Algoritmos evolutivos para alguns problemas em telecomunicações

Orientadores: Flavio Keidi Miyazawa, Mauricio Guilherme de Carvalho ResendeTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Nos últimos anos, as redes de telecomunicação tem experienciado um grande aumento no fluxo de dados. Desde a utilização massiva de vídeo sob demanda até o incontável número de dispositivos móveis trocando texto e vídeo, o tráfego alcançou uma escala capaz de superar a capacidade das redes atuais. Portanto, as companhias de telecomunicação ao redor do mundo tem sido forçadas a aumentar a capacidade de suas redes para servir esta crescente demanda. Como o custo de instalar uma infraestrutura de rede é geralmente muito grande, o projeto de redes usa fortemente ferramentas de otimização para manter os custos tão baixos quanto possível. Nesta tese, nós analisamos vários aspectos do projeto e implementação de redes de telecomunicação. Primeiramente, nós apresentamos um novo problema de projeto de redes usado para servir demandas sem fio de dispositivos móveis e rotear tal tráfego para a rede principal. Tais redes de acesso são baseadas em tecnologias sem fio modernos como Wi-Fi, LTE e HSPA. Este problema consideramos várias restrições reais e é difícil de ser resolvido. Nós estudamos casos reais nas vizinhanças de uma grande cidade nos Estados Unidos. Em seguida, nós apresentamos uma variação do problema de localização de hubs usado para modelar as redes principais (backbones ou laços centrais). Este problema também pode ser utilizado para modelar redes de transporte de cargas e passageiros. Nós também estudamos o problema de clusterização correlacionada com sobreposições usado para modelar o comportamento dos usuários quando utilizam seus equipamentos móveis. Neste problema, nós podemos rotular um objeto usando múltiplos rótulos e analisar a conexão entre eles. Este problema é adequado para análise de mobilidade de equipamentos que pode ser usada para estimar o tráfego em uma dada região. E finalmente, nós analisamos o licenciamento de espectro sobre uma perspectiva governamental. Nestes casos, uma agência do governo deseja vender licenças para companhias de telecomunicação para que operem em uma dada faixa de espectro. Este processo usualmente é conduzido usando leilões combinatoriais. Para todos problemas, nós propomos algoritmos genéticos de chaves aleatórias viciadas e modelos de programação linear inteira mista para resolvê-los (exceto para o problema de clusterização correlacionada com sobreposição, devido sua natureza não-linear). Os algoritmos que propusemos foram capazes de superar algoritmos do estado da arte para todos problemasAbstract: Cutting and packing problems are common problems that occur in many industry and business process. Their optimized resolution leads to great profits in several sectors. A common problem, that occur in textil and paper industries, is to cut a strip of some material to obtain several small items, using the minimum length of material. This problem, known by Two Dimensional Strip Packing Problem (2SP), is a hard combinatorial optimization problem. In this work, we present an exact algorithm to 2SP, restricted to two staged cuts (known by Two Dimensional Level Strip Packing, 2LSP). The algorithm uses the branch-and-price technique, and heuristics based on approximation algorithms to obtain upper bounds. The algorithm obtained optimal or almost optimal for small and moderate sized instancesAbstract: In last twenty years, telecommunication networks have experienced a huge increase in data utilization. From massive on-demand video to uncountable mobile devices exchanging text and video, traffic reached scales that overcame the network capacities. Therefore, telecommunication companies around the world have been forced to increase their capacity to serve this increasing demand. As the cost to deploy network infrastructure is usually very large, the design of a network heavily uses optimization tools to keep costs as low as possible. In this thesis, we analyze several aspects of the design and deployment of communication networks. First, we present a new network design problem used to serve wireless demands from mobile devices and route the traffic to the core network. Such access networks are based on modern wireless access technologies such as Wi-Fi, LTE, and HSPA. This problem has several real world constraints and it is hard to solve. We study real cases of the vicinity of a large city in the United States. Following, we present a variation of the hub-location problem used to model these core networks. Such problem is also suitable to model transportation networks. We also study the overlapping correlation clustering problem used to model the user's behavior when using their mobile devices. In such problem, one can label an object with multiple labels and analyzes the connections between them. Although this problem is very generic, it is suitable to analyze device mobility which can be used to estimate traffic in geographical regions. Finally, we analyze spectrum licensing from a governmental perspective. In these cases, a governmental agency wants to sell rights for telecommunication companies to operate over a given spectrum range. This process usually is conducted using combinatorial auctions. For all problems we propose biased random-key genetic algorithms and mixed integer linear programming models (except in the case of the overlapping correlation clustering problem due its non-linear nature). Our algorithms were able to overcome the state of the art algorithms for all problemsDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computaçã