Optimization Modeling and Machine Learning Techniques Towards Smarter Systems and Processes

The continued penetration of technology in our daily lives has led to the emergence of the concept of Internet-of-Things (IoT) systems and networks. An increasing number of enterprises and businesses are adopting IoT-based initiatives expecting that it will result in higher return on investment (ROI) [1]. However, adopting such technologies poses many challenges. One challenge is improving the performance and efficiency of such systems by properly allocating the available and scarce resources [2, 3]. A second challenge is making use of the massive amount of data generated to help make smarter and more informed decisions [4]. A third challenge is protecting such devices and systems given the surge in security breaches and attacks in recent times [5]. To that end, this thesis proposes the use of various optimization modeling and machine learning techniques in three different systems; namely wireless communication systems, learning management systems (LMSs), and computer network systems. In par- ticular, the first part of the thesis posits optimization modeling techniques to improve the aggregate throughput and power efficiency of a wireless communication network. On the other hand, the second part of the thesis proposes the use of unsupervised machine learning clustering techniques to be integrated into LMSs to identify unengaged students based on their engagement with material in an e-learning environment. Lastly, the third part of the thesis suggests the use of exploratory data analytics, unsupervised machine learning clustering, and supervised machine learning classification techniques to identify malicious/suspicious domain names in a computer network setting. The main contributions of this thesis can be divided into three broad parts. The first is developing optimal and heuristic scheduling algorithms that improve the performance of wireless systems in terms of throughput and power by combining wireless resource virtualization with device-to-device and machine-to-machine communications. The second is using unsupervised machine learning clustering and association algorithms to determine an appropriate engagement level model for blended e-learning environments and study the relationship between engagement and academic performance in such environments. The third is developing a supervised ensemble learning classifier to detect malicious/suspicious domain names that achieves high accuracy and precision

Delivering IoT Services in Smart Cities and Environmental Monitoring through Collective Awareness, Mobile Crowdsensing and Open Data

The Internet of Things (IoT) is the paradigm that allows us to interact with the real world by means of networking-enabled devices and convert physical phenomena into valuable digital knowledge. Such a rapidly evolving field leveraged the explosion of a number of technologies, standards and platforms. Consequently, different IoT ecosystems behave as closed islands and do not interoperate with each other, thus the potential of the number of connected objects in the world is far from being totally unleashed. Typically, research efforts in tackling such challenge tend to propose a new IoT platforms or standards, however, such solutions find obstacles in keeping up the pace at which the field is evolving. Our work is different, in that it originates from the following observation: in use cases that depend on common phenomena such as Smart Cities or environmental monitoring a lot of useful data for applications is already in place somewhere or devices capable of collecting such data are already deployed. For such scenarios, we propose and study the use of Collective Awareness Paradigms (CAP), which offload data collection to a crowd of participants. We bring three main contributions: we study the feasibility of using Open Data coming from heterogeneous sources, focusing particularly on crowdsourced and user-contributed data that has the drawback of being incomplete and we then propose a State-of-the-Art algorith that automatically classifies raw crowdsourced sensor data; we design a data collection framework that uses Mobile Crowdsensing (MCS) and puts the participants and the stakeholders in a coordinated interaction together with a distributed data collection algorithm that prevents the users from collecting too much or too less data; (3) we design a Service Oriented Architecture that constitutes a unique interface to the raw data collected through CAPs through their aggregation into ad-hoc services, moreover, we provide a prototype implementation

TV White Spaces: A Pragmatic Approach

190 pages The editors and publisher have taken due care in preparation of this book, but make no expressed or implied warranty of any kind and assume no responsibility for errors or omissions. No liability is assumed for incidental or consequential damages in connection with or arising out of the use of the information contained herein. Links to websites imply neither responsibility for, nor approval of, the information contained in those other web sites on the part of ICTP. No intellectual property rights are transferred to ICTP via this book, and the authors/readers will be free to use the given material for educational purposes.  e ICTP will not transfer rights to other organizations, nor will it be used for any commercial purposes. ICTP is not to endorse or sponsor any particular commercial product, service or activity mentioned in this book. This book is released under the Attribution-NonCommercial-NoDerivatives ¦.þ International license. For more details regarding your rights to use and redistribute this work, see http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Heterogeneous Networks for the IoT and Machine Type Communications

The Internet of Things promises to be a key-factor in the forthcoming industrial and social revolution. The Internet of Things concept rely on pervasive communications where ’things’ are ’always connected’. The focus of the thesis is on Heterogeneous Networks for Internet of Things and Machine Type Communications. Heterogeneous Networks are an enabling factor of paramount important in order to achieve the ’always connected’ paradigm. On the other hand, Machine Type Communications are deeply different from Human-to-Human communications both in terms of traffic patterns and requirements. This thesis investigate both concepts. In particular, here are studied short and long range solutions for Machine-to-machine applications. For this work a dual approach has been followed: for the short-range solutions analysis an experimental approach has been privileged; meanwhile for the long-range solutions analysis a theoretical and simulation approach has been preferred. In both case, a particular attention has been given to the feasibility of the solutions proposed, hence solutions based on products that already exist in the market have been privileged

Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación

Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación