Interference-Aware Downlink and Uplink Resource Allocation in HetNets with D2D Support

We address the resource allocation problem in an LTE-based 2-tier heterogeneous network where in-band D2D communications are supported under network control. The different communication paradigms share the same radio resources, thus they may interfere. We devise a dynamic programming approach to efficiently schedule download and upload traffic, by 1) efficiently matching communicating endpoints and 2) assigning radio resources in an interference-aware manner while accounting for the characteristics of the content to be delivered. To this end, we develop an accurate model of the system and apply approximate dynamic programming to solve it. Our solution allows us to deal with realistic large-scale scenarios. In such scenarios, we compare our approach to today's networks where eICIC techniques and proportional fairness scheduling are implemented. Results highlight that our solution increases the system throughput while greatly reducing energy consumption. We also show that D2D mode, established either in the downlink or uplink, can effectively support delivery of highly popular content without significantly harming macrocell or microcell traffic, leading to increased system capacity. Interestingly, we find that D2D mode can also be a low-cost alternative to microcells

Identifying spatial invasion of pandemics on metapopulation networks via anatomizing arrival history

Spatial spread of infectious diseases among populations via the mobility of humans is highly stochastic and heterogeneous. Accurate forecast/mining of the spread process is often hard to be achieved by using statistical or mechanical models. Here we propose a new reverse problem, which aims to identify the stochastically spatial spread process itself from observable information regarding the arrival history of infectious cases in each subpopulation. We solved the problem by developing an efficient optimization algorithm based on dynamical programming, which comprises three procedures: i, anatomizing the whole spread process among all subpopulations into disjoint componential patches; ii, inferring the most probable invasion pathways underlying each patch via maximum likelihood estimation; iii, recovering the whole process by assembling the invasion pathways in each patch iteratively, without burdens in parameter calibrations and computer simulations. Based on the entropy theory, we introduced an identifiability measure to assess the difficulty level that an invasion pathway can be identified. Results on both artificial and empirical metapopulation networks show the robust performance in identifying actual invasion pathways driving pandemic spread.Comment: 14pages, 8 figures; Accepted by IEEE Transactions on Cybernetic

MOCAST 2021

The 10th International Conference on Modern Circuit and System Technologies on Electronics and Communications (MOCAST 2021) will take place in Thessaloniki, Greece, from July 5th to July 7th, 2021. The MOCAST technical program includes all aspects of circuit and system technologies, from modeling to design, verification, implementation, and application. This Special Issue presents extended versions of top-ranking papers in the conference. The topics of MOCAST include:Analog/RF and mixed signal circuits;Digital circuits and systems design;Nonlinear circuits and systems;Device and circuit modeling;High-performance embedded systems;Systems and applications;Sensors and systems;Machine learning and AI applications;Communication; Network systems;Power management;Imagers, MEMS, medical, and displays;Radiation front ends (nuclear and space application);Education in circuits, systems, and communications

Resource and power management in next generation networks

The limits of today’s cellular communication systems are constantly being tested by the exponential increase in mobile data traffic, a trend which is poised to continue well into the next decade. Densification of cellular networks, by overlaying smaller cells, i.e., micro, pico and femtocells, over the traditional macrocell, is seen as an inevitable step in enabling future networks to support the expected increases in data rate demand. Next generation networks will most certainly be more heterogeneous as services will be offered via various types of points of access (PoAs). Indeed, besides the traditional macro base station, it is expected that users will also be able to access the network through a wide range of other PoAs: WiFi access points, remote radio-heads (RRHs), small cell (i.e., micro, pico and femto) base stations or even other users, when device-to-device (D2D) communications are supported, creating thus a multi-tiered network architecture. This approach is expected to enhance the capacity of current cellular networks, while patching up potential coverage gaps. However, since available radio resources will be fully shared, the inter-cell interference as well as the interference between the different tiers will pose a significant challenge. To avoid severe degradation of network performance, properly managing the interference is essential. In particular, techniques that mitigate interference such Inter Cell Interference Coordination (ICIC) and enhanced ICIC (eICIC) have been proposed in the literature to address the issue. In this thesis, we argue that interference may be also addressed during radio resource scheduling tasks, by enabling the network to make interference-aware resource allocation decisions. Carrier aggregation technology, which allows the simultaneous use of several component carriers, on the other hand, targets the lack of sufficiently large portions of frequency spectrum; a problem that severely limits the capacity of wireless networks. The aggregated carriers may, in general, belong to different frequency bands, and have different bandwidths, thus they also may have very different signal propagation characteristics. Integration of carrier aggregation in the network introduces additional tasks and further complicates interference management, but also opens up a range of possibilities for improving spectrum efficiency in addition to enhancing capacity, which we aim to exploit. In this thesis, we first look at the resource allocation in problem in dense multitiered networks with support for advanced features such as carrier aggregation and device-to-device communications. For two-tiered networks with D2D support, we propose a centralised, near optimal algorithm, based on dynamic programming principles, that allows a central scheduler to make interference and traffic-aware scheduling decisions, while taking into consideration the short-lived nature of D2D links. As the complexity of the central scheduler increases exponentially with the number of component carriers, we further propose a distributed heuristic algorithm to tackle the resource allocation problem in carrier aggregation enabled dense networks. We show that the solutions we propose perform significantly better than standard solutions adopted in cellular networks such as eICIC coupled with Proportional Fair scheduling, in several key metrics such as user throughput, timely delivery of content and spectrum and energy efficiency, while ensuring fairness for backward compatible devices. Next, we investigate the potentiality to enhance network performance by enabling the different nodes of the network to reduce and dynamically adjust the transmit power of the different carriers to mitigate interference. Considering that the different carriers may have different coverage areas, we propose to leverage this diversity, to obtain high-performing network configurations. Thus, we model the problem of carrier downlink transmit power setting, as a competitive game between teams of PoAs, which enables us to derive distributed dynamic power setting algorithms. Using these algorithms we reach stable configurations in the network, known as Nash equilibria, which we show perform significantly better than fixed power strategies coupled with eICIC

Cost-Effective Activity Control of Asymptomatic Carriers in Layered Temporal Social Networks

The robustness of human social networks against epidemic propagation relies on the propensity for physical contact adaptation. During the early phase of infection, asymptomatic carriers exhibit the same activity level as susceptible individuals, which presents challenges for incorporating control measures in epidemic projection models. This paper focuses on modeling and cost-efficient activity control of susceptible and carrier individuals in the context of the susceptible-carrier-infected-removed (SCIR) epidemic model over a two-layer contact network. In this model, individuals switch from a static contact layer to create new links in a temporal layer based on state-dependent activation rates. We derive conditions for the infection to die out or persist in a homogeneous network. Considering the significant costs associated with reducing the activity of susceptible and carrier individuals, we formulate an optimization problem to minimize the disease decay rate while constrained by a limited budget. We propose the use of successive geometric programming (SGP) approximation for this optimization task. Through simulation experiments on Poisson random graphs, we assess the impact of different parameters on disease prevalence. The results demonstrate that our SGP framework achieves a cost reduction of nearly 33% compared to conventional methods based on degree and closeness centrality

Learning from complex networks

Graph Theory has proven to be a universal language for describing modern complex systems. The elegant theoretical framework of graphs drew the researchers' attention over decades. Therefore, graphs have emerged as a ubiquitous data structure in various applications where a relational characteristic is evident. Graph-driven applications are found, e.g., in social network analysis, telecommunication networks, logistic processes, recommendation systems, modeling kinetic interactions in protein networks, or the 'Internet of Things' (IoT) where modeling billions of interconnected web-enabled devices is of paramount importance. This thesis dives deep into the challenges of modern graph applications. It proposes a robustified and accelerated spectral clustering model in homogeneous graphs and novel transformer-driven graph shell models for attributed graphs. A new data structure is introduced for probabilistic graphs to compute the information flow efficiently. Moreover, a metaheuristic algorithm is designed to find a good solution to an optimization problem composed of an extended vehicle routing problem. The thesis closes with an analysis of trend flows in social media data. Detecting communities within a graph is a fundamental data mining task of interest in virtually all areas and also serves as an unsupervised preprocessing step for many downstream tasks. One most the most well-established clustering methods is Spectral Clustering. However, standard spectral clustering is highly sensitive to noisy input data, and the eigendecomposition has a high, cubic runtime complexity O(n^3). Tackling one of these problems often exacerbates the other. This thesis presents a new model which accelerates the eigendecomposition step by replacing it with a Nyström approximation. Robustness is achieved by iteratively separating the data into a cleansed and noisy part of the data. In this process, representing the input data as a graph is vital to identify parts of the data being well connected by analyzing the vertices' distances in the eigenspace. With the advances in deep learning architectures, we also observe a surge in research on graph representation learning. The message-passing paradigm in Graph Neural Networks (GNNs) formalizes a predominant heuristic for multi-relational and attributed graph data to learn node representations. In downstream applications, we can use the representations to tackle theoretical problems known as node classification, graph classification/regression, and relation prediction. However, a common issue in GNNs is known as over-smoothing. By increasing the number of iterations within the message-passing, the nodes' representations of the input graph align and become indiscernible. This thesis shows an efficient way of relaxing the GNN architecture by employing a routing heuristic in the general workflow. Specifically, an additional layer routes the nodes' representations to dedicated experts. Each expert calculates the representations according to their respective GNN workflow. The definitions of distinguishable GNNs result from k-localized views starting from a central node. This procedure is referred to as Graph Shell Attention (SEA), where experts process different subgraphs in a transformer-motivated fashion. Reliable propagation of information through large communication networks, social networks, or sensor networks is relevant to applications concerning marketing, social analysis, or monitoring physical or environmental conditions. However, social ties of friendship may be obsolete, and communication links may fail, inducing the notion of uncertainty in such networks. This thesis addresses the problem of optimizing information propagation in uncertain networks given a constrained budget of edges. A specialized data structure, called F-tree, addresses two NP-hard subproblems: the computation of the expected information flow and the optimal choice of edges. The F-tree identifies independent components of a probabilistic input graph for which the information flow can either be computed analytically and efficiently or for which traditional Monte-Carlo sampling can be applied independently of the remaining network. The next part of the thesis covers a graph problem from the Operations Research point of view. A new variant of the well-known vehicle routing problem (VRP) is introduced, where customers are served within a specific time window (TW), as well as flexible delivery locations (FL) including capacity constraints. The latter implies that each customer is scheduled in one out of a set of capacitated delivery service locations. Practically, the VRPTW-FL problem is relevant for applications in parcel delivery, routing with limited parking space, or, for example, in the scope of hospital-wide scheduling of physical therapists. This thesis presents a metaheuristic built upon a hybrid Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS). Moreover, a backtracking mechanism in the construction phase is introduced to alter unsatisfactory decisions at early stages. In the computational study, hospital data is used to evaluate the utility of flexible delivery locations and various cost functions. In the last part of the thesis, social media trends are analyzed, which yields insights into user sentiment and newsworthy topics. Such trends consist of bursts of messages concerning a particular topic within a time frame, significantly deviating from the average appearance frequency of the same subject. This thesis presents a method to classify trend archetypes to predict future dissemination by investigating the dissemination of such trends in space and time. Generally, with the ever-increasing scale and complexity of graph-structured datasets and artificial intelligence advances, AI-backed models will inevitably play an important role in analyzing, modeling, and enhancing knowledge extraction from graph data.Die Graphentheorie hat sich zur einer universellen Sprache entwickelt, mit Hilfe derer sich moderne und komplexe Systeme und Zusammenhänge beschreiben lassen. Diese theoretisch elegante und gut fundierte Rahmenstruktur attrahierte über Dekaden hinweg die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern/-innen. In der heutigen Informationstechnologie-Landschaft haben sich Graphen längst zu einer allgegenwärtigen Datenstruktur in Anwendungen etabliert, innerhalb derer charakteristische Zusammenhangskomponenten eine zentrale Rolle spielen. Anwendungen, die über Graphen unterstützt werden, finden sich u.a. in der Analyse von sozialen Netzwerken, Telekommunikationsnetwerken, logistische Prozessverwaltung, Analyse von Empfehlungsdiensten, in der Modellierung kinetischer Interaktionen von Proteinstrukturen, oder auch im "Internet der Dinge" (engl.: 'Internet Of Things' (IoT)), welches das Zusammenspiel von abermillionen web-unterstützte Endgeräte abbildet und eine prädominierende Rolle für große IT-Unternehmen spielt. Diese Dissertation beleuchtet die Herausforderungen moderner Graphanwendungen. Im Bereich homogener Netzwerken wird ein beschleunigtes und robustes spektrales Clusteringverfahren, sowie ein Modell zur Untersuchung von Teilgraphen mittels Transformer-Architekturen für attribuierte Graphen vorgestellt. Auf wahrscheinlichkeitsbasierten homogenen Netzwerken wird eine neue Datenstruktur eingeführt, die es erlaubt einen effizienten Informationsfluss innerhalb eines Graphen zu berechnen. Darüber hinaus wird ein Optimierungsproblem in Transportnetzwerken beleuchtet, sowie eine Untersuchung von Trendflüssen in sozialen Medien diskutiert. Die Untersuchung von Verbünden (engl.: 'Clusters') von Graphdaten stellt einen Eckpfeiler im Bereich der Datengewinnung dar. Die Erkenntnisse sind nahezu in allen praktischen Bereichen von Relevanz und dient im Bereich des unüberwachten Lernens als Vorverarbeitungsschritt für viele nachgeschaltete Aufgaben. Einer der weit verbreitetsten Methodiken zur Verbundanalyse ist das spektrale Clustering. Die Qualität des spektralen Clusterings leidet, wenn die Eingabedaten sehr verrauscht sind und darüber hinaus ist die Eigenwertzerlegung mit O(n^3) eine teure Operation und damit wesentlich für die hohe, kubische Laufzeitkomplexität verantwortlich. Die Optimierung von einem dieser Kriterien exazerbiert oftmals das verbleibende Kriterium. In dieser Dissertation wird ein neues Modell vorgestellt, innerhalb dessen die Eigenwertzerlegung über eine Nyström Annäherung beschleunigt wird. Die Robustheit wird über ein iteratives Verfahren erreicht, das die gesäuberten und die verrauschten Daten voneinander trennt. Die Darstellung der Eingabedaten über einen Graphen spielt hierbei die zentrale Rolle, die es erlaubt die dicht verbundenen Teile des Graphen zu identifizieren. Dies wird über eine Analyse der Distanzen im Eigenraum erreicht. Parallel zu neueren Erkenntnissen im Bereich des Deep Learnings lässt sich auch ein Forschungsdrang im repräsentativen Lernen von Graphen erkennen. Graph Neural Networks (GNN) sind eine neue Unterform von künstlich neuronalen Netzen (engl.: 'Artificial Neural Networks') auf der Basis von Graphen. Das Paradigma des sogenannten 'message-passing' in neuronalen Netzen, die auf Graphdaten appliziert werden, hat sich hierbei zur prädominierenden Heuristik entwickelt, um Vektordarstellungen von Knoten aus (multi-)relationalen, attribuierten Graphdaten zu lernen. Am Ende der Prozesskette können wir somit theoretische Probleme angehen und lösen, die sich mit Fragestellungen über die Klassifikation von Knoten oder Graphen, über regressive Ausdrucksmöglichkeiten bis hin zur Vorhersage von relationaler Verbindungen beschäftigen. Ein klassisches Problem innerhalb graphischer neuronaler Netze ist bekannt unter der Terminologie des 'over-smoothing' (dt.: 'Überglättens'). Es beschreibt, dass sich mit steigender Anzahl an Iterationen des wechselseitigen Informationsaustausches, die Knotenrepräsentationen im vektoriellen Raum angleichen und somit nicht mehr unterschieden werden können. In dieser Forschungsarbeit wird eine effiziente Methode vorgestellt, die die klassische GNN Architektur aufbricht und eine Vermittlerschicht in den herkömmlichen Verarbeitungsfluss einarbeitet. Konkret gesprochen werden hierbei Knotenrepräsentationen an ausgezeichnete Experten geschickt. Jeder Experte verarbeitet auf idiosynkratischer Basis die Knoteninformation. Ausgehend von einem Anfrageknoten liegt das Kriterium für die Unterscheidbarkeit von Experten in der restriktiven Verarbeitung lokaler Information. Diese neue Heuristik wird als 'Graph Shell Attention' (SEA) bezeichnet und beschreibt die Informationsverarbeitung unterschiedlicher Teilgraphen von Experten unter der Verwendung der Transformer-technologie. Eine zuverlässige Weiterleitung von Informationen über größere Kommunikationsnetzwerken, sozialen Netzwerken oder Sensorennetzwerken spielen eine wichtige Rolle in Anwendungen der Marktanalyse, der Analyse eines sozialen Gefüges, oder der Überwachung der physischen und umweltorientierten Bedingungen. Innerhalb dieser Anwendungen können Fälle auftreten, wo Freundschaftsbeziehungen nicht mehr aktuell sind, wo die Kommunikation zweier Endpunkte zusammenbricht, welches mittels einer Unsicherheit des Informationsaustausches zweier Endpunkte ausgedrückt werden kann. Diese Arbeit untersucht die Optimierung des Informationsflusses in Netzwerken, deren Verbindungen unsicher sind, hinsichtlich der Bedingung, dass nur ein Bruchteil der möglichen Kanten für den Informationsaustausch benutzt werden dürfen. Eine eigens entwickelte Datenstruktur - der F-Baum - wird eingeführt, die 2 NP-harte Teilprobleme auf einmal adressiert: zum einen die Berechnung des erwartbaren Informationsflusses und zum anderen die Auswahl der optimalen Kanten. Der F-Baum unterscheidet hierbei unabhängige Zusammenhangskomponenten der wahrscheinlichkeitsbasierten Eingabedaten, deren Informationsfluss entweder analytisch korrekt und effizient berechnet werden können, oder lokal über traditionelle Monte-Carlo sampling approximiert werden können. Der darauffolgende Abschnitt dieser Arbeit befasst sich mit einem Graphproblem aus Sicht der Optimierungsforschung angewandter Mathematik. Es wird eine neue Variante der Tourenplanung vorgestellt, welches neben kundenspezifischer Zeitfenster auch flexible Zustellstandorte beinhaltet. Darüber hinaus obliegt den Zielorten, an denen Kunden bedient werden können, weiteren Kapazitätslimitierungen. Aus praktischer Sicht ist das VRPTW-FL (engl.: "Vehicle Routing Problem with Time Windows and Flexible Locations") eine bedeutende Problemstellung für Paketdienstleister, Routenplanung mit eingeschränkten Stellplätzen oder auch für die praktische Planung der Arbeitsaufteilung von behandelnden Therapeuten/-innen und Ärzten/-innen in einem Krankenhaus. In dieser Arbeit wird für die Bewältigung dieser Problemstellung eine Metaheuristik vorgestellt, die einen hybriden Ansatz mit der sogenannten Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS) impliziert. Darüber hinaus wird als Konstruktionsheuristik ein 'Backtracking'-Mechanismus (dt.: Rückverfolgung) angewandt, um initiale Startlösungen aus dem Lösungssuchraum auszuschließen, die weniger vielversprechend sind. In der Evaluierung dieses neuen Ansatz werden Krankenhausdaten untersucht, um auch die Nützlichkeit von flexiblen Zielorten unter verschiedenen Kostenfunktionen herauszuarbeiten. Im letzten Kapitel dieser Dissertation werden Trends in sozialen Daten analysiert, die Auskunft über die Stimmung der Benutzer liefern, sowie Einblicke in tagesaktuelle Geschehnisse gewähren. Ein Kennzeichen solcher Trends liegt in dem Aufbraußen von inhaltsspezifischen Themen innerhalb eines Zeitfensters, die von der durchschnittlichen Erscheinungshäufigkeit desselben Themas signifikant abweichen. Die Untersuchung der Verbreitung solches Trends über die zeitliche und örtliche Dimension erlaubt es, Trends in Archetypen zu klassifizieren, um somit die Ausbreitung zukünftiger Trends hervorzusagen. Mit der immerwährenden Skalierung von Graphdaten und deren Komplexität, und den Fortschritten innerhalb der künstlichen Intelligenz, wird das maschinelle Lernen unweigerlich weiterhin eine wesentliche Rolle spielen, um Graphdaten zu modellieren, analysieren und schlussendlich die Wissensextraktion aus derartigen Daten maßgeblich zu fördern.La théorie des graphes s'est révélée être une langue universel pour décrire les systèmes complexes modernes. L'élégant cadre théorique des graphes a attiré l'attention des chercheurs pendant des décennies. Par conséquent, les graphes sont devenus une structure de données omniprésente dans diverses applications où une caractéristique relationnelle est évidente. Les applications basées sur les graphes se retrouvent, par exemple, dans l'analyse des réseaux sociaux, les réseaux de télécommunication, les processus logistiques, les systèmes de recommandation, la modélisation des interactions cinétiques dans les réseaux de protéines, ou l'"Internet des objets" (IoT) où la modélisation de milliards de dispositifs interconnectés basés sur le web est d'une importance capitale. Cette thèse se penche sur les défis posés par les applications modernes des graphes. Elle propose un modèle de regroupement spectral robuste et accéléré dans les graphes homogènes et de nouveaux modèles d'enveloppe de graphe pilotés par transformateur pour les graphes attribués. Une nouvelle structure de données est introduite pour les graphes probabilistes afin de calculer efficacement le flux d'informations. De plus, un algorithme métaheuristique est conçu pour trouver une bonne solution à un problème d'optimisation composé d'un problème étendu de routage de véhicules. La thèse se termine par une analyse des flux de tendances dans les données des médias sociaux. La détection de communautés au sein d'un graphe est une tâche fondamentale d'exploration de données qui présente un intérêt dans pratiquement tous les domaines et sert également d'étape de prétraitement non supervisé pour de nombreuses tâches en aval. L'une des méthodes de regroupement les mieux établies est le regroupement spectral. Cependant, le regroupement spectral standard est très sensible aux données d'entrée bruitées, et l'eigendecomposition a une complexité d'exécution cubique élevée O(n^3). S'attaquer à l'un de ces problèmes exacerbe souvent l'autre. Cette thèse présente un nouveau modèle qui accélère l'étape d'eigendecomposition en la remplaçant par une approximation de Nyström. La robustesse est obtenue en séparant itérativement les données en une partie nettoyée et une partie bruyante. Dans ce processus, la représentation des données d'entrée sous forme de graphe est essentielle pour identifier les parties des données qui sont bien connectées en analysant les distances des sommets dans l'espace propre. Avec les progrès des architectures de Deep Learning, nous observons également une poussée de la recherche sur l'apprentissage de la représentation graphique. Le paradigme du passage de messages dans les réseaux neuronaux graphiques (GNN) formalise une heuristique prédominante pour les données graphiques multi-relationnelles et attribuées afin d'apprendre les représentations des nœuds. Dans les applications en aval, nous pouvons utiliser les représentations pour résoudre des problèmes théoriques tels que la classification des nœuds, la classification/régression des graphes et la prédiction des relations. Cependant, un problème courant dans les GNN est connu sous le nom de lissage excessif. En augmentant le nombre d'itérations dans le passage de messages, les représentations des nœuds du graphe d'entrée s'alignent et deviennent indiscernables. Cette thèse montre un moyen efficace d'assouplir l'architecture GNN en employant une heuristique de routage dans le flux de travail général. Plus précisément, une couche supplémentaire achemine les représentations des nœuds vers des experts spécialisés. Chaque expert calcule les représentations en fonction de son flux de travail GNN respectif. Les définitions de GNN distincts résultent de k vues localisées à partir d'un nœud central. Cette procédure est appelée Graph Shell Attention (SEA), dans laquelle les experts traitent différents sous-graphes à l'aide d'un transformateur. La propagation fiable d'informations par le biais de grands réseaux de communication, de réseaux sociaux ou de réseaux de capteurs est importante pour les applications concernant le marketing, l'analyse sociale ou la surveillance des conditions physiques ou environnementales. Cependant, les liens sociaux d'amitié peuvent être obsolètes, et les liens de communication peuvent échouer, induisant la notion d'incertitude dans de tels réseaux. Cette thèse aborde le problème de l'optimisation de la propagation de l'information dans les réseaux incertains compte tenu d'un budget contraint d'arêtes. Une structure de données spécialisée, appelée F-tree, traite deux sous-problèmes NP-hard: le calcul du flux d'information attendu et le choix optimal des arêtes. L'arbre F identifie les composants indépendants d'un graphe d'entrée probabiliste pour lesquels le flux d'informations peut être calculé analytiquement et efficacement ou pour lesquels l'échantillonnage Monte-Carlo traditionnel peut être appliqué indépendamment du reste du réseau. La partie suivante de la thèse couvre un problème de graphe du point de vue de la recherche opérationnelle. Une nouvelle variante du célèbre problème d'acheminement par véhicule (VRP) est introduite, où les clients sont servis dans une fenêtre temporelle spécifique (TW), ainsi que des lieux de livraison flexibles (FL) incluant des contraintes de capacité. Ces dernières impliquent que chaque client est programmé dans l'un des emplacements de service de livraison à capacité. En pratique, le problème VRPTW-FL est pertinent pour des applications de livraison de colis, d'acheminement avec un espace de stationnement limité ou, par exemple, dans le cadre de la programmation de kinésithérapeutes à l'échelle d'un hôpital. Cette thèse présente une métaheuristique construite sur une recherche hybride de grands voisinages adaptatifs (ALNS). En outre, un mécanisme de retour en arrière dans la phase de construction est introduit pour modifier les décisions insatisfaisantes à des stades précoces. Dans l'étude computationnelle, des données hospitalières sont utilisées pour évaluer l'utilité de lieux de livraison flexibles et de diverses fonctions de coût. Dans la dernière partie de la thèse, les tendances des médias sociaux sont analysées, ce qui donne un aperçu du sentiment des utilisateurs et des sujets d'actualité. Ces tendances consistent en des rafales de messages concernant un sujet particulier dans un laps de temps donné, s'écartant de manière significative de la fréquence moyenne d'apparition du même sujet. Cette thèse présente une méthode de classification des archétypes de tendances afin de prédire leur diffusion future en étudiant la diffusion de ces tendances dans l'espace et dans le temps. D'une manière générale, avec l'augmentation constante de l'échelle et de la complexité des ensembles de données structurées en graphe et les progrès de l'intelligence artificielle, les modèles soutenus par l'IA joueront inévitablement un rôle important dans l'analyse, la modélisation et l'amélioration de l'extraction de connaissances à partir de données en graphe

Influence Analysis towards Big Social Data

Large scale social data from online social networks, instant messaging applications, and wearable devices have seen an exponential growth in a number of users and activities recently. The rapid proliferation of social data provides rich information and infinite possibilities for us to understand and analyze the complex inherent mechanism which governs the evolution of the new technology age. Influence, as a natural product of information diffusion (or propagation), which represents the change in an individual’s thoughts, attitudes, and behaviors resulting from interaction with others, is one of the fundamental processes in social worlds. Therefore, influence analysis occupies a very prominent place in social related data analysis, theory, model, and algorithms. In this dissertation, we study the influence analysis under the scenario of big social data. Firstly, we investigate the uncertainty of influence relationship among the social network. A novel sampling scheme is proposed which enables the development of an efficient algorithm to measure uncertainty. Considering the practicality of neighborhood relationship in real social data, a framework is introduced to transform the uncertain networks into deterministic weight networks where the weight on edges can be measured as Jaccard-like index. Secondly, focusing on the dynamic of social data, a practical framework is proposed by only probing partial communities to explore the real changes of a social network data. Our probing framework minimizes the possible difference between the observed topology and the actual network through several representative communities. We also propose an algorithm that takes full advantage of our divide-and-conquer strategy which reduces the computational overhead. Thirdly, if let the number of users who are influenced be the depth of propagation and the area covered by influenced users be the breadth, most of the research results are only focused on the influence depth instead of the influence breadth. Timeliness, acceptance ratio, and breadth are three important factors that significantly affect the result of influence maximization in reality, but they are neglected by researchers in most of time. To fill the gap, a novel algorithm that incorporates time delay for timeliness, opportunistic selection for acceptance ratio, and broad diffusion for influence breadth has been investigated. In our model, the breadth of influence is measured by the number of covered communities, and the tradeoff between depth and breadth of influence could be balanced by a specific parameter. Furthermore, the problem of privacy preserved influence maximization in both physical location network and online social network was addressed. We merge both the sensed location information collected from cyber-physical world and relationship information gathered from online social network into a unified framework with a comprehensive model. Then we propose the resolution for influence maximization problem with an efficient algorithm. At the same time, a privacy-preserving mechanism are proposed to protect the cyber physical location and link information from the application aspect. Last but not least, to address the challenge of large-scale data, we take the lead in designing an efficient influence maximization framework based on two new models which incorporate the dynamism of networks with consideration of time constraint during the influence spreading process in practice. All proposed problems and models of influence analysis have been empirically studied and verified by different, large-scale, real-world social data in this dissertation

Ranking Edges by their Impact on the Spectral Complexity of Information Diffusion over Networks

Despite the numerous ways now available to quantify which parts or subsystems of a network are most important, there remains a lack of centrality measures that are related to the complexity of information flows and are derived directly from entropy measures. Here, we introduce a ranking of edges based on how each edge's removal would change a system's von Neumann entropy (VNE), which is a spectral-entropy measure that has been adapted from quantum information theory to quantify the complexity of information dynamics over networks. We show that a direct calculation of such rankings is computationally inefficient (or unfeasible) for large networks: e.g.\ the scaling is $\mathcal{O}(N^3)$ per edge for networks with $N$ nodes. To overcome this limitation, we employ spectral perturbation theory to estimate VNE perturbations and derive an approximate edge-ranking algorithm that is accurate and fast to compute, scaling as $\mathcal{O}(N)$ per edge. Focusing on a form of VNE that is associated with a transport operator $e^{-\beta{ L}}$, where ${ L}$ is a graph Laplacian matrix and $\beta>0$ is a diffusion timescale parameter, we apply this approach to diverse applications including a network encoding polarized voting patterns of the 117th U.S. Senate, a multimodal transportation system including roads and metro lines in London, and a multiplex brain network encoding correlated human brain activity. Our experiments highlight situations where the edges that are considered to be most important for information diffusion complexity can dramatically change as one considers short, intermediate and long timescales $\beta$ for diffusion.Comment: 24 pages, 7 figure