A machine learning approach to 5G infrastructure market optimization

It is now commonly agreed that future 5G Networks will build upon the network slicing concept. The ability to provide virtual, logically independent "slices" of the network will also have an impact on the models that will sustain the business ecosystem. Network slicing will open the door to new players: the infrastructure provider, which is the owner of the infrastructure, and the tenants, which may acquire a network slice from the infrastructure provider to deliver a specific service to their customers. In this new context, how to correctly handle resource allocation among tenants and how to maximize the monetization of the infrastructure become fundamental problems that need to be solved. In this paper, we address this issue by designing a network slice admission control algorithm that (i) autonomously learns the best acceptance policy while (ii) it ensures that the service guarantees provided to tenants are always satisfied. The contributions of this paper include: (i) an analytical model for the admissibility region of a network slicing-capable 5G Network, (ii) the analysis of the system (modeled as a Semi-Markov Decision Process) and the optimization of the infrastructure providers revenue, and (iii) the design of a machine learning algorithm that can be deployed in practical settings and achieves close to optimal performance.The work of University Carlos III of Madrid was supported by the H2020 5G-MoNArch project (Grant Agreement No. 761445) and the 5GCity project of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (TEC2016-76795-C6-3-R). The work of NEC Laboratories Europe was supported by the 5G-Transformer project (Grant Agreement No. 761536)

The Tolman-Eichenbaum Machine: Unifying Space and Relational Memory through Generalization in the Hippocampal Formation

The hippocampal-entorhinal system is important for spatial and relational memory tasks. We formally link these domains, provide a mechanistic understanding of the hippocampal role in generalization, and offer unifying principles underlying many entorhinal and hippocampal cell types. We propose medial entorhinal cells form a basis describing structural knowledge, and hippocampal cells link this basis with sensory representations. Adopting these principles, we introduce the Tolman-Eichenbaum machine (TEM). After learning, TEM entorhinal cells display diverse properties resembling apparently bespoke spatial responses, such as grid, band, border, and object-vector cells. TEM hippocampal cells include place and landmark cells that remap between environments. Crucially, TEM also aligns with empirically recorded representations in complex non-spatial tasks. TEM also generates predictions that hippocampal remapping is not random as previously believed; rather, structural knowledge is preserved across environments. We confirm this structural transfer over remapping in simultaneously recorded place and grid cells

A Decade of Neural Networks: Practical Applications and Prospects

The Jet Propulsion Laboratory Neural Network Workshop, sponsored by NASA and DOD, brings together sponsoring agencies, active researchers, and the user community to formulate a vision for the next decade of neural network research and application prospects. While the speed and computing power of microprocessors continue to grow at an ever-increasing pace, the demand to intelligently and adaptively deal with the complex, fuzzy, and often ill-defined world around us remains to a large extent unaddressed. Powerful, highly parallel computing paradigms such as neural networks promise to have a major impact in addressing these needs. Papers in the workshop proceedings highlight benefits of neural networks in real-world applications compared to conventional computing techniques. Topics include fault diagnosis, pattern recognition, and multiparameter optimization

An integrative, multiscale view on neural theories of consciousness.

How is conscious experience related to material brain processes? A variety of theories aiming to answer this age-old question have emerged from the recent surge in consciousness research, and some are now hotly debated. Although most researchers have so far focused on the development and validation of their preferred theory in relative isolation, this article, written by a group of scientists representing different theories, takes an alternative approach. Noting that various theories often try to explain different aspects or mechanistic levels of consciousness, we argue that the theories do not necessarily contradict each other. Instead, several of them may converge on fundamental neuronal mechanisms and be partly compatible and complementary, so that multiple theories can simultaneously contribute to our understanding. Here, we consider unifying, integration-oriented approaches that have so far been largely neglected, seeking to combine valuable elements from various theories

Modeling, Predicting and Capturing Human Mobility

Realistic models of human mobility are critical for modern day applications, specifically for recommendation systems, resource planning and process optimization domains. Given the rapid proliferation of mobile devices equipped with Internet connectivity and GPS functionality today, aggregating large sums of individual geolocation data is feasible. The thesis focuses on methodologies to facilitate data-driven mobility modeling by drawing parallels between the inherent nature of mobility trajectories, statistical physics and information theory. On the applied side, the thesis contributions lie in leveraging the formulated mobility models to construct prediction workflows by adopting a privacy-by-design perspective. This enables end users to derive utility from location-based services while preserving their location privacy. Finally, the thesis presents several approaches to generate large-scale synthetic mobility datasets by applying machine learning approaches to facilitate experimental reproducibility

Kognitive Interpretationen mehrdeutiger visueller Reize

Unser Gehirn muss zu jeder Zeit relevante Signale von irrelevanten Informationen trennen. Dazu müssen diese als spezifische Einheiten erkannt und klassifiziert werden. Mehrdeutigkeit ist ein wesentlicher Aspekt dieses Verarbeitungsprozesses und kann durch verrauschte Eingangssignale und durch den Aufbau unserer sensorischer Systeme entstehen. Beispielsweise können Reize mehrdeutig sein, wenn sie verrauscht oder unvollständig sind oder nur kurzzeitig wahrgenommen werden. Unter solchen Bedingungen werden Wahrnehmung und Klassifikation eines Reizes deutlich erschwert. Bereits vorhandene kognitive Repräsentationen werden somit möglicherweise nicht aktiviert. Folglich müssen Rückschlüsse über die Reize aufgrund von Kontext und Erfahrung gezogen werden. Ein und derselbe Reiz kann jedoch unterschiedlich repräsentiert und im sensorischen System kodiert werden. Da nur eine Repräsentation die Basis zukünftigen Handelns bilden kann, entsteht eine Art Konkurrenz innerhalb der Wahrnehmung. Derartige Wahrnehmungsphänomene, die mit der Mehrdeutigkeit von Reizen in Verbindung stehen, bilden den Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation. Wenn einem physikalisch konstanten Reiz mehrere Interpretationen zugeordnet werden, entsteht ein Wechsel zwischen diesen Einordnungen, den man wahrnimmt und Rivalität ("rivalry") nennt. In dieser Dissertation werden diverse neue Erkenntnisse zu diesem grundlegenden Phänomen der sensorischen Verarbeitung beschrieben. So wird gezeigt, dass Übergänge zwischen drei wahrgenommenen Interpretationen – ein vergleichsweise selten untersuchtes Phänomen, da Rivalität meist mit zweideutigen Reizen untersucht wird – vorhersehbaren Mustern folgen (Kapitel 2). Darüber hinaus zeigt sich, dass derartige Übergänge spezifische Eigenschaften aufweisen, welche die Geschwindigkeit und die Richtung ihrer räumlichen Ausbreitung im visuellen Feld bestimmen (Kapitel 3). Diese Eigenschaften der Mehrdeutigkeit werden weiterhin stark von Aufmerksamkeit und anderen, introspektiven Prozessen beeinflusst. Um die der Rivalität in der Wahrnehmung tatsächlich zugrundeliegenden Prozesse und die damit verbundenen Änderungen des Bewusstseins von derartigen subjektiven Prozessen abzugrenzen, müssen letztere kontrolliert oder sogar vollständig umgangen werden. Ein objektives Maß der Rivalität in der Wahrnehmung wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen und bietet eine wertvolle Alternative zu introspektivem Berichten über den Wahrnehmungszustand (Kapitel 4). Übergänge in der Wahrnehmung entstehen entlang einer bestimmten Merkmalsdimension des Reizes, wie beispielsweise der Orientierung des berühmten Neckerwürfels. Zudem kann auch eine Änderung in der Merkmalsdimension der Luminanz eine unterschiedliche Interpretation des Reizes hervorrufen. Es wird gezeigt, dass die Pupille kleiner wird, wenn eine Interpretation mit hoher Luminanz die Wahrnehmung übernimmt, und umgekehrt, dass die Pupille größer wird, wenn eine Interpretation mit niedriger Luminanz die Wahrnehmung übernimmt. Folglich kann die Pupille als ein zuverlässiges und objektives Maß für Änderungen in der Wahrnehmung verwendet werden. Durch die Verwendung solcher objektiven Maße konnten neue Eigenschaften der Übergänge in der Wahrnehmung aufgezeigt werden, welche die Theorie unterstützen, dass Introspektion die der Verarbeitung mehrdeutiger Situationen zugrundeliegenden Prozesse merklich beeinflussen kann. Als Nächstes wurden mehrdeutiger Reize im Zusammenhang mit der Wahrnehmung von Objekten eingesetzt (Kapitel 5). Am Beispiel der Kippfigur des "bewegten Diamanten" wird dabei die Bedeutung von mehrdeutigen Reizen veranschaulicht. Beim bewegten Diamanten werden zwei Interpretationen wahrgenommen, die sich entlang der Dimension der Objektkohärenz abwechseln. Das bedeutet, dass die Wahrnehmung zwischen einem einzelnen zusammenhängenden Objekt (Diamant) und mehreren unzusammenhängenden Komponenten kippt. Es wird gezeigt, dass die Interpretation des Reizes als ein einziges kohärentes Objekt, verglichen mit der Interpretation als mehrere Komponenten, zu einer Erhöhung der visuellen Empfindlichkeit innerhalb des Objektes führt. Diese Ergebnisse sind ein Beleg dafür, wie die Aktivierung einer Interpretation eines Reizes als Einzelobjekt (im Vergleich zur Komponentenwahrnehmung) dazu führt, dass die Aufmerksamkeit top-down zu den relevanten Bereichen des Gesichtsfeldes gelenkt wird. Es wird weiter untersucht, welche Eigenschaften des Reizes zu einer bottom-up Aktivierung der Interpretation solcher Objekte beitragen (Kapitel 6). Die Mehrdeutigkeit von Objekten kann erfolgreich aufgehoben werden, indem man einen starken Kontrast in Luminanz oder Farbe zwischen dem Objekt und dem Hintergrund erzeugt. Auch die Größe und die Form haben einen großen Einfluss auf die Detektion und Identifikation von Objekten. Des Weiteren sind die Eigenschaften eines Objektes nicht nur bestimmend für die Erfolgsquote bei der Objekterkennung, sondern ebenso bedeutend für die Speicherung der Repräsentation im Gedächtnis, beispielsweise von neu wahrgenommenen Objekten. Das Klassifizieren von Objekten durch die Versuchsperson wird ebenfalls durch Mehrdeutigkeit beeinflusst. So kann ein Objekt der Versuchsperson einerseits als neu erscheinen, obwohl es bereits bekannt war, weil es beispielsweise der Versuchsperson schon einmal gezeigt worden ist. Andererseits kann auch ein eigentlich unbekanntes Objekt der Versuchsperson dennoch vertraut vorkommen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass solche subjektiven Effekte einen Einfluss auf die Pupillengröße haben (Kapitel 7). Außerdem verkleinert sich die Pupille der Versuchspersonen beim Betrachten neuer Bilder stärker als bei bekannten. Ein ähnlicher Effekt wird gefunden, wenn das Bild vorher erfolgreich im Gedächtnis gespeichert wurde. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Pupille die Verfestigung von neuen Objekten im Gedächtnis widerspiegelt. Abschließend wird untersucht, ob sich kognitive Prozesse, wie Entscheidungsfindung – ein wichtiger Prozess, falls mehreren Optionen zur Verfügung stehen und Mehrdeutigkeit aufgehoben werden soll – auch in der Pupille widerspiegeln (Kapitel 8). Es wird zunächst bestätigt, dass die Pupillen sich erweitern, nachdem man eine Entscheidung getroffen hat. Neu wird gezeigt, dass diese Pupillenausdehnungen erfolgreich von anderen Personen erkannt und verwendet werden können, um ein interaktives Spiel gegen die erste Person (den "Gegner") zu gewinnen. Insgesamt wird in dieser Dissertation untersucht, wie mehrdeutige Reize die Wahrnehmung beeinflussen und wie Mehrdeutigkeit verwendet werden kann, um Prozesse des Gehirns zu studieren. Es hat sich gezeigt, dass Mehrdeutigkeit vorhersehbaren Mustern folgt, sie objektiv mit Reflexen gemessen werden kann, und Einblicke in neuronale Prozesse wie Aufmerksamkeit, Objektwahrnehmung und Entscheidungsmechanismen liefern kann. Diese Ergebnisse zeigen, dass Mehrdeutigkeit eine zentrale Eigenschaft sensorischer Systeme ist, und Lebewesen in die Lage versetzt, mit ihrer Umwelt flexibel zu interagieren. Mehrdeutigkeit macht das Verhalten vielfältiger, ermöglicht es dem Gehirn, mit der Welt auf verschiedenen Wegen zu interagieren, und ist die Basis der Dynamik von Wahrnehmung, Interpretation und Entscheidung.Brains can sense and distinguish signals from background noise in physical environments, and recognize and classify them as distinct entities. Ambiguity is an inherent part of this process. It is a cognitive property that is generated by the noisy character of the signals, and by the design of the sensory systems that process them. Stimuli can be ambiguous if they are noisy, incomplete, or only briefly sensed. Such conditions may make stimuli indistinguishable from others and thereby difficult to classify as single entities by our sensory systems. In these cases, stimuli fail to activate a representation that may have been previously stored in the system. Deduction, through context and experience, is consequently needed to reach a decision on what is exactly sensed. Deduction can, however, also be subject to ambiguity as stimuli and their properties may receive multiple representations in the sensory system. In such cases, these multiple representations compete for perceptual dominance, that is, for becoming the single entity taken by the system as a reference point for subsequent behavior. These types of ambiguity and several phenomena that relate to them are at the center of this dissertation. Perceptual rivalry, the phenomenal experience of alternating percepts over time, is an example of how the brain may give multiple interpretations to a stimulus that is physically constant. Rivalry is a very typical and general sensory process and this thesis demonstrates some newly discovered properties of its dynamics. It was found that alternations between three perceptual interpretations – a relatively rare condition as rivalry generally occurs between two percepts – follow predictable courses (Chapter 2). Furthermore, such alternations had several properties that determine their speed and direction of spatial spread (suppression waves) in the visual field (Chapter 3). These properties of ambiguity were further strongly affected by attention and other introspective processes. To demarcate the true underlying process of perceptual rivalry and the accompanied changes in awareness, these subjective processes need to be either circumvented or controlled for. An objective measure of perceptual rivalry was proposed that resolved this issue and provided a good alternative for introspective report of ambiguous states (Chapter 4). Changes in percepts occur along a specific feature domain such as depth orientation for the famous Necker cube. Alternatively, luminance may also be a rivalry feature and one percept may appear brighter as the other rivaling percept. It was demonstrated that the pupil gets smaller when a percept with high luminance becomes dominant, and vice versa, gets bigger when a percept with low luminance gets dominant during perceptual rivalry. As such, the pupil can serve as a reliable objective indicator of changes in visual awareness. By using such reflexes during rivalry, several new properties of alternations were discovered and it was again confirmed that introspection can confound the true processes involved in ambiguity. Next, the usefulness of ambiguous stimuli was explored in the context of objects as entities (Chapter 5). Some ambiguous stimuli can induce two percepts that alternate along the feature domain of object coherency, that is, whether a single coherent object or multiple incoherent objects are seen. In other words, an ambiguous stimulus can induce two cognitive interpretations of either seeing an entity or not. It was reported that being aware of a single coherent object results in the increase in visual sensitivity for the areas that constitute the object. These results are evidence of how the activation of a representation of a single and unique object can guide and allocate attentional resources to relevant areas in the visual field in a top-down way. It was further explored which features help to bottom-up access such object representations (Chapter 6). Ambiguity of objects can be successfully resolved by adding strong contrasts between the object and its background in luminance and color. The size and variability of the object's shape was also found to be an important factor for its successful detection and identification. Furthermore, the characteristics of objects do not only determine the rate of success in a recognition task, but are equally important for the storage of their representations in memory if, for instance, the object is novel to the observer. The subjective experience of a novel object is also subject to ambiguity and objects may appear novel to the observer although they are familiar (i.e., previously shown to the observer), or vice versa, they appear familiar to the observer although they are actually novel. It was here shown that such subjective effects are reflected in the pupil (Chapter 7). In addition, if novel images were presented to observers, their pupils constricted stronger as compared to if familiar images were presented. Similarly, if novel stimuli were shown to observers, pupillary constrictions were stronger if these stimuli were successfully stored in memory as compared to those later forgotten. As such, the pupil reflected the cognitive process of novelty encoding. Finally, it was tested whether other cognitive processes, such as decision-making – an important process when multiple options are available and ambiguity has to be resolved with a conscious decision – were also reflected in changes of pupil size (Chapter 8). It was confirmed that the pupil tends to dilate after an observer has made a decision. These dilations can successfully be detected between individuals and further used to gain the upper hand during an interactive game. In sum, this thesis has explored how ambiguous signals affect perception and how ambiguity inside perceptual systems can be used to study processes of the brain. It is found that ambiguity follows predictable courses, can be objectively assessed with reflexes, and can provide insights into other neuronal mechanisms such as attention, object representations, and decision-making. These findings demonstrate that ambiguity is a core property of the sensory systems that enable living beings to interact with their surroundings. Ambiguity adds variation to behavior, allows the brain to flexibly interact with the world, and lies at the bottom of the dynamics of sense, interpretations, and behavioral decisions