Socio-aware content allocation in complex networks via efficient monitoring of information dissemination

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάλυση και το σχεδιασμό τεχνικών ανάθεσης περιεχομένου σε σύνθετα δίκτυα, μέσω της αποδοτικής παρακολούθησης και του συμπερασμού της λειτουργίας των συστατικών τους μερών. Παρά το γεγονός ότι οι εξεταζόμενοι τύποι δικτύων παρουσιάζουν ετερογενή χαρακτηριστικά, οι προτεινόμενες μέθοδοι αναπτύσσονται σε ένα κοινό πλαίσιο που υπαγορεύει την ελαχιστοποίηση των χρησιμοποιούμενων πόρων για την παρακολούθηση, την πρόβλεψη ή το συμπερασμό των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των οντοτήτων που τα συνιστούν. Με έναυσμα την ανάπτυξη μεθοδολογιών για την επίλυση προβλημάτων κάλυψης σε δίκτυα του φυσικού χώρου, όπως αυτά των Ασύρματων Αισθητήρων (ΑΔΑ), η έννοια της κάλυψης επανεξετάζεται μέσω της Ανάλυσης Κοινωνικών Δικτύων και επεκτείνεται σε άλλους τύπους δικτύων όπως τα δίκτυα του κυβερνοχώρου καθώς και τα κυβερνο - φυσικά δίκτυα (ΚΦΔ). Προβλήματα ιχνηλάτησης και συμπερασμού της διάδοσης πληροφορίας, μεγιστοποίησης επιρροής, ανάθεσης περιεχομένου στους χρήστες ηλεκτρονικών και κινητών μέσων κοινωνικής δικτύωσης καθώς και προσωρινής αποθήκευσης αυτού στα άκρα του δικτύου αντιστοιχίζονται σε γνωστά NP-δύσκολα (NP-hard) προβλήματα κάλυψης και συσκευασίας, για την επίλυση των οποίων, διατυπώνονται, αναλύονται και αξιολογούνται μέσω προσομοιώσεων, ευρετικοί και προσεγγιστικοί αλγόριθμοι.H έννοια της κάλυψης συναντάται στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων ως σημαντική μετρική για την αξιολόγηση της απόδοσής τους στην παρακολούθηση/καταγραφή φυσικών ή περιβαλλοντικών συνθηκών σε μια περιοχή ενδιαφέροντος. Λειτουργικοί και ενεργειακοί περιορισμοί των αισθητήρων καθώς και γεωμετρικές ιδιαιτερότητες των περιοχών ενδιαφέροντος συνιστούν σημαντικές προκλήσεις στη βελτιστοποίηση της απόδοσης των ΑΔΑ. Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω περιορισμούς, διατυπώνεται ένα πλαίσιο για τη βέλτιστη κάλυψη μη κυρτών περιοχών από ΑΔΑ, τα οποία συγκροτούνται από αισθητήρες με μεταβαλλόμενες ακτίνες αίσθησης. Το προτεινόμενο πλαίσιο επιλύει ένα πρόβλημα ελέγχου τοπολογίας με στόχο τη ρύθμιση των ακτίνων αίσθησης των αισθητήρων για την ελαχιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης του δικτύου. Αξιοποιώντας μεθόδους της υπολογιστικής γεωμετρίας, δύο άπληστοι αλγόριθμοι, ένας συγκεντρωτικός και ένας κατανεμημένος, στοχεύουν στη μεγιστοποίηση του λόγου της καλυπτόμενης επιφάνειας προς το αντίστοιχο ενεργειακό κόστος, υπό τον περιορισμό της διατήρησης ενός ελάχιστου ποσοστού κάλυψης της περιοχής ενδιαφέροντος.Η ιχνηλάτηση σε δίκτυα του κυβερνοχώρου και συγκεκριμένα στα ηλεκτρονικά μέσα κοινωνικής δικτύωσης, αναφέρεται στη διαδικασία της παρακολούθησης-παρατήρησης των αλληλεπιδράσεων των χρηστών, όπως αυτές αποτυπώνονται μέσα από την ανταλλαγή πληροφορίας. Σε δίκτυα που απαρτίζονται από δισεκατομμύρια χρήστες με ποικίλα χαρακτηριστικά, κρίνεται απαραίτητη η ανάπτυξη μεθοδολογιών προσδιορισμού των πόρων για αποδοτική παρατήρηση των αλληλεπιδράσεων και συμπερασμού των μηχανισμών διάδοσης πληροφορίας. Στην παρούσα διατριβή, ο προσδιορισμός των πόρων αντιμετωπίζεται ως πρόβλημα εύρεσης ενός μεγιστικού ανεξάρτητου συνόλου κόμβων και ένας ευρετικός αλγόριθμος διατυπώνεται για την επίλυσή του. Η παρακολούθηση της πληροφοριακής διάδοσης πραγματοποιείται με ένα σχήμα χρωματισμού ακμών σε γράφους ενώ, για το συμπερασμό της δυναμικής της, αναπτύσσεται μια τεχνική στατιστικής μάθησης.Tεχνικές συμπερασμού ή πρόβλεψης της πληροφοριακής διάδοσης μπορούν να ενσωματωθούν στα συστήματα συστάσεων (ΣΣ) που λειτουργούν σε πλατφόρμες κοινωνικής δικτύωσης. Αυτά είναι γνωστά ως συστήματα συστάσεων με επίγνωση της διάχυσης πληροφορίας (ΣΣΕΔΠ). Η ανταλλαγή πληροφορίας μεταξύ των χρηστών αξιοποιείται από ένα ΣΣΕΔΠ ως επικουρικός μηχανισμός συστάσεων. Υπό αυτό το πρίσμα, η σύσταση περιεχομένου στους χρήστες μέσων κοινωνικής δικτύωσης διατυπώνεται ως πρόβλημα προσδιορισμού ενός συνόλου χρηστών για την ανάθεση περιεχομένου με τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται, μέσω της πληροφοριακής διάχυσης, η συνολική σχετικότητα χρήστη-περιεχομένου στο δίκτυο, εξασφαλίζοντας παράλληλα για κάθε χρήστη, έναν ελάχιστο αριθμό προτάσεων. Αυτό αντιστοιχίζεται σε ένα γνωστό NP-hard πρόβλημα κάλυψης σε γράφους για το οποίο αναπτύσσεται και αναλύεται θεωρητικά ένας προσεγγιστικός αλγόριθμος. Με βάση τις προτιμήσεις των χρηστών σε περιεχόμενο, όπως αυτές εξάγονται και διαμορφώνονται από τα συστήματα συστάσεων, εξετάζεται η ανάθεση περιεχομένου σε δίκτυα στο φυσικό χώρο. Συγκεκριμένα, μελετάται η προσωρινή αποθήκευση περιεχομένου στα άκρα του δικτύου, η παράδοσή του στους χρήστες κινητών μέσων κοινωνικής δικτύωσης ή πλατφορμών περιεχομένου ροής και ο διαμοιρασμός του μεταξύ των χρηστών μέσω της απευθείας επικοινωνίας των "έξυπνων" συσκευών τους. Για τον καθορισμό των σχέσεων των χρηστών εξετάζονται πέρα από τις προτιμήσεις τους, η θέση τους στο φυσικό χώρο και οι τεχνικοί περιορισμοί των συσκευών τους. Βάσει αυτών, διατυπώνονται κριτήρια επιλογής συσκευών για προσωρινή αποθήκευση περιεχομένου. Στη συνέχεια εξετάζεται η τοποθέτηση περιεχομένου στα άκρα του δικτύου ως πρόβλημα μεγιστοποίησης του λόγου ευστοχίας της προσωρινής αποθήκευσης. Αυτό εκφράζεται ως ένα γνωστό πρόβλημα συσκευασίας και επιλύεται με μια προσεγγιστική μέθοδο δυναμικού προγραμματισμού. Τέλος, η ανάθεση περιεχομένου μελετάται σε κυβερνο-φυσικά δίκτυα ως δισδιάστατο πρόβλημα κάλυψης, με την πρώτη διάσταση να αφορά σε δίκτυα που σχηματίζονται στο φυσικό χώρο και τη δεύτερη σε δίκτυα του κυβερνοχώρου. Αναγνωρίζοντας την επίδραση των συστάσεων στη διαμόρφωση των προτιμήσεων ενός χρήστη, η τοποθέτηση περιεχομένου στα άκρα του δικτύου αντιμετωπίζεται από κοινού με την πραγματοποίηση συστάσεων στους χρήστες κινητών μέσων κοινωνικής δικτύωσης. Στη φυσική διάσταση, ερευνάται η περίπτωση της περιστασιακής εκφόρτωσης δεδομένων σε συσκευές χρηστών. Στην περίπτωση αυτή, οι χρήστες είναι διατεθειμένοι να περιμένουν ένα εύλογο χρονικό διάστημα έως ότου συναντήσουν κάποια συσκευή που έχει αποθηκευμένο προτεινόμενο περιεχόμενο. Σκοπός είναι η μεγιστοποίηση της ποιότητας της εμπειρίας τους, η οποία εκφράζεται ως συνάρτηση της σχετικότητάς τους στο προτεινόμενο περιεχόμενο και του αναμενόμενου χρόνου παράδοσής του. Το πλαίσιο που αναπτύσσεται επιλύει διαδοχικά τα προβλήματα του ελάχιστου χρόνου παράδοσης περιεχομένου, της ανάθεσης περιεχομένου στις προσωρινές μνήμες και των συστάσεων στους χρήστες. Μέσω αυτού εξασφαλίζεται πως κάθε χρήστης θα λάβει, στον ελάχιστο δυνατό χρόνο, ένα συγκεκριμένο αριθμό συστάσεων με περιεχόμενο της προτίμησής του.