From Quantity to Quality: Massive Molecular Dynamics Simulation of Nanostructures under Plastic Deformation in Desktop and Service Grid Distributed Computing Infrastructure

The distributed computing infrastructure (DCI) on the basis of BOINC and EDGeS-bridge technologies for high-performance distributed computing is used for porting the sequential molecular dynamics (MD) application to its parallel version for DCI with Desktop Grids (DGs) and Service Grids (SGs). The actual metrics of the working DG-SG DCI were measured, and the normal distribution of host performances, and signs of log-normal distributions of other characteristics (CPUs, RAM, and HDD per host) were found. The practical feasibility and high efficiency of the MD simulations on the basis of DG-SG DCI were demonstrated during the experiment with the massive MD simulations for the large quantity of aluminum nanocrystals ($\sim10^2$-$10^3$). Statistical analysis (Kolmogorov-Smirnov test, moment analysis, and bootstrapping analysis) of the defect density distribution over the ensemble of nanocrystals had shown that change of plastic deformation mode is followed by the qualitative change of defect density distribution type over ensemble of nanocrystals. Some limitations (fluctuating performance, unpredictable availability of resources, etc.) of the typical DG-SG DCI were outlined, and some advantages (high efficiency, high speedup, and low cost) were demonstrated. Deploying on DG DCI allows to get new scientific $\it{quality}$ from the simulated $\it{quantity}$ of numerous configurations by harnessing sufficient computational power to undertake MD simulations in a wider range of physical parameters (configurations) in a much shorter timeframe.Comment: 13 pages, 11 pages (http://journals.agh.edu.pl/csci/article/view/106

IMP Science Gateway: from the Portal to the Hub of Virtual Experimental Labs in Materials Science

"Science gateway" (SG) ideology means a user-friendly intuitive interface between scientists (or scientific communities) and different software components + various distributed computing infrastructures (DCIs) (like grids, clouds, clusters), where researchers can focus on their scientific goals and less on peculiarities of software/DCI. "IMP Science Gateway Portal" (http://scigate.imp.kiev.ua) for complex workflow management and integration of distributed computing resources (like clusters, service grids, desktop grids, clouds) is presented. It is created on the basis of WS-PGRADE and gUSE technologies, where WS-PGRADE is designed for science workflow operation and gUSE - for smooth integration of available resources for parallel and distributed computing in various heterogeneous distributed computing infrastructures (DCI). The typical scientific workflows with possible scenarios of its preparation and usage are presented. Several typical use cases for these science applications (scientific workflows) are considered for molecular dynamics (MD) simulations of complex behavior of various nanostructures (nanoindentation of graphene layers, defect system relaxation in metal nanocrystals, thermal stability of boron nitride nanotubes, etc.). The user experience is analyzed in the context of its practical applications for MD simulations in materials science, physics and nanotechnologies with available heterogeneous DCIs. In conclusion, the "science gateway" approach - workflow manager (like WS-PGRADE) + DCI resources manager (like gUSE)- gives opportunity to use the SG portal (like "IMP Science Gateway Portal") in a very promising way, namely, as a hub of various virtual experimental labs (different software components + various requirements to resources) in the context of its practical MD applications in materials science, physics, chemistry, biology, and nanotechnologies.Comment: 6 pages, 5 figures, 3 tables; 6th International Workshop on Science Gateways, IWSG-2014 (Dublin, Ireland, 3-5 June, 2014). arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1404.545

Change of Scaling and Appearance of Scale-Free Size Distribution in Aggregation Kinetics by Additive Rules

The idealized general model of aggregate growth is considered on the basis of the simple additive rules that correspond to one-step aggregation process. The two idealized cases were analytically investigated and simulated by Monte Carlo method in the Desktop Grid distributed computing environment to analyze "pile-up" and "wall" cluster distributions in different aggregation scenarios. Several aspects of aggregation kinetics (change of scaling, change of size distribution type, and appearance of scale-free size distribution) driven by "zero cluster size" boundary condition were determined by analysis of evolving cumulative distribution functions. The "pile-up" case with a \textit{minimum} active surface (singularity) could imitate piling up aggregations of dislocations, and the case with a \textit{maximum} active surface could imitate arrangements of dislocations in walls. The change of scaling law (for pile-ups and walls) and availability of scale-free distributions (for walls) were analytically shown and confirmed by scaling, fitting, moment, and bootstrapping analyses of simulated probability density and cumulative distribution functions. The initial "singular" \textit{symmetric} distribution of pile-ups evolves by the "infinite" diffusive scaling law and later it is replaced by the other "semi-infinite" diffusive scaling law with \textit{asymmetric} distribution of pile-ups. In contrast, the initial "singular" \textit{symmetric} distributions of walls initially evolve by the diffusive scaling law and later it is replaced by the other ballistic (linear) scaling law with \textit{scale-free} exponential distributions without distinctive peaks. The conclusion was made as to possible applications of such approach for scaling, fitting, moment, and bootstrapping analyses of distributions in simulated and experimental data.Comment: 37 pages, 16 figures, 1 table; accepted preprint version after comments of reviewers, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications (2014

Метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку

A method of integrated estimation of channel state in multiantenna radio communication systems was developed. The distinguishing feature of the proposed method is estimation for several indicators, namely the bit error probability in the channel, frequency and pulse response of the channel state. After obtaining of the channel estimate for each indicator, a generalized channel state estimate is formed. Formation of the channel state estimate for each of the estimation indicators takes place in a separate layer of the neural network using the apparatus of fuzzy sets after which a generalized estimate is formed at the neural network output. Development of the proposed method was determined by necessity to raise speed of estimation of the channel state in multiantenna radio communication systems at an acceptable computational complexity. According to the results of the study, it has been established that the proposed method makes it possible to increase speed of estimation of channel state in multiantenna systems on average up to 30 % depending on the channel state while accuracy of the channel state estimation decreases by 5‒7 % because of reduced informativeness of estimation (because of using the apparatus of fuzzy sets) and is able to adapt to the signaling situation in the channel by training the neural network. Neural network training takes place on the basis of a training sequence and completes adaptation to the channel state after 10‒12 iterations of training. It is advisable to apply this method in radio stations with a programmable architecture to improve their interference immunity by reducing time for making decision on the channel state.Разработан метод комплексной оценки состояния канала многоантенных систем радиосвязи. Отличительная особенность предлагаемого метода заключается в оценке состояния канала многоантенных систем радиосвязи по нескольким показателям, а именно: вероятность битовой ошибки канала, частотная характеристика состояния канала и импульсная характеристика состояния канала. После получения оценки канала по каждому показателю происходит формирование обобщенной оценки состояния канала. Формирование оценки состояния канала по каждому из показателей оценки происходит на отдельном слое нейронной сети с использованием аппарата нечетких множеств, после чего на выходе нейронной сети формируется обобщенная оценка. Разработка предложенного метода обусловлена необходимостью повышения скорости оценивания состояния канала многоантенных систем радиосвязи с приемлемой вычислительной сложностью. По результатам исследования установлено, что предложенный метод позволяет повысить скорость оценки состояния канала системы многоантенных систем в среднем до 30 % в зависимости от состояния канала, при этом отмечается ухудшение точности оценки состояния канала на уровне 5–7 % за счет уменьшения информативности оценивания (это обусловлено использованием аппарата нечетких множеств) и способен адаптироваться к сигнальной обстановки в канале за счет обучения нейронной сети. Обучение нейронной сети происходит на основе учебной (тренировочной) последовательности и на 10–12 итерации обучения полностью завершает адаптацию к состоянию канала. Указанный метод целесообразно использовать в радиостанциях с программируемой архитектурой для повышения их помехозащищенности за счет уменьшения времени на принятие решения о состоянии каналаРозроблено метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку. Відмінна особливість запропонованого методу полягає в оцінці стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку за декількома показниками, а саме: ймовірність бітової помилки каналу, частотна характеристика стану каналу та імпульсна характеристика стану каналу. Після отримання оцінки каналу по кожному показнику відбувається формування узагальненої оцінки стану каналу. Формування оцінки стану каналу по кожному з показників оцінки відбувається на окремому шарі нейронної мережі з використанням апарату нечітких множин, після чого на виході нейронної мережі формується узагальнена оцінка. Розробка запропонованого методу обумовлена необхідністю підвищення швидкості оцінювання стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку з прийнятною обчислювальною складністю.За результатами дослідження встановлено, що запропонований метод дозволяє підвищити швидкість оцінювання стану каналу багатоантенних систем в середньому до 30 % в залежності від стану каналу, при цьому відмічається погіршення точності оцінки стану каналу на рівні 5-7% за рахунок зменшення інформативності оцінювання (це обумовлене використанням апарату нечітких множин) та здатний адаптуватися до сигнальної обстановки в каналі за рахунок навчання нейронної мережі. Навчання нейронної мережі відбувається на основі навчальної (тренувальної) послідовності та на 10–12 ітерації навчання повністю завершує адаптацію до стану каналу. Зазначений метод доцільно використовувати в радіостанціях з програмованою архітектурою для підвищення їх завадозахищеності за рахунок зменшення часу на прийняття рішення щодо стану канал

Метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку

A method of integrated estimation of channel state in multiantenna radio communication systems was developed. The distinguishing feature of the proposed method is estimation for several indicators, namely the bit error probability in the channel, frequency and pulse response of the channel state. After obtaining of the channel estimate for each indicator, a generalized channel state estimate is formed. Formation of the channel state estimate for each of the estimation indicators takes place in a separate layer of the neural network using the apparatus of fuzzy sets after which a generalized estimate is formed at the neural network output. Development of the proposed method was determined by necessity to raise speed of estimation of the channel state in multiantenna radio communication systems at an acceptable computational complexity. According to the results of the study, it has been established that the proposed method makes it possible to increase speed of estimation of channel state in multiantenna systems on average up to 30 % depending on the channel state while accuracy of the channel state estimation decreases by 5‒7 % because of reduced informativeness of estimation (because of using the apparatus of fuzzy sets) and is able to adapt to the signaling situation in the channel by training the neural network. Neural network training takes place on the basis of a training sequence and completes adaptation to the channel state after 10‒12 iterations of training. It is advisable to apply this method in radio stations with a programmable architecture to improve their interference immunity by reducing time for making decision on the channel state.Разработан метод комплексной оценки состояния канала многоантенных систем радиосвязи. Отличительная особенность предлагаемого метода заключается в оценке состояния канала многоантенных систем радиосвязи по нескольким показателям, а именно: вероятность битовой ошибки канала, частотная характеристика состояния канала и импульсная характеристика состояния канала. После получения оценки канала по каждому показателю происходит формирование обобщенной оценки состояния канала. Формирование оценки состояния канала по каждому из показателей оценки происходит на отдельном слое нейронной сети с использованием аппарата нечетких множеств, после чего на выходе нейронной сети формируется обобщенная оценка. Разработка предложенного метода обусловлена необходимостью повышения скорости оценивания состояния канала многоантенных систем радиосвязи с приемлемой вычислительной сложностью. По результатам исследования установлено, что предложенный метод позволяет повысить скорость оценки состояния канала системы многоантенных систем в среднем до 30 % в зависимости от состояния канала, при этом отмечается ухудшение точности оценки состояния канала на уровне 5–7 % за счет уменьшения информативности оценивания (это обусловлено использованием аппарата нечетких множеств) и способен адаптироваться к сигнальной обстановки в канале за счет обучения нейронной сети. Обучение нейронной сети происходит на основе учебной (тренировочной) последовательности и на 10–12 итерации обучения полностью завершает адаптацию к состоянию канала. Указанный метод целесообразно использовать в радиостанциях с программируемой архитектурой для повышения их помехозащищенности за счет уменьшения времени на принятие решения о состоянии каналаРозроблено метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку. Відмінна особливість запропонованого методу полягає в оцінці стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку за декількома показниками, а саме: ймовірність бітової помилки каналу, частотна характеристика стану каналу та імпульсна характеристика стану каналу. Після отримання оцінки каналу по кожному показнику відбувається формування узагальненої оцінки стану каналу. Формування оцінки стану каналу по кожному з показників оцінки відбувається на окремому шарі нейронної мережі з використанням апарату нечітких множин, після чого на виході нейронної мережі формується узагальнена оцінка. Розробка запропонованого методу обумовлена необхідністю підвищення швидкості оцінювання стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку з прийнятною обчислювальною складністю.За результатами дослідження встановлено, що запропонований метод дозволяє підвищити швидкість оцінювання стану каналу багатоантенних систем в середньому до 30 % в залежності від стану каналу, при цьому відмічається погіршення точності оцінки стану каналу на рівні 5-7% за рахунок зменшення інформативності оцінювання (це обумовлене використанням апарату нечітких множин) та здатний адаптуватися до сигнальної обстановки в каналі за рахунок навчання нейронної мережі. Навчання нейронної мережі відбувається на основі навчальної (тренувальної) послідовності та на 10–12 ітерації навчання повністю завершує адаптацію до стану каналу. Зазначений метод доцільно використовувати в радіостанціях з програмованою архітектурою для підвищення їх завадозахищеності за рахунок зменшення часу на прийняття рішення щодо стану канал

Analysis of generators of analogs of sinusoidal signals

У роботі проаналізовані сучасні аналогові генераторів синусоїдних сигналів.В работе проанализированы современные аналоговые генераторы синусоидальных сигналов.The modern generators of analogs of sinusoidal signals are analysed in work