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Autonomic computing-based wireless sensor networks
(2013-11-27) Galzarano, Stefano; Fortino, Giancarlo; Liotta, Antonio; Greco, Sergio
Wireless Sensor Networks (WSNs) have grown in popularity in the last years by proving to be a bene cial technology for a wide range of application do- mains, including but not limited to health-care, environment and infrastruc- ture monitoring, smart home automation, industrial control, intelligent agri- culture, and emergency management. However, developing applications on such systems requires many e orts due to the lack of proper software abstractions and the di culties in man- aging resource-constrained embedded environments. Moreover, these appli- cations have to meet a combination of con icting requirements. Achieving accuracy, e ciency, correctness, fault-tolerance, adaptability and reliability on WSN is a major issue because these features have to be provided beyond the design/implementation phase, notably at execution time. This thesis explores the viability and convenience of Autonomic Comput- ing in the context of WSNs by providing a novel paradigm to support the development of autonomic WSN applications as well as speci c self-adaptive protocols at networking levels. In particular, this thesis provides three main contributions. The rst is the design and realization of a novel framework for the development of e cient distributed signal processing applications on heterogeneous WSNs, called SPINE2. It provides a programming abstraction based on the task-oriented paradigm for abstracting away low-level details and has a platform-independent architecture enabling code reusability and portability, application interoperability and platform heterogeneity. The sec- ond contribution is the development of SPINE-* which is an enhancement of SPINE2 by means of an autonomic plane, a way for separating out the provision of self-* techniques from the WSN application logic. Such a separa- tion of concerns leads to an ease of deployment and run-time management of new applications. We nd that this enhancement brings not only considerable functional improvements but also measurable performance bene ts. Third, since we advocate that the agent-oriented paradigm is a well-suited approach in the context of autonomic computing, we propose MAPS, an agent-based programming framework for WSNs. Speci cally designed for supporting Java- iii based sensor platforms, MAPS allows the development of general-purpose mobile multi-agent applications by adopting a multi-plane state machine for- malism for de ning agents' behavior. Finally, the fourth contribution regards the design, analysis, and simulations of a self-adaptive AODV routing protocol enhancement, CG-AODV, and a novel contention-based MAC protocol, QL- MAC. CG-AODV adopts a \node concentration-driven gossiping" approach for limiting the ooding of control packets, whereas QL-MAC, based on a Q-learning approach, aims to nd an e cient radio wake-up/sleep scheduling strategy to reduce energy consumption on the basis of the actual network load of the neighborhood. Simulation results show that CG-AODV outper- forms AODV, whereas QL-MAC provides better performance over standard MAC protocols.
Builging blocks for sige bicmos multicore chip for ka-band satcom on the move user terminals
(2013-12-04) Shamsafar, Alireza; Greco, Sergio; Amendola, G; Boccia, L.
This project presents building blocks for an innovative configuration of reconfigurable Ka-band Tx/Rx SatCom user terminal antenna operating in the 29.5– 30.8GHz and 19.7–21.0GHz bands. The proposed approach is based on a low-profile active phased-array implemented integrating a multilayer printed circuit with reconfigurable SiGe BiCMOS MMICs. The radiating part of the array is implemented employing dual band elements arranged in an interleaved configuration. Each radiating element is equipped with one complete Tx/Rx unit. Chips developed for this project are referred to as “intelligent pixels” as they integrate all the RF analogue, mixed-signal and digital control circuitry. Each multiple Tx and Rx cores which can independently operate amplitude and phase control, as it is required to implement 2-D beam steering arrays. Furthermore, power amplifiers, Power divider, vector modulator, switching network and low noise amplifiers are embedded into each transmit and receive core respectively to fulfill link budget requirements for Sat-Com applications. In the proposed configuration, each SiGe BiCMOS MMIC chip controls 2 Rx and 4 Tx antenna elements
Compact and wideband antennas for radar applications
(2014-11-28) Costanzo, Antonio; Costanzo, Sandra; Greco, Sergio
Il lavoro di ricerca ha inizialmente riguardato il raffinamento di una config- urazione di antenna a microstriscia da noi proposta, basata sull′utilizzo di un doppio sistema di fenditure nell′elemento radiante. La prima fenditura, a corona circolare, `e posta intorno al punto di alimentazione, la seconda, invece, `e assimilabile ad una U modificata. L′antenna presenta una buona banda di funzionamento, dimensioni ridotte rispetto al patch classico ed un buon com- portamento in termini di riduzione della componente cross-polare. Partendo dai modelli matematici esistenti per la configurazione con slot ad U semplice, si `e proposto un modello empirico per questa nuova tipologia di antenna, con il quale sono stati progettati, realizzati e testati due prototipi a banda larga, uno in banda P ed uno in banda C. La fenditura a corona circolare `e stata inoltre utilizzata come base di una versione semplificata dellantenna, di- mostrando una buona estensione di questa tecnica anche per antenne a doppia polarizzazione. Un primo prototipo a polarizzazione verticale, composto da una schiera 8x4 di elementi in banda L, `e stato realizzato ed integrato in un modulo radar atto a rilevare le frane (Landslides Early Warning Radar Module). Un secondo prototipo, operante a 450MHz e sostanzialmente iden- tico al primo, `e stato utilizzato per un radar a multifrequenza sviluppato dal Consorzio di Ricerca sui Sistemi di Telesensori Avanzati (CORISTA). Per lo stesso radar, inoltre, `e stato progettato un prototipo innovativo a doppia po- larizzazione, usando come base lo stesso schema, operante in questo caso ad una frequenza di 900 MHz. Sia le misure, sia i test in volo, hanno confermato le performance di tutte le antenne progettate. L′ultima parte della ricerca ha prodotto una tecnica di sintesi anche per le antenne per applicazioni radar basate sui risuonatori Fabry Perot. La tecnica proposta riguarda la sintesi di metasuperfici a due strati che mostrano un andamento piatto della fase del coefficiente di riflessione in una banda molto ampia. Questa struttura, di di- mensioni nettamente minori rispetto a tutte le altre presenti in letteratura, `e stata quindi utilizzata per progettare un′antenna Fabry Perot con una banda molto pi`u larga rispetto alla normale configurazione.
Cyber defense of enterprise information systems: advanced isues and techniques
(2014-11-28) Rullo, Antonino; Pugliese, Andrea; Saccà, Domenico; Greco, Sergio
Design and performance evaluation of algorithms for wireless self-organizing systems
(2014-11-28) Surace, Rosario; Greco, Sergio; Loscrì, Valeria; Aloi, Gianluca
The work done during the PhD course involves the study of the Self- Organization of wireless sensors, robots and UAV networks. In particular, this thesis investigates how each node composing the system can take advantage from the Self-Organization and from mobility, in a way to optimize some networks parameters as coverage and energy consumption. Self-Organization is a process in which pattern at the global level of a system emerges solely from numerous interactions among the lower-level components of a system. The rules specifying interactions among the systems components are executed using only local information, without reference to the global pattern [1]. Mobility, although still for some types of systems is not considered a primitive of the network: in recent years has been the subject of many studies just as useful feature to achieve certain objectives, not least the energy consumption in transmission. The network issues has been addressed using different approaches from the theoretical studies aimed at finding the maximum achievable performance benchmarks, through the introduction of appropriate optimization models, the proposal of distributed heuristics and more realistic communication protocols, and the use of biology-inspired mechanisms, such as genetic algorithms (GA) and neural networks (NN). The purpose of this type of approach is to move in the direction of networks that are able to self-organize by adapting to different environmental conditions and dynamic as well as hard scenarios (i.e. environment disasters). The rest of the thesis is organized as follows: in Chapter 1 background on Self-Organizing Systems is given. In Chapter 2 we investigate on the impact of the Propagation Environment on Controlled Mobility Algorithms; distributed heuristics to Film Sport Events with Flying Robots in Chapter 3 and Bio- Inspired approaches in Chapter 4. Finally, a new communications protocol for WSN called Decentralized Time-Synchronized Channel Swapping is analyzed in Chapter 5.
Dynamic argumentation in artificial intelligence
(Università della Calabria, 2020-04-20) Alfano, Gianvincenzo; Crupi, Felice; Greco, Sergio; Parisi, Francesco
L’argumentation è una tematica di grande rilievo che si è distinta nel vasto mondo dell’Intelligenza Artificiale. Un sistema di argomentazione, adottando un particolare framework, riesce a gestisce discussioni tra agenti software e prendere decisioni in maniera autonoma su temi per cui si sta argomentando. Stabilire il modo in cui le decisioni vengono prese corrisponde a stabilire una semantica di argomentazione. Tali semantiche, godono di un alto costo computazionale, e pertanto, a seguito dell’aggiunta di nuove argomentazioni, nasce il problema di dover ricalcolare le decisioni (chiamate estensioni) sull’intero framework aggiornato. Sebbene i limiti computazionali e gli algoritmi per la valutazione di framework di argomentazione sono stati largamente studiati in letteratura, queste ricerche si basano su framework di tipo statico, ovvero framework di argomentazione che non subiscono aggiornamenti, nonostante in pratica i sistemi di argomentazione modellino un processo altamente dinamico quale è l’argomentazione. Lo scopo di questa tesi è di produrre algoritmi incrementali efficienti che risolvano i problemi principali sia dell’argumentation astratta (i cui argomenti rappresentano entità astratte), sia nel framework di argomentazione strutturato Defeasible Logic Programming (DeLP), i cui argomenti hanno un’esplicita struttura poiché derivano da una knowledge-base (un programma DeLP) contenente fatti, regole certe (strict) e regole incerte (defeasible). Di fronte alle modifiche sul grafo sottostante (nel caso di argomentazione astratta) o sul programma DeLP (nel caso di argomentazione strutturata), estensioni precedentemente calcolate sono parzialmente riutilizzate al fine di evitarne il ricalcolo da zero. La tesi fornisce diversi contributi sia teorici che pratici. In particolare, dopo aver analizzato i concetti preliminari alla base dei principali frameworks di argomentazione astratta, nel Capitolo 3 viene proposto un approccio per il problema dell'enumerazione delle estensioni preferred e semi-stable di un framework di argomentazione astratto. Nel Capitolo 4 viene affrontato il problema del ricalcolo incrementale di un'estensione complete, preferred, grounded e stable per frameworks astratti. Fondamentalmente, dato un framework iniziale, una sua estensione ed un update, viene determinato l’insieme di argomenti influenzati dalla modifica, i quali costituiscono un sottoinsieme degli argomenti iniziali utili a determinare un framework ridotto su cui viene calcolata un'estensione. Combinando parte dell'estensione iniziale con quella calcolata sul framework ridotto, si ottiene un'estensione del framework aggiornato. Questo approccio viene esteso nel Capitolo 5 ai framework di argomentazione bipolari e con attacchi di secondo ordine, sfruttando una traduzione in framework astratti classici. Tale tecnica incrementale viene utilizzata nel Capitolo 6 per far fronte al calcolo incrementale dell’accettazione scettica di un argomento in accordo alla semantica preferred (ovvero stabilire se un argomento è contenuto in tutte le estensioni preferred), sfruttando la relazione tra le semantiche preferred e ideal. L’idea e le motivazioni alla base della tecnica incrementale proposta nel Capitolo 4 sono state sfruttate nel Capitolo 7 per affrontare il problema del ricalcolo incrementale dello stato dei letterali di un programma DeLP a seguito dell’aggiunta o rimozione di regole. Infatti, dopo aver mostrato che il problema risulta essere NP-hard, viene presentato un algoritmo incrementale basato su un ipergrafo che codifica le relazioni di dipendenza tra letterali sulla base delle regole che formano il programma DeLP, al fine di individuare la porzione del programma influenzata dalla modifica che necessita del ricalcolo. Tutti gli algoritmi proposti sono stati analizzati sperimentalmente, mostrando miglioramenti significativi rispetto al corrispondente calcolo da zero.
Efficient incremental algorithms for handling graph data
(2017-11-13) Quintana Lopez, Ximena Alexandra; Crupi, Felice; Greco, Sergio;
Interrogare in linguaggio naturale una base di conoscenza Datalog. Un approccio basato sull'annotazione semantica dei predicati
(2017-02-09) Lo Scudo, Fabrizio; Scarcello, Francesco; Greco, Sergio
Microwave Open Resonator for Complex Surface Characterization
(2013-11) Moreno Aviles, Hugo Oswaldo; Di Massa, Giuseppe; Costanzo, Sandra; Greco, Sergio
Mining and learning problems in complex graph data
(Università della Calabria, 2021-05-10) Mandaglio, Domenico; Crupi, Felice; Greco, Sergio; Tagarelli, Andrea
I grafi sono modelli matematici che rappresentano oggetti, chiamati nodi o vertici, coinvolti in relazioni a coppia, detti archi. Tali modelli vengono impiegati per descrivere sistemi interconnessi tra cui reti tecnologiche (es. il World Wide Web), reti sociali e biologiche. A partire dal modello originario dei grafi, diverse estensioni del modello sono state proposte in letteratura: grafi pesati, multidimensionali, temporali e probabilistici permettono di esprimere, rispettivamente, l’intensità associata a ogni arco, rappresentare diverse tipologie di relazioni tra vertici, includere informazioni su quando le interazioni tra nodi avvengono, e assegnare a ogni possibile peso sugli archi la probabilità di osservare quello specifico peso. Lo scopo di questa tesi è definire modelli e metodi per problemi di mining e learning di relazioni forti e nascoste tra nodi su grafi complessi. In particolare, il focus di questo progetto di ricerca è la scoperta di relazioni a coppia come associazioni di gruppo e relazioni di trust. Il primo obiettivo consiste nel partizionare l’insieme dei nodi di un grafo in gruppi (detti cluster o community) tali che i nodi appartenenti allo stesso gruppo siano collegati più fortemente tra di loro rispetto che con il resto della rete. Questo obiettivo è anche noto in letteratura come graph clustering o community detection. Le community (o cluster) sono gruppi di entità che probabilmente condividono delle proprietà e/o hanno un ruolo simile all’interno del sistema a cui appartengono. Le relazioni di trust vengono tipicamente modellate attraverso un grafo pesato, detto rete di trust, che si riferisce a un grafo di individui collegati da relazioni di coppia asimmetriche corrispondenti a espressioni soggettive di fiducia, dove il peso associato a ogni arco viene interpretato come il grado di fiducia che un utente ha nei confronti di un altro individuo. Ogni modello di rappresentazione a grafo, indipendentemente dalla sua natura, permette di descrivere in diversi modi l’intrinseca natura multiforme dei sistemi reali che deve essere tenuta in considerazione quando si intende identificare relazioni tra i nodi come quelle di gruppo o di trust. Questo implica la necessità di un processo di aggregazione di informazioni che permette di considerare simultaneamente i diversi aspetti del sistema rappresentato. Tuttavia, l’aggregazione dei diversi aspetti di un sistema pone alcune problematiche aggiuntive al task considerato poiché le diverse dimensioni dei dati potrebbero essere inconsistenti tra di loro o l’informazione relativa a un qualche aspetto potrebbe rappresentare rumore per il raggiungimento dell’obiettivo prefissato. L’abbondanza e diversità di dati rappresentabili attraverso grafi che può essere estratta da sistemi online (es. il Web) o offline (es. interazioni sociali) favorisce la necessità di nuovi modelli e metodi che siano capaci di tenere in considerazione efficacemente l’eterogeneità nella tipologia di informazioni nella scoperta di pattern nel comportamento di entità appartenenti a un sistema complesso. Più specificatamente, quattro sono i temi di ricerca che possono essere indentificati in questa tesi. Primo, è stato studiato il problema di consensus community detection su reti multidimensionali: dato un insieme di partizionamenti dei nodi di una rete, ciascuno calcolato considerando separatamente una dimensione del grafo multidimensionale, trovare un nuovo partizionamento dei nodi (detto consensus clustering) che sia rappresentativo e, allo stesso tempo, filtri l’eventuale rumore dei vari partizionamenti in input. Come seconda linea di ricerca, è stato trattato il problema di consensus community detection dinamico su grafi temporali che consiste nel calcolare, per ogni stato di evoluzione di una rete, un consensus clustering che sia rappresentativo degli stati precedentemente osservati sulla rete e, quindi, rispecchi la sequenza delle strutture a community nei vari istanti di tempo. Chiaramente, la natura temporale di questo secondo problema pone alcune sfide aggiuntive nella sua risoluzione poiché i vari partizionamenti sono disponibili e devono essere processati in modo incrementale; inoltre, vi è il requisito che bisogna opportunamente pesare le informazioni sugli stati nella rete in modo da dare maggior rilievo agli stati più recenti piuttosto che quelli più remoti. Inoltre, la dimensione temporale delle interazioni tra utenti di una rete sociale può aiutare a inferire una rete di trust. Quest’ultimo obiettivo corrisponde alla terza linea di ricerca di questa tesi che ha come obiettivo la risoluzione del seguente problema: data una sequenza di grafi pesati corrispondenti agli stati di una rete in diversi istanti di tempo, derivare un grafo pesato e orientato, i cui nodi corrispondono alle entità del grafo temporale e gli archi rappresentano le relazioni di trust con associato grado di fiducia. Come quarta linea di ricerca è stato studiato un nuovo problema di clustering su grafi probabilistici in cui le interazioni tra i nodi sono caratterizzate da distribuzioni di probabilità e condizionate da fattori esterni ai nodi ma caratteristici dell’ambiente in cui interagiscono. Questo contesto include ogni scenario in cui una serie di azioni possono alterare le interazioni tra entità tra cui, ad esempio, i sistemi di raccomandazione su piattaforme di social media e task di team formation. In particolare, è stato considerato il caso in cui i fattori condizionanti le interazioni possono essere modellati attraverso un clustering dei nodi del grafo e l’obiettivo è trovare il clustering che massimizza l’interazione totale nel grafo. Per ciascuna linea di ricerca sono stati proposti degli algoritmi che sono stati confrontati, su dati reali e/o generati artificialmente, con lo stato dell’arte dei rispettivi problemi al fine di valutarne sia l’efficacia che l’efficienza.
Mobile Computing: energy-aware tecniques and location-based methodologies
(2014-12-01) Falcone, Deborah; Talia, Domenico; Greco, Sergio
Mobile robots:localization and mapping alogorithms
(2013-11-27) D'Alfonso, Luigi; Greco, Sergio; Muraca, Pietro; Garone, Emanuele
In recent years, mobile robots start to be very often used in various applications involving home automation, planetary exploration, regions surveillance, rescue missions, ruins exploration. In all these elds, to accomplish its tasks, a mobile robot needs to navigate into an environment facing the localization, mapping and path planning problems. In this thesis a set of new algorithms to solve the mobile robots localization and mapping problems are proposed. The aim is to provide an accurate mobile robot estimated pose and to build a reliable map for the environment where the robot moves, ensuring algorithms computational costs low enough so that the algorithms can be used in real time, while the robot is moving. The localization problem is faced in static and dynamic contexts, assuming the environment surrounding the robot completely known, partially known or totally unknown. In the static context, localization algorithms based on the use of cameras and inertial measurement units are proposed. In the dynamic context, the mobile robots localization problem is solved by developing a set of new Kalman lter versions. About the mapping problem, two novel mapping models are de- ned. These models are used along with the proposed localization techniques to develop three algorithms able to solve the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem. All the proposed solutions are tested through numerical simulations and experimental tests in a real environment and using a real mobile robot. The results show the e ectiveness of the proposed algorithms, encouraging further researches.
Model predictive control strategies for unmanned vehicles
(2014-11-11) Lucia, Walter; Greco, Sergio; Franzè, Giuseppe; Muraca, Pietro
Model-based and simulation-driven methods for the reliability and safety analysis of systems
(2013-11-28) Tundis, Andrea; Greco, Sergio; Garro, Alfredo
In several industrial domains such as automotive, railway, avionics, satellite, health care and energy, a great variety of systems are currently designed and developed by organizing and integrating existing components (which in turn can be regarded as systems),that pool their resources and capabilities together to create a new system which is able to o er more functionalities and performances than those o ered by the simple sum of its components. Typically, the design and management of such systems, whose properties cannot be immediately de ned, derived and easily analyzed starting from the properties of their parts when they are considered in stand-alone, require to identify and face with some important research issues. In particular, the integration of system components is a challenging task whose criticality rises as the heterogeneity and complexity of the components increase. Thus, suitable engineering methods, tools and techniques need to be exploited to prevent and manage the risks arising from the integration of system components and, mainly, to avoid their occurrence in the advanced phases of the system development process which may result in a signi cant increase in the entire project costs. To overcome these issues the adoption of the Systems Engineering approach represents a viable solution as it provides a wide set of methods and practices which allow the de nition of the system architecture and behavior at di erent abstraction level in terms of its components and their interactions. Moreover, systems requirements are constantly traced during the di erent system development phases so to clearly specify how a system component concurs to the ful llment of the requirements. However, in the Systems Engineering eld, even though great attention has been devoted to functional requirements analysis and traceability, there is still a lack of methods which speci cally address these issues for non-functional requirements. As a consequence, the analysis concerning if and how non-functional requirements are met by the system under development is not typically executed contextually to the design of the system but still postponed to the last stages of the development process with a high risk of having to revise even basic design choices and with a consequent increase in both completion tim and development costs. Among all system requirements, Reliability and Safety are important non-functional requirements. Especially for mission-critical systems, there is a strong demand for new and more powerful analysis tools and techniques able not only to verify the reliability indices and safety of a system but also to exibly evaluate the system performances and compare di erent design choices. In this context, the research aimed to promote the use of exible methods for the analysis of non-functional requirements by focusing on the de nition of: (i) model-based method for system reliability analysis centered on popular SysML/UML-based languages for systems modeling and on de-facto standard platforms for the simulation of multi-domain dynamic and embedded systems (Mathworks Simulink); (ii) a methodological process for supporting the safety analysis, along with an approach for performing the Fault Tree Analysis of cyber-physical systems, mainly based on the Modelica language and OpenModelica simulation environment. Furthermore, in order to support the representation of system requirements and thus enable their veri cation and validation during the design stages, a meta-model for modeling requirements of physical systems as well as di erent approaches for extending the Modelica language have been proposed. Moreover, an algorithm, which allows trace and evaluate requirements violation through simulation, has been de ned. Finally, the e ectiveness of the proposed methods and approaches, especially in the modeling and analysis of both the expected and dysfunctional system behavior, is the result of an intensive experimentation in several industrial domains such automotive, avionics and satellite
Multi-topic and multilingual document clustering via tensor modeling
(2014-12-05) Romeo, Salvatore; Greco, Sergio; Tagarelli, Andrea
A novel cooperative framework for Web 3.0 investigating recommendation and process mining issues
(2013-11-25) Bevacqua, Antonio; Flesca, Sergio; Greco, Sergio
Novel ranking problems in information networks
(2014-11-28) Interdonato, Roberto; Greco, Sergio; Tagarelli, Andrea
On the decidability of logic programs and chase algorithms
(2016-02-19) Calautti, Marco; Crupi, Felice; Greco, Sergio
The problem of programs termination is a fundamental problem in Computer Science, and has always gained interest from research communities, due to the challenge of dealing with a problem that has been proved to be undecidable in general. Furthermore, there has been a great increase of interest from the logic programming and database communities in identifying meaningful and large fragments of the languages used, in order to guarantee termination of inference tasks. The goal of this thesis is to study the termination problem in the eld of logic programming with function symbols and in the eld of integrity database dependencies enforced via the Chase procedure. The state of the art for both elds is presented, identifying limitations of current works and new approaches to overcome such limitations are proposed.
On the problem of checking chase termination
(2011-11-23) Spezzano, Francesca; Palopoli, Luigi; Greco, Sergio
Probabilistic approaches to recommendations
(2012-10-24) Barbieri, Nicola; Palopoli, Luigi; Greco, Sergio; Manco, Giuseppe