Katastrophenrisiken führt. Risiko-Assessoren haben oftmals Institutionen übersehen. Im Falle der Messung von Vulnerabilität, z.B. soziale / menschliche Vulnerabilität (wie z.B. Gesundheit, Bildung, Indizes der menschlichen Entwicklung), physische Vulnerabilität (Qualität der physischen Behausung / Gebäude und Infrastruktur), ökonomische Vulnerabilität (Einkommen, Wirtschaftsproduktion) und Umweltvulnerabilität(Landverödung, Umweltqualitätindikatoren), misst ein Assessor eigentlich nur das "Resultat" von Institutionen, aber nicht die Institution direkt. Institutionelle Vulnerabilität gegenüber Katastrophenrisiken wird hier definiert als der Kontext wie auch der Prozess, durch die formale Insitutionen (Verordnungen, Gesetz, Verfassungen, Vorschriften, Verwaltung usw.), informelle Institutionen (Kultur, Normen, Traditionen usw.) sowie Governance so geschwächt werden, dass sie entweder keinen Schutz gegenüber Naturkatastrophen bieten oder zu Ignoranz gegenüber ihrer Aufgabe führen, für Sicherheit und menschlichen Schutz zu sorgen. Ein zentrales Argument ist die Vorstellung, dass Institutionen u.a dafür gestaltet wurden, um Risiken zu reduzieren. In dieser Forschungsarbeit wird der Schwerpunkt auf Katastrophenrisiken / Naturkatastrophen gelegt. Dies führte zu der Hypothese, dass Nationen nicht in der Lage sind, aufgrund institutioneller Faktoren und Governance, die ihre Vulnerabilität und Fähigkeit zur Abpufferung ändern, Risiken zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass qualitative sowie quantitative Methoden auf verschiedenen Ebenen der Governance institutionelle Vulnerabilität und Governance der Katastrophenvorsorge messen können. Auf globaler Ebene ist die Anwendung eines quantitativen Ansatzes zur Messung der Qualität von Institutionen und Governance zur Reduzierung von Naturkatastrophen möglich dank der zur Verfügung stehenden globalen Daten aus Ländern, die das Hyogo Framework for Action eingesetzt haben. Trotzdem sind stärkere Anstrengungen in der Zukunft nötig. Auf der Meso- und Mikroebene beschreibt diese Arbeit die historische Entwicklung von Institutionen zur Katastrophenvorsorge in Indonesien von der Kolonialzeit bis zu den aktuellen Herausforderungen einer dezentralisierten Verwaltungsstruktur. Die wichtigste Aussage ist die Tatsache, dass Katastrophenvorsorge nicht nachhaltig implementiert werden kann, ohne Insitutionen, die Qualität von Institutionen sowie die spezifische Governance der Risikoreduktion auf der Makro-, Meso- und Mikroebene zu berücksichtigen