Design of static intercell interference coordination schemes for realistic lte-based cellular networks

Today, 3.5 and 4G systems including Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) support packet-based services and provide mobile broadband access for bandwidth-hungry applications. In this context of fast evolution, new and challenging technical issues must be e ectively addressed. The nal target is to achieve a signi cant step forward toward the improvement of the Quality of Experience (QoE). To that end, interference management has been recognized by the industry as a key enabler for cellular technologies based on OFDMA. Indeed, with a low frequency reuse factor, intercell interference (ICI) becomes a major concern since the Quality of Service (QoS) is not uniformly delivered across the network, it remarkably depends on user position. Hence, cell edge performance is an important issue in LTE and LTE-A. Intercell Interference Coordination (ICIC) encompasses strategies whose goal is to keep ICI at cell edges as low as possible. This alleviates the aforementioned situation. For this reason, the novelties presented in this Ph.D. thesis include not only developments of static ICIC mechanisms for data and control channels, but also e orts towards further improvements of the energy e ciency perspective. Based on a comprehensive review of the state of the art, a set of research opportunities were identi ed. To be precise, the need for exible performance evaluation methods and optimization frameworks for static ICIC strategies. These mechanisms are grouped in two families: the schemes that de ne constraints on the frequency domain and the ones that propose adjustments on the power levels. Thus, Soft- and Fractional Frequency Reuse (SFR and FFR, respectively) are identi ed as the base of the vast majority of static ICIC proposals. Consequently, during the rst part of this Ph.D. thesis, interesting insights into the operation of SFR and FFR were identi ed beyond well-known facts. These studies allow for the development of a novel statistical framework to evaluate the performance of these schemes in realistic deployments. As a result of the analysis, the poor performance of classic con gurations of SFR and FFR in real-world contexts is shown, and hence, the need for optimization is established. In addition, the importance of the interworking between static ICIC schemes and other network functionalities such as CSI feedback has also been identi ed. Therefore, novel CSI feedback schemes, suitable to operate in conjunction with SFR and FFR, have been developed. These mechanisms exploit the resource allocation pattern of these static ICIC techniques in order to improve the accuracy of the CSI feedback process. The second part is focused on the optimization of SFR and FFR. The use of multiobjective techniques is investigated as a tool to achieve e ective network-speci c optimization. The approach o ers interesting advantages. On the one hand, it allows for simultaneous optimization of several con icting criteria. On the other hand, the multiobjective nature results in outputs composed of several high quality (Pareto e cient) network con gurations, all of them featuring a near-optimal tradeo between the performance criteria. Multiobjective evolutionary algorithms allow employing complex mathematical structures without the need for relaxation, thus capturing accurately the system behavior in terms of ICI. The multiobjective optimization formulation of the problem aims at achieving e ective adjustment of the operational parameters of SFR and FFR both at cell level and network-wide. Moreover, the research was successfully extended to the control channels, both the PDCCH and ePDCCH. Finally, in an e ort to further improve the network energy e ciency (an aspect always considered throughout the thesis), the framework of Cell Switch O (CSO), having close connections with ICIC, is also introduced. By means of the proposed method, signi cant improvements with respect to traditional approaches, baseline con gurations, and previous proposals can be achieved. The gains are obtained in terms of energy consumption, network capacity, and cell edge performance.Actualmente los sistemas 3.5 y 4G tales como Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A) soportan servicios basados en paquetes y proporcionan acceso de banda ancha m ovil para aplicaciones que requieren elevadas tasas de transmisi on. En este contexto de r apida evoluci on, aparecen nuevos retos t ecnicos que deben ser resueltos e cientemente. El objetivo ultimo es conseguir un salto cualitativo importante en la experiencia de usuario (QoE). Con tal n, un factor clave que ha sido reconocido en las redes celulares basadas en Orthogonal Frequency- Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti on de interferencias. De hecho, la utilizaci on de un factor de reuso bajo permite una elevada e ciencia espectral pero a costa de una distribuci on de la calidad de servicio (QoS) que no es uniforme en la red, depende de la posici on del usuario. Por lo tanto, el rendimiento en los l mites de la celda se ve muy penalizado y es un problema importante a resolver en LTE y LTE-A. La coordinaci on de interferencias entre celdas (ICIC, del ingl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba las estrategias cuyo objetivo es mantener la interferencia intercelular (ICI) lo m as baja posible en los bordes de celda. Esto permite aliviar la situaci on antes mencionada. La contribuci on presentada en esta tesis doctoral incluye el dise~no de nuevos mecanismos de ICIC est atica para los canales de datos y control, as como tambi en mejoras desde el punto de vista de e ciencia energ etica. A partir de una revisi on completa del estado del arte, se identi caron una serie de retos abiertos que requer an esfuerzos de investigaci on. En concreto, la necesidad de m etodos de evaluaci on exibles y marcos de optimizaci on de las estrategias de ICIC est aticas. Estos mecanismos se agrupan en dos familias: los esquemas que de nen restricciones sobre el dominio de la frecuencia y los que proponen ajustes en los niveles de potencia. Es decir, la base de la gran mayor a de propuestas ICIC est aticas son la reutilizaci on de frecuencias de tipo soft y fraccional (SFR y FFR, respectivamente). De este modo, durante la primera parte de esta tesis doctoral, se han estudiado los aspectos m as importantes del funcionamiento de SFR y FFR, haciendo especial enfasis en las conclusiones que van m as all a de las bien conocidas. Ello ha permitido introducir un nuevo marco estad stico para evaluar el funcionamiento de estos sistemas en condiciones de despliegue reales. Como resultado de estos an alisis, se muestra el pobre desempe~no de SFR y FFR en despliegues reales cuando funcionan con sus con guraciones cl asicas y se establece la necesidad de optimizaci on. Tambi en se pone de mani esto la importancia del funcionamiento conjunto entre esquemas ICIC est aticos y otras funcionalidades de la red radio, tales como la informaci on que env an los usuarios sobre el estado de su canal downlink (feedback del CSI, del ingl es Channel State Information). De este modo, se han propuesto diferentes esquemas de feedback apropiados para trabajar conjuntamente con SFR y FFR. Estos mecanismos explotan el patr on de asignaci on de recursos que se utiliza en ICIC est atico para mejorar la precisi on del proceso. La segunda parte se centra en la optimizaci on de SFR y FFR. Se ha investigado el uso de t ecnicas multiobjetivo como herramienta para lograr una optimizaci on e caz, que es espec ca para cada red. El enfoque ofrece ventajas interesantes, por un lado, se permite la optimizaci on simult anea de varios criterios contradictorios. Por otro lado, la naturaleza multiobjetivo implica obtener como resultado con guraciones de red de elevada calidad (Pareto e cientes), todas ellas con un equilibrio casi- optimo entre las diferentes m etricas de rendimiento. Los algoritmos evolucionarios multiobjetivo permiten la utilizaci on de estructuras matem aticas complejas sin necesidad de relajar el problema, de este modo capturan adecuadamente su comportamiento en t erminos de ICI. La formulaci on multiobjetivo consigue un ajuste efectivo de los par ametros operacionales de SFR y FFR, tanto a nivel de celda como a nivel de red. Adem as, la investigaci on se extiende con resultados satisfactorios a los canales de control, PDCCH y ePDCCH. Finalmente, en un esfuerzo por mejorar la e ciencia energ etica de la red (un aspecto siempre considerado a lo largo de la tesis), se introduce en el an alisis global el apagado inteligente de celdas, estrategia con estrechos v nculos con ICIC. A trav es del m etodo propuesto, se obtienen mejoras signi cativas con respecto a los enfoques tradicionales y propuestas previas. Las ganancias se obtienen en t erminos de consumo energ etico, capacidad de la red, y rendimiento en el l mite de las celdas.Actualment els sistemes 3.5 i 4G tals com Long Term Evolution (LTE) i LTE- Advanced (LTE-A) suporten serveis basats en paquets i proporcionen acc es de banda ampla m obil per a aplicacions que requereixen elevades taxes de transmissi o. En aquest context de r apida evoluci o, apareixen nous reptes t ecnics que han de ser resolts e cientment. L'objectiu ultim es aconseguir un salt qualitatiu important en l'experi encia d'usuari (QoE). Amb tal , un factor clau que ha estat reconegut a les xarxes cel lulars basades en Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti o d'interfer encies. De fet, la utilizaci o d'un factor de re us baix permet una elevada e ci encia espectral per o a costa d'una distribuci o de la qualitat de servei (QoS) que no es uniforme a la xarxa, dep en de la posici o de l'usuari. Per tant, el rendiment en els l mits de la cel la es veu molt penalitzat i es un problema important a resoldre en LTE i LTE-A. La coordinaci o d'interfer encies entre cel les (ICIC, de l'angl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba les estrat egies que tenen com a objectiu mantenir la interfer encia intercel lular (ICI) el m es baixa possible en les vores de la cel la. Aix o permet alleujar la situaci o abans esmentada. La contribuci o presentada en aquesta tesi doctoral inclou el disseny de nous mecanismes de ICIC est atica per als canals de dades i control, aix com tamb e millores des del punt de vista d'e ci encia energ etica. A partir d'una revisi o completa de l'estat de l'art, es van identi car una s erie de reptes oberts que requerien esfor cos de recerca. En concret, la necessitat de m etodes d'avaluaci o exibles i marcs d'optimitzaci o de les estrat egies de ICIC est atiques. Aquests mecanismes s'agrupen en dues fam lies: els esquemes que de neixen restriccions sobre el domini de la freq u encia i els que proposen ajustos en els nivells de pot encia. Es a dir, la base de la gran majoria de propostes ICIC est atiques s on la reutilitzaci o de freq u encies de tipus soft i fraccional (SFR i FFR, respectivament). D'aquesta manera, durant la primera part d'aquesta tesi doctoral, s'han estudiat els aspectes m es importants del funcionament de SFR i FFR, fent especial emfasi en les conclusions que van m es enll a de les ben conegudes. Aix o ha perm es introduir un nou marc estad stic per avaluar el funcionament d'aquests sistemes en condicions de desplegament reals. Com a resultat d'aquestes an alisis, es mostra el pobre acompliment de SFR i FFR en desplegaments reals quan funcionen amb les seves con guracions cl assiques i s'estableix la necessitat d'optimitzaci o. Tamb e es posa de manifest la import ancia del funcionament conjunt entre esquemes ICIC est atics i altres funcionalitats de la xarxa radio, tals com la informaci o que envien els usuaris sobre l'estat del seu canal downlink (feedback del CSI, de l'angl es Channel State Information). D'aquesta manera, s'han proposat diferents esquemes de feedback apropiats per treballar conjuntament amb SFR i FFR. Aquests mecanismes exploten el patr o d'assignaci o de recursos que s'utilitza en ICIC est atic per millorar la precisi o del proc es. La segona part se centra en l'optimitzaci o de SFR i FFR. S'ha investigat l' us de t ecniques multiobjectiu com a eina per aconseguir una optimitzaci o e ca c, que es espec ca per a cada xarxa. L'enfocament ofereix avantatges interessants, d'una banda, es permet l'optimitzaci o simult ania de diversos criteris contradictoris. D'altra banda, la naturalesa multiobjectiu implica obtenir com resultat con guracions de xarxa d'elevada qualitat (Pareto e cients), totes elles amb un equilibri gaireb e optim entre les diferents m etriques de rendiment. Els algorismes evolucionaris multiobjectiu permeten la utilitzaci o d'estructures matem atiques complexes sense necessitat de relaxar el problema, d'aquesta manera capturen adequadament el seu comportament en termes de ICI. La formulaci o multiobjectiu aconsegueix un ajust efectiu dels par ametres operacionals de SFR i FFR, tant a nivell de cel la com a nivell de xarxa. A m es, la recerca s'est en amb resultats satisfactoris als canals de control, PDCCH i ePDCCH. Finalment, en un esfor c per millorar l'e ci encia energ etica de la xarxa (un aspecte sempre considerat al llarg de la tesi), s'introdueix en l'an alisi global l'apagat intel ligent de cel les, estrat egia amb estrets vincles amb ICIC. Mitjan cant el m etode proposat, s'obtenen millores signi catives pel que fa als enfocaments tradicionals i propostes pr evies. Els guanys s'obtenen en termes de consum energ etic, capacitat de la xarxa, i rendiment en el l mit de les cel les

Facing-up Challenges of Multiobjective Clustering Based on Evolutionary Algorithms: Representations, Scalability and Retrieval Solutions

Aquesta tesi es centra en algorismes de clustering multiobjectiu, que estan basats en optimitzar varis objectius simultàniament obtenint una col•lecció de solucions potencials amb diferents compromisos entre objectius. El propòsit d'aquesta tesi consisteix en dissenyar i implementar un nou algorisme de clustering multiobjectiu basat en algorismes evolutius per afrontar tres reptes actuals relacionats amb aquest tipus de tècniques. El primer repte es centra en definir adequadament l'àrea de possibles solucions que s'explora per obtenir la millor solució i que depèn de la representació del coneixement. El segon repte consisteix en escalar el sistema dividint el conjunt de dades original en varis subconjunts per treballar amb menys dades en el procés de clustering. El tercer repte es basa en recuperar la solució més adequada tenint en compte la qualitat i la forma dels clusters a partir de la regió més interessant de la col•lecció de solucions ofertes per l’algorisme.Esta tesis se centra en los algoritmos de clustering multiobjetivo, que están basados en optimizar varios objetivos simultáneamente obteniendo una colección de soluciones potenciales con diferentes compromisos entre objetivos. El propósito de esta tesis consiste en diseñar e implementar un nuevo algoritmo de clustering multiobjetivo basado en algoritmos evolutivos para afrontar tres retos actuales relacionados con este tipo de técnicas. El primer reto se centra en definir adecuadamente el área de posibles soluciones explorada para obtener la mejor solución y que depende de la representación del conocimiento. El segundo reto consiste en escalar el sistema dividiendo el conjunto de datos original en varios subconjuntos para trabajar con menos datos en el proceso de clustering El tercer reto se basa en recuperar la solución más adecuada según la calidad y la forma de los clusters a partir de la región más interesante de la colección de soluciones ofrecidas por el algoritmo.This thesis is focused on multiobjective clustering algorithms, which are based on optimizing several objectives simultaneously obtaining a collection of potential solutions with different trade¬offs among objectives. The goal of the thesis is to design and implement a new multiobjective clustering technique based on evolutionary algorithms for facing up three current challenges related to these techniques. The first challenge is focused on successfully defining the area of possible solutions that is explored in order to find the best solution, and this depends on the knowledge representation. The second challenge tries to scale-up the system splitting the original data set into several data subsets in order to work with less data in the clustering process. The third challenge is addressed to the retrieval of the most suitable solution according to the quality and shape of the clusters from the most interesting region of the collection of solutions returned by the algorithm

The segmentation issue: general stopping criteria and specific design considerations for practical application of evolutionary algorithms

Segmentation is a tool presented for representation and approximation of data, according to a set of appropriate models. These procedures have applications to many different domains, such as time series analysis, polygonal approximation, Air Traffic Control,... Different heuristic and metaheuristic proposals have been introduced to deal with this issue. This thesis provides a novel multiobjective evolutionary method, analyzing the required general tools for the application evolutionary algorithms to real problems and the specific modifications required over the different steps of general proposals to adapt them to the segmentation domain. An introduction to the domain is presented by means of the design of a specific heuristic for segmentation of Air Traffic Control (ATC) data. This domain has a series of characteristics which make it difficult to be faced with traditional techniques: noisy data and a large number of measurements. The proposal works on two phases, using a pre-segmentation which introduces available domain information and applying a standard technique over this initial technique's results. Its results according to the presented domain, tested with a set of eight different representative trajectories, show competitive advantages compared to general approaches, which oversegmentate noisy data and, in some cases, exhibit poor scalability. This heuristic proposal shows the costly process of adapting available approaches and designing specific ones, along with the multi-objective nature of the problem, which requires the use of quality indicators for a proper comparison process. Applying evolutionary algorithms to segmentation provides several advantages, highlighting the fact that the problem dependance of heuristics make it costly to adapt these heuristics to new domains, as introduced by the designed heuristic to ATC. However, the practical application of these algorithms requires the study of a topic which has received little research effort from the community: stopping criteria. An evolutionary approach should contain a dynamic procedure which can determine when stagnation has taken place and stop the algorithm accordingly (as opposed to a-priori cost budgets, either in function evaluations or generations, which are usually applied for test datasets). Stopping criteria have been faced for single and multi-objective cases in this thesis. Single-objective stopping criteria have been approached proposing an active role of the stopping criteria, actively increasing the diversity in the variable space while tracking the updates in the fitness function. Thus, the algorithm reuses the information obtained for the stopping decision and feeds it to a stopping prevention mechanism in order to prevent problematic situations such as early convergence. The presented algorithm has been tested according to a set of 27 different functions, with different characteristics regarding their dimensionality, search space, local minima... The results show that the introduced mechanisms enhance the robustness of the results, due to the improved exploration and the early convergence prevention. Multi-objective stopping criteria are faced with the use of progress indicators (comparison measures of the quality of the evolution results at different generations) and an associated data gathering tool. The final proposal uses three different progress indicators, (hypervolume, epsilon and Mutual Dominance Rate) and considers them jointly according to a decision fusion architecture. The stagnation analysis is based on the least squares regression parameters of the indicators values, including a normality analysis as well. The online nature of these algorithms is highlighted, preventing the recomputation of the indicators values which were present in other available alternatives, and also focusing on the simplicity of the final proposal, in order to reduce the cost of introducing it into available algorithms. The proposal has been tested with instances of the DTLZ algorithm family, obtaining satisfactory stops with a standard set of configuration values for the technique. However, there is a lack of quantitative measures to determine the objective quality of a stop and to properly compare its value to other alternatives. The multi-objective nature of the segmentation problem is analyzed to propose a multiobjective evolutionary algorithm (MOEA) to deal with it. This nature is analyzed according to a selection of available approaches, highlighting the difficulties which had to be faced in the parameter configuration in order to guide the processes to the desired solution values. A multi-objective a-posteriori approach such as the one presented allows the decision maker to choose from the front of possible final solutions the one which suits him best, simplifying this process. The presented approach chooses SPEA2 as its underlying MOEA, analyzing different representation and initialization proposals. The results have been validated against a representative set of heuristic and metaheuristic techniques, using three widely extended curves from the polygonal approximation domain (chromosome, leaf and semicircle), obtaining statistically better results for almost all the different test cases. This initial MOEA approach had unresolved issues, such as the archiving technique complexity order, and also lacked the proper specific design considerations to adapt it to the application domain. These issues have been faced according to different improvements. First of all, an alternative representation is proposed, including partial fitness information and associated fitness-aware transformation operators (transformation operators which compute children fitness values according to their changes and the parents partial values). A novel archiving procedure is introduced according to the bi-objective nature of the domain, being one of them discrete. This leads to a relaxed Pareto dominance check, named epsilon glitches. Multi-objective local search versions of the traditional algorithms are proposed and tested for the initialization of the algorithm, along with the stopping criterion proposal which has also been adapted to the problem characteristics. The archive size in this case is big enough to contain all the different individuals in the optimal front, such that quality assessment is simplified and a simpler mechanism can be introduced to detect stagnation, according to the improvements in each of the possible individuals. The final evolutionary proposal is scalable, requires few configuration parameters and introduces an efficient dynamic stopping criterion. Its results have been tested against the original technique and the set of heuristic and metaheuristic techniques previously used, including the three original curves and also more complex versions of them (obtained with an introduced generation mechanism according to these original shapes). Even though the stopping results are very satisfactory, the obtained results are slightly worse than the original MOEA for the three simpler problem instances with the established configuration parameters (as was expected, due to the computational effort of the a-priori established number of generations and population size, based on the analysis of the algorithm's results). However, the comparison versus the alternative techniques stills shows the same statistically better results, and its reduced computational cost allows its application to a wider set of problems.La segmentación es una técnica creada para la representación y la aproximación de conjuntos de datos a través de un conjunto de modelos apropiados. Estos procedimientos tienen aplicaciones para múltiples dominios distintos, como el análisis de series temporales, la aproximación poligonal o el Control de Tráfico Aéreo. Se han hecho múltiples propuestas tanto de carácter heurístico como metaheurístico para lidiar con este problema. Esta tesis proporciona un nuevo método evolutivo multiobjetivo, analizando las herramientas generales necesarias para la aplicación de algoritmos evolutivos a problemas reales y las modificaciones específicas necesarias sobre los distintos pasos de las propuestas genéricas para adaptarlos al dominio de la segmentación. Se presenta una introducción al dominio mediante el diseño de una heurística específica para la segmentación de datos procedentes del Control de Tráfico Aéreo (CTA). Este dominio tiene una serie de características que dificultan la aplicación de técnicas tradicionales: datos con ruido y un gran número de muestras. La propuesta realizada funciona de acuerdo a dos fases, utilizando una presegmentación que introduce información del dominio disponible para posteriormente aplicar una técnica estándar sobre los resultados de esta técnica inicial. Sus resultados para el dominio presentado, probado con un conjunto de ocho trayectorias representativas distintas, presentan ventajas competitivas frente a los enfoques generales, que sobresegmentan los datos con ruido y, en algunos casos, presentan una mala escalabilidad. Esta propuesta heurística muestra el costoso proceso que implica adaptar los enfoques existentes o el diseño de otros nuevos, junto a la naturaleza multiobjectivo del problema, que precisa del uso de indicadores de calidad para realizar un proceso de comparación apropiado. La aplicación de algoritmos evolutivos a la segmentación tiene múltiples ventajas, destacando el hecho de la dependencia existente entre las heurísticas y el problema específico para el que han sido diseñadas, lo que hace que su adaptación a nuevos dominios sea costosa, como se ha introducido a través de la propuesta heurística para CTA. A pesar de ello, la aplicación práctica de estos algoritmos requiere el estudio de una faceta que ha recibido poca atención por parte de la comunidad desde el punto de vista de la investigación: los criterios de parada. Un enfoque evolutivo debería tener una técnica dinámica que pueda detectar cuando se ha producido el estancamiento del proceso, y parar el algoritmo de acuerdo a ello (de manera opuesta a los criterios a-priori que establecen un coste predeterminado, expresado como número de evaluaciones o de generaciones, y que son habitualmente aplicados para los conjuntos de datos de prueba). Los criterios de parada se han afrontado tanto desde el caso de un único objetivo como desde el caso multiobjectivo en esta tesis. Los criterios de parada para un único objetivo se han abordado proponiendo un rol activo para el criterio, aumentando la diversidad en el espacio de variables de una manera activa, mientras se monitorizan los cambios en la función objetivo. De esta manera, el algoritmo reutiliza la información obtenida para la decisión de parada y la inserta en un mecanismo de prevención de la parada con la finalidad de prevenir situaciones problemáticas como la convergencia temprana. El algoritmo presentado se ha probado sobre un conjunto de 27 funciones distintas, con diferentes características respecto a su dimensionalidad, espacio de búsqueda, mínimos locales... Los resultados muestran que los mecanismos introducidos mejoran la robustez de los resultados, haciendo uso de la exploración mejorada y la prevención de la convergencia temprana. Los criterios de parada multiobjetivo se han planteado con el uso de indicadores de avance (medidas comparativas de la calidad de los resultados de la evolución en diferentes generaciones) y una herramienta de recolección de datos asociada. La propuesta final utiliza tres indicadores de avance distintos (hypervolumen, epsilon y ratio de dominancia mutua) y los considera de una manera conjunta de acuerdo a una arquitectura de fusión de decisiones. El análisis del estancamiento se basa en los parámetros de una regresión de mínimos cuadrados sobre los valores de los indicadores, incluyendo asimismo un análisis de normalidad. Se recalca la naturaleza online de estos algoritmos, evitando el recálculo de los valores de los indicadores que estaba presente en otras alternativas disponibles, y también focalizándose en la simplicidad de la propuesta final, de manera que se facilite el proceso de introducir el criterio en los algoritmos existentes. La propuesta ha sido probada con instancias de la familia de algoritmos DTLZ, obteniendo resultados de parada satisfactorios con un conjunto de valores de configuración estándar para la técnica. Sin embargo, existe una falta de medidas cuantitativas para determinar la calidad objetiva de una parada, así como para comparar de manera apropiada su valor frente al de otras alternativas. La naturaleza multiobjetivo del problema de segmentación se ha analizado para proponer un algoritmo evolutivo multiobjetivo (AEMO) para resolverlo. Esta naturaleza ha sido analizada de acuerdo a una selección de los enfoques disponibles, destacando las dificultades que se tienen que afrontar en la configuración de los parámetros de cara a guiar el proceso hacia los valores de solución deseados. Un enfoque multiobjetivo a-posteriori como el que se ha presentado permite al responsable elegir del frente de posibles soluciones finales aquella que encaja mejor, simplificando este proceso. El enfoque presentado ha elegido SPEA2 como algoritmo de base, analizando diferentes propuestas de inicialización y representación. Los resultados se han validado frente a un conjunto significativo de técnicas heurísticas y metaheurísticas, utilizando tres curvas ampliamente extendidas en el dominio de la segmentación poligonal (cromosoma, hoja y semicírculo), obteniendo resultados estadísticamente mejores para la casi totatilidad de los casos de prueba. Esta propuesta inicial de AEMO presentaba una serie de problemas sin resolver, como el orden de complejidad de la técnica de almacenaje, y además carecía de las consideraciones específicas de diseño para su adaptación al dominio de aplicación. Estos problemas se han afrontado de acuerdo a diferentes mejoras. Por un lado, se ha propuesto una representación alternativa, incluyendo información parcial de la función objetivo y operadores de transformación informados (operadores de transformación que calculan los valores de la función objetivo de los hijos de acuerdo a los cambios realizados y los valores parciales de los padres). Una nueva técnica de almacenaje se ha introducido de acuerdo a la naturaleza biobjetivo del dominio, siendo uno de ellos además discreto. Esta naturaleza ha llevado a la aplicación de una forma relajada de dominancia de Pareto, que hemos denominado pulsos épsilon. Versiones multiobjetivo de los algoritmos tradicionales de búsqueda local han sido propuestas y probadas para la inicialización del algoritmo, junto con la propuesta de criterio de parada, que también ha sido adaptada a las características del problema. En este caso, el tamaño del almacén es suficientemente grande como para almacenar todos los individuos del frente óptimo, de manera que las técnicas de análisis de calidad de los frentes se simplifican, y un mecanismo más sencillo puede ser introducido para detectar el estancamiento, de acuerdo a las mejoras en cada uno de los individuos posibles. La propuesta evolutiva final es escalable, requiere pocos parámetros de configuración e introduce un criterio de parada dinámico y eficiente. Sus resultados se han probado frente a la técnica original y el conjunto de técnicas heurísticas y metaheurísticas previamente utilizadas, incluyendo las tres curvas originales y versiones más complejas de las mismas (obtenidas con un mecanismo de generación incluido de acuerdo a estas tres formas originales). A pesar de que los resultados de parada son muy satisfactorios, los resultados obtenidos son ligeramente peores que el AEMO original para las tres instancias del problema más simples, utilizando el conjunto de parámetros de configuración establecidos (como cabía esperar, dado el coste computacional del número de generaciones y tamaño de la población establecidos a priori, basados en el análisis de los resultados del algoritmo). En cualquier caso, la comparación frente a las técnicas alternativas todavía presenta los mismos resultados estadísticamente mejores, y las mejoras en el coste computacional permiten su aplicación a un mayor conjunto de problemas.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: Pedro Isasi Viñuela.- Secretario: Rafael Martínez Tomás.- Vocal: Javier Segovia Pére

Evolutionary Computation

This book presents several recent advances on Evolutionary Computation, specially evolution-based optimization methods and hybrid algorithms for several applications, from optimization and learning to pattern recognition and bioinformatics. This book also presents new algorithms based on several analogies and metafores, where one of them is based on philosophy, specifically on the philosophy of praxis and dialectics. In this book it is also presented interesting applications on bioinformatics, specially the use of particle swarms to discover gene expression patterns in DNA microarrays. Therefore, this book features representative work on the field of evolutionary computation and applied sciences. The intended audience is graduate, undergraduate, researchers, and anyone who wishes to become familiar with the latest research work on this field

Dynamic multi-objective optimization: a two archive strategy

Existing studies on dynamic multi-objective optimization mainly focus on dynamic problems with time-dependent objective functions. Few works have put efforts on dynamic problems with a changing number of objectives, or dynamic problems with time-dependent constraints. When problems have time-dependent objective functions, the shape or position of the Pareto-optimal front/set may change over time. However, when dealing with problems with a changing objective number or time-dependent constraints, the challenges are different. Changing number of objectives leads to the expansion or contraction of the dimensions of the Pareto-optimal front/set manifold, while time-dependent constraints may change the shape of feasible regions over time. The existing dynamic handling techniques can hardly handle the changing number of objectives. The state-of-arts in constraints handling techniques are incapable of tackling problems with time-dependent constraints. In this thesis, we present our attempts toward tackling 1) the dynamic multiobjective optimizing problems with a changing number of objectives and 2) multi-objective optimizing problems with time-dependent constraints. Two-archive Evolutionary Algorithms are proposed. Comprehensive experiments are conducted on various benchmark problems for both types of dynamics. Empirical results fully demonstrate the effectiveness of our proposed algorithms