Control and Data Analysis of Complex Networks

abstract: This dissertation treats a number of related problems in control and data analysis of complex networks. First, in existing linear controllability frameworks, the ability to steer a network from any initiate state toward any desired state is measured by the minimum number of driver nodes. However, the associated optimal control energy can become unbearably large, preventing actual control from being realized. Here I develop a physical controllability framework and propose strategies to turn physically uncontrollable networks into physically controllable ones. I also discover that although full control can be guaranteed by the prevailing structural controllability theory, it is necessary to balance the number of driver nodes and control energy to achieve actual control, and my work provides a framework to address this issue. Second, in spite of recent progresses in linear controllability, controlling nonlinear dynamical networks remains an outstanding problem. Here I develop an experimentally feasible control framework for nonlinear dynamical networks that exhibit multistability. The control objective is to apply parameter perturbation to drive the system from one attractor to another. I introduce the concept of attractor network and formulate a quantifiable framework: a network is more controllable if the attractor network is more strongly connected. I test the control framework using examples from various models and demonstrate the beneficial role of noise in facilitating control. Third, I analyze large data sets from a diverse online social networking (OSN) systems and find that the growth dynamics of meme popularity exhibit characteristically different behaviors: linear, “S”-shape and exponential growths. Inspired by cell population growth model in microbial ecology, I construct a base growth model for meme popularity in OSNs. Then I incorporate human interest dynamics into the base model and propose a hybrid model which contains a small number of free parameters. The model successfully predicts the various distinct meme growth dynamics. At last, I propose a nonlinear dynamics model to characterize the controlling of WNT signaling pathway in the differentiation of neural progenitor cells. The model is able to predict experiment results and shed light on the understanding of WNT regulation mechanisms.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

On social and technical aspects of managing mobile Ad-hoc communities

Soziale Software beschreibt eine Klasse von Anwendungen, die es Benutzern erlaubt ueber das Internet mit Freunden zu kommunizieren und Informationen auszutauschen. Mit zunehmender Leistungsfaehigkeit mobiler Prozessoren verwandeln sich Mobiltelefone in vollwertige Computer und eroeffnen neue Moeglichkeiten fuer die mobile Nutzung sozialer Software. Da Menschen Mobiltelefone haeufig bei sich fuehren, koennen vergleichbare mobile Anwendungen staerker auf ihre unmittelbare Umgebungssituation zugeschnitten werden. Moegliche Szenarien sind die Unterstuetzung realer Treffen und damit verbundenen Mitgliederinteraktionen. Client-Server-Plattformen, die dabei haeufig zum Einsatz kommen wurden allerdings nie fuer solche hochflexiblen Gruppensituationen konstruiert. Mobile Encounter Netzwerke (MENe) verprechen hier mehr Flexibilitaet. Ein MEN stellt eine mobiler Peer-to-Peer-Plattformen dar, das ueber ein kurzreichweitiges Funknetz betrieben wird. Mit diesem Netzwerk werden Beitraege ueber einen raeumlichen Diffusionsprozess von einem mobilen Endgeraet zum naechsten verbreitet. Das hat zwei entscheidende Vorteile: Zunaechst ist der direkte Nachrichtenaustausch besser geeignet zur Verbreitung von situationsspezifischer Information, da die Informationsrelevanz mit ihrer Entfehrnung abnimmt. Gleichzeitig koennen aber auch Inhalte, die fuer einen breiten Interessenkreis bestimmt sind ueber Mitglieder mit herausragenden Mobilitaetscharakteristik in weit entfernte Gebiete transportiert werden. Ein Nachteil ist jedoch der hohe Ressourcenverbrauch. Zur Loesung dieses Problems entwickeln wir ein Rahmenwerk zur Unterstuetzung mobiler ad-hoc Gruppen, das es uns erlaubt, Gruppensynergien gezielt auszunutzen. Dieses Rahmenwerk bietet Dienstleistungen zur Verwaltung der Gruppendynamik und zur Verbreitung von Inhalten an. Mittels soziale Netzwerkanalyse wird die technische Infrastruktur ohne notwendige Benutzereingriffe kontinuierlich an die reale Umgebungssituation angepasst. Dabei werden moegliche Beziehungen zwischen benachbarten Personen anhand frueher Begegnungen analysiert, spontane Gruppenbildungen mit Clusterverfahren identifiziert und jedem Gruppenmitglied eine geeignete Rolle durch eine Positionsanalyse zugewiesen. Eine Grundvorraussetzung fuer eine erfolgreiche Kooperation ist ein effizienter Wissensaustausch innerhalb einer Gemeinschaft. Wie die Small World-Theorie zeigt, koennen Menschen Wissen auch dann effizient verbreiten, wenn ihre Entscheidung nur auf lokaler Umgebungsinformation basiert. Verschiedene Forscher machten sich das zu nutze, indem sie kurze Verbreitungspfade durch eine Verkettung hochvernetzter Mitglieder innerhalb einer Gemeinschaft konstruierten. Allerdings laesst sich dieses Verfahren nicht einfach auf MENe uebertragen, da die Transferzeit im Gegensatz zu dem drahtgebundenen Internet beschraenkt ist. Unser Ansatz beruht daher, auf der von Reagan et al. vorgestellten Least Effort Transfer-Hypothese. Diese Hypothese besagt, dass Menschen Wissen nur dann weitergeben, wenn sich der Aufwand zur Informationsuebertragung innerhalb bestimmter Grenzen bewegt. Eine erfolgreiche Wissensuebertragung haengt in diesem Fall vom Hintergrundwissen aller Beteiligter ab, was wiederum von unterschiedlichen kognitiven und sozialen Faktoren abhaengt. Entsprechend leiten wir ein Diffusionsverfahren ab, dass in der Lage ist, Inhalte in verschiedene Kompexitaetstufen einzuteilen und Datenuebertragungen an die vorgefundene soziale Situation anzupassen. Mit einem Prototyp evaluieren wir die Machbarkeit der Gruppen- und Informationsmanagementkomponente unseres Rahmenwerkes. Da Laborexperimente keinen ausreichenden Aufschluss ueber Diffusionseigenschaften im groesseren Massstab geben koennen, simulieren wir die Beitragsdiffusion. Dazu dient uns eine Verkehrsimulation, bei der Agenten zusaetzlich mit aktivitaetsbezogenen, sozialen und territorialen Modellen erweitern werden. Um eine realitaetsnahe Simulation zu gewaehrleisten, werden diese Modelle in Uebereinstimmung mit verschiedenen Studien zum Stadtleben generiert. Der technische Uebertragungsprozess wird anhand der Ergebnisse einer vorangegangenen Prototypuntersuchung parametrisiert. Waehrend eines Simulationslaufes bewegen sich Agenten auf einem Stadtplan und sammeln Kontakt- und Beitragsdaten. Analysiert man anschliessend die Netzwerktopologie auf Small World-Eigenschaften, so findet man eine Netzstruktur mit einer ausgepraegten Neigung zum Clustering (Freundschaftsnetzwerke) und einer ueberdurschnittlichen kurzen Weglaenge. Offensichtlich reicht die Alltagsmobilitaet aus, um ausreichend viele Verknuepfungen zwischen Gemeinschaftmitgliedern zu bilden. Die nachfolgende Diffusionsanalyse zeigt, dass vergleichbare Reichweiten wie bei einem flutungsbasierten Ansatz erzielt werden, allerdings mit anfaenglichen Verzoegerungen. Da unser Verfahren bei einem Ortswechsel die Anzahl der Informationsuebermittler auf zentrale Gruppenmitglieder begrenzt, steht mehr Bandbreite fuer den Datenaustausch zur Verfuegung. Herkoemliche Mitglieder (ohne Leitungsaufgaben) tauschen Inhalte vornehmlich in zeitunkritschen Situationen aus. Das hat den positiven Nebeneffekt, dass im Cache erheblich weniger Kopien aussortiert werden muessen. Wechselt man waehrend der Simulation die Beitragskategorie so erkennt man, dass zeitabhaengige Inhalte besser ueber regelmaessige Kontakte und zeitunabhaengig Inhalte durch zufaellige Kontakte verbreitet werden. Eine abschliessende Precision-Recall Analyse zeigt, dass herkoemmliche Gruppenmitglieder eine bessere Genauigkeit (Precision), und zentrale Mitglieder eine bessere Trefferquote (Recall) im Vergleich zu traditionellen Ansaetzen besitzen. Eine Erklaerung dafuer ist, dass der von uns gewaehlte gruppenbasierte Cacheansatz zu weniger Saeuberungszyklen aller Gruppenmitglieder fuehrt und somit nachhaltiger ausgerichtet ist.Social software encompasses a range of software systems that allow users to interact and share data. This computer-mediated communication has become very popular with social networking sites like Facebook and Twitter. The evolvement of smart phones toward mobile computers opens new possibilities to use social software also in mobile usage scenarios. Since mobile phones are permanently carried by their owners, the support focus is, however, much stronger set on promoting and augmenting real group gatherings. Traditional client-server platforms are not flexible enough to support complex and dynamic human encounter behavior. Mobile encounter networks (MENs) which represent a mobile peer-to-peer platform on top of a short range wireless network promise better flexibility. MENs diffuse content from neighbor-to-neighbor in a spatial diffusion process. For physical group gatherings this is advantageous for two reasons. Direct device-to-device interactions encourage sharing of situation-dependent content. Moreover, content is not necessarily locked within friend groups and may trigger networking effects by reaching larger audiences through user mobility. One disadvantage is, however, the high resource usage. We develop a social software framework for mobile ad-hoc groups, which partly solves this problem. This framework supports services for the management of group dynamics and content diffusion within and between groups. Social network analysis as an inherent part of the framework is used to adapt internal community states continuously with real world encounter situations. We hereby qualify interpersonal relationships based on encounter and communication statistics, identify social groups through incremental clustering and assign diffusion roles through position analysis. To achieve efficient content dissemination we make use of social diffusion phenomena. Other researchers have experimented extensively with the small world model as it proofs that people transfer knowledge based on local knowledge but are still capable of diffusing it efficiently on a global scale. Their approach is often based on identifying short paths through member connectivity. However, this scenario is not applicable in MENs as transfer time is limited in contrast to the wired Internet. Our approach is therefore based on the least effort transfer theory. Following Reagan et al., who first postulated this hypothesis, people transfer knowledge only if the transfer effort is within specific limits, which depends on different social and cognitive factors. We derive routing mechanisms, which are capable of distinguishing between different content complexities and apply information about peer's expertise and social network to identify advantageous paths and content transfers options. We evaluate the feasibility of the group management and content transfer component with prototypes. Since labor settings do not allow to obtain information about large scale diffusion experiences, we also conduct a multi-agent simulation to evaluate the diffusion capabilities of the system. Experiences from an earlier prototype implementation have been used to quantify the technical routing process. To emulate realistic community life, we assigned to each agent an individual daily agenda, social contacts and territory preferences specified according to outcomes from different urban city life surveys. During the simulation agents move on a city map according to these models and collect contact and content specific data. Analyzing the network topology according to small world characteristics shows a structure with a high tendency for clustering (friend networks) and a short average path length. Daily urban mobility creates enough opportunities to form shortcuts through the community. Content diffusion analysis shows that our approach reaches a similar amount of peers as network flooding but with delays in the beginning. Since our approach artificially limits the number of intermediates to central community peers more bandwidth is available during traveling and more content can be transferred as in the case of the flooding approach. Ordinary peers seem to have significantly fewer content replications if an unlimited cache is assumed proofing that our mechanism is more efficient. By varying the content type used during the simulation we recognize that time dependent content is better disseminated through frequent contacts and time independent content through random contacts. Performing a precision-recall analysis on peers caches shows that ordinary peers gain an overall better context precision, and central peers a better community recall. One explanation is that the shared cache approach leads to fewer content replacements in the cache as for instance the least recently used cache strategy

Survey on Software Defined VANETs

Modern vehicles are equipped with a wide variety of sensors, onboard computers and different devices supporting navigation and communication. These systems aim the fulfillment of various demands on the improvement of traffic safety, traffic/route optimization, passenger, comfort, etc. Inter-vehicle and vehicle-infrastructure communication plays an important role in this process, which resulted in the birth of Vehicular Ad-hoc Networks. In the first part of the article, the key ideas of VANETs and their communication types are presented, then the most important features of vehicular ad-hoc networks are discussed followed by typical application types and actual characteristic research directions. The second part of the article focuses on Software Defined Networking and its application possibilities in VANETs emphasizing the benefits they can provide

Exploring standardization and integration in the implementation of industry inter-organizational information systems: a case study in the seaport of Barcelona

Aquesta tesis presenta un estudi interpretativista sobre els processos d'estandardització i integració relacionats amb la implementació d'un sistema d'informació inter-organitzatiu (SIIO) sectorial en el Port de Barcelona. Aquest treball adopta una perspectiva de conjunt sobre els SIIO. Per un costat, des d'aquesta perspectiva un SIIO està en constant en moviment durant la implementació i el seu posterior ús. Per tant, la implementació del SIIO ve condicionada per configuracions prèvies, ja que els sistemes existents influencien en les opcions i trajectòries que pot prendre la implementació. Per altre costat, de la mateixa manera la implementació ve determinada tant per aspectes materials i/o tecnològics com per aspectes socials. És a dir, la implementació es pot veure com un procés de canvi socio-tecnològic que evoluciona al llarg de la implementació del SIIO sectorial.L'objectiu d'aquesta tesis és investigar la naturalesa socio-tecnològica del procés de implementació d'un SIIO i identificar aspectes teòrics i pràctics que puguin explicar les dinàmiques que es produeixin al llarg de la implementació. En base a un estudi de cas intepretativista i en profunditat, el qual combina l'ús de grounded theory i actor-network theory, realitzo un anàlisi del procés d'implementació, i formalitzo una sèrie de contribucions teòriques i pràctiques. El primer gran tema d'estudi d'aquest treball ha estat l'estandardització que ha tingut lloc abans i durant la implementació del SIIO sectorial. El segon tema ha estat la integració dels sistemes de informació prèviament existents amb el SIIO sectorial.Les contribucions d'aquest treball tenen implicacions per la recerca. En primer lloc, aquest treball amplia el limitat, tot i que creixent, nombre de investigacions que s'han centrat en la naturalesa processual i socio-tecnològica dels SIIO. Igualment aquest treball complementa la literatura existent en SIIO, que ha proposat models de factors, ja que explica com i perquè alguns d'aquests factors són importants. En segon lloc, aquest treball contribueix a la recerca que ha fet estudis longitudinals en l'àrea de sistemes d'informació ja que proporciona una interpretació contextual i en profunditat sobre els processos d'adaptació i canvi que tenen lloc durant la implementació d'un SIIO. Finalment, aquesta tesis contribueix a la literatura sobre estandardització de SIIO mitjançant l'establiment de lligams entre els estudis que proposen models de procés i els que es centren en l'anàlisi dels grups d'interès que participen en l'estandardització.Per altre costat, aquesta tesis té legitimitat pragmàtica ja que pot servir d'ajuda per millorar la pràctica. En primer lloc, aquest treball confirma el dinamisme dels interessos dels actors que participen en els processos d'estandardització, i posa de relleu que aquests actors tenen un ampli ventall d'interessos que varia en funció de la naturalesa dels propis actors i que condiciona la seva actitud al llarg del procés. És, per tant, molt important realitzar una constant identificació dels interessos dels actors. En segon lloc, aquesta tesis mostra que la gestió de SIIO ha de posar èmfasi i dedicar recursos no solament al disseny, a preveure escenaris futurs, i a desenvolupar estratègies i accions per fer front a aquestes previsions. La gestió també ha de prestar atenció i comprendre els esdeveniments no previstos i els canvis emergents que succeeixen durant l'ús del SIIO. Finalment, la implementació de SIIO requereix que els directius donin resposta per tal de reforçar o atenuar aquests canvis emergents. És a dir, la gestió de SIIO no es pot concebre únicament com una intervenció que es pot predefinir i planificar, sinó també com una forma de reacció i resposta al context i el comportament dels altres. Aquesta tesis també suggereix una sèrie de maniobres que poden ésser d'ajut als directius i professionals involucrats en projectes d'implementació de SIIO.Esta tesis presenta un estudio interpretativista sobre los procesos de estandarización e integración relacionados con la implementación de un sistema de información inter-organizativo (SIIO) sectorial en el Puerto de Barcelona. Este trabajo adopta una perspectiva de conjunto sobre los SIIO. Por un lado, desde esta perspectiva un SIIO está en constante movimiento durante su implementación y posterior uso. Por lo tanto, la implementación del SIIO viene condicionada por configuraciones previas, ya que los sistemas existentes influyen en las opciones y trayectorias que puede tomar la implementación. Por otro lado, igualmente la implementación viene determinada tanto por aspectos materiales y/o tecnológicos como por aspectos sociales. Es decir, la implementación puede verse como un proceso de cambio socio-tecnológico que evoluciona a lo largo de la implementación de SIIO sectorial.El objetivo de esta tesis es investigar la naturaleza socio-tecnológica del proceso de implementación de un SIIO e identificar aspectos teóricos y prácticos que puedan explicar las dinámicas que se producen durante la implementación. En base a un estudio de caso en profundidad e interpretativista, el cual combina el uso de grounded theory y actor-network theory, realizo un análisis del proceso de implementación, y formalizo una serie de contribuciones teóricas y prácticas. El primer gran tema de estudio de este trabajo ha sido la estandarización que ha tenido lugar antes y durante la implementación del SIIO sectorial. El segundo tema ha sido la integración de los sistemas de información que ya existían previamente con el SIIO sectorial.Las contribuciones de este trabajo tienen implicaciones para la investigación. En primer lugar, este trabajo amplia el limitado, aunque creciente, número de investigaciones que se han centrado en la naturaleza procesual i socio-tecnológica de los SIIO. Igualmente este trabajo complementa la literatura previa en SIIO, la cual ha propuesto modelos de factores, ya que explica cómo y por qué algunos de estos factores son relevantes. En segundo lugar, este trabajo contribuye a la investigación que ha realizado estudios longitudinales en el área de los sistemas de información ya que proporciona una interpretación contextual y en profundidad sobre los procesos de adaptación y cambio que tienen lugar durante la implementación de un SIIO. Finalmente, esta tesis contribuye a la literatura sobre estandarización ya que establece vínculos entre los estudios que han propuesto modelos de proceso y los que se centran en el análisis de los grupos de interés que participan en la estandarización.Por otro lado, esta tesis tiene legitimidad pragmática ya que puede servir de ayuda para mejorar la práctica. En primer lugar, este trabajo confirma el dinamismo de los intereses de los actores que participan en procesos de estandarización, y pone de relieve que los diferentes actores tienen una amplia gama de intereses que varía en función de la naturaleza de los propios actores y que condiciona su actitud a lo largo del proceso. Es, por lo tanto, muy importante realizar una constante identificación de los intereses de los actores durante la implementación. En segundo lugar, esta tesis muestra que los directivos encargados de la implementación de SIIO han de poner énfasis y dedicar recursos no sólo a diseñar, prever escenarios de futuro, y desarrollar estrategias y acciones para cumplir con estas previsiones. La gestión también ha de prestar atención y comprender los acontecimientos no previstos y los cambios emergentes que se sucedan durante el uso del SIIO. Finalmente, la implementación de SIIO requiere que los directivos den respuesta con el fin de reforzar o atenuar estos cambios emergentes. Es decir, la gestión de SIIO no se puede concebir únicamente como una intervención que puede ser predefinida y planificada, sino también como una forma de reacción y respuesta al contexto y al comportamiento de otros. Esta tesis también sugiere una serie de maniobras que pueden ser de ayuda para los directivos y profesionales involucrados en proyectos de implementación de SIIO.This dissertation presents an interpretive study of standardization and integration processes related to the implementation of an industry inter-organizational information system (IOIS) in the Seaport of Barcelona. This thesis adopts an ensemble view of the IOIS. First, from this perspective an IOIS is in constant flux as it is implemented and used in practice. Thus implementation becomes path dependent in the sense that existing systems influence the implementation choices and paths. Second, the implementation is being partly materially determined and partly socially constructed. That is, implementation may be viewed as socio-technical change processes that evolved around the implementation of the industry IOIS.The objective of this thesis is to inquire into the socio-technical nature of IOIS implementation process and identify theoretical and practical issues that can provide a relevant explanation of the implementation dynamics. Based on an in-depth interpretive case study, which is combined with actor-network theory and grounded theory, I conduct an analysis of the implementation process and formalize a set of theoretical and practical implications. The first main theme of this work has been the standardization effort that has taken place before and during the implementation of the industry IOIS. The second main theme is related with the integration of the adopters' pre-existing systems with the industry IOIS.The contributions that arise from this research have implications for research. Firstly, it adds to the limited but growing group of researchers that have focused on the processual and socio-technical nature of IOISs, as well as adds to the factor-based IOIS literature by detailing how and why some of these factors become important. Secondly, it contributes to longitudinal IS research by providing a deeper contextual understanding of the processes of adaptation and change that underlie IOIS implementation. Finally, it contributes to IOIS standardization literature by establishing links between the process and stakeholder models. On the other hand, this thesis has pragmatic legitimacy as it may serve as a helpful guide from which to improve practice. Firstly, this work confirms the dynamism of the stakes during the standardization process and highlights that the stakeholders that participate in the standardization have a range of stakes that vary among their nature and drive their attitude towards the process. Thus a continuous identification of participants' stakes appears to be very important. Secondly, this thesis shows that IOIS management has to place emphasis and devote resources not only to design, predict future conditions, and develop strategies and actions to meet those predictions, but also to pay attention and understand the unexpected events and emergent changes that arise during the use of the IOIS. Finally, IOIS implementation requires management to respond in order to reinforce or attenuate the emergent changes. That is, the IOIS management cannot only be conceived as predefined planned intervention, but also as a form of reaction and response to situational demands and others' behavior. In addition, this thesis provides a set of maneuvers that may guide managers and practitioners involved in the implementation of IOISs

Epidemic processes in complex networks

In recent years the research community has accumulated overwhelming evidence for the emergence of complex and heterogeneous connectivity patterns in a wide range of biological and sociotechnical systems. The complex properties of real-world networks have a profound impact on the behavior of equilibrium and nonequilibrium phenomena occurring in various systems, and the study of epidemic spreading is central to our understanding of the unfolding of dynamical processes in complex networks. The theoretical analysis of epidemic spreading in heterogeneous networks requires the development of novel analytical frameworks, and it has produced results of conceptual and practical relevance. A coherent and comprehensive review of the vast research activity concerning epidemic processes is presented, detailing the successful theoretical approaches as well as making their limits and assumptions clear. Physicists, mathematicians, epidemiologists, computer, and social scientists share a common interest in studying epidemic spreading and rely on similar models for the description of the diffusion of pathogens, knowledge, and innovation. For this reason, while focusing on the main results and the paradigmatic models in infectious disease modeling, the major results concerning generalized social contagion processes are also presented. Finally, the research activity at the forefront in the study of epidemic spreading in coevolving, coupled, and time-varying networks is reported.Comment: 62 pages, 15 figures, final versio