No description available.

Geometric covering is a well-studied topic in computational geometry. We study three covering problems: Disjoint Unit-Disk Cover, Depth-(≤ K) Packing and Red-Blue Unit-Square Cover. In the Disjoint Unit-Disk Cover problem, we are given a point set and want to cover the maximum number of points using disjoint unit disks. We prove that the problem is NP-complete and give a polynomial-time approximation scheme (PTAS) for it. In Depth-(≤ K) Packing for Arbitrary-Size Disks/Squares, we are given a set of arbitrary-size disks/squares, and want to find a subset with depth at most K and maximizing the total area. We prove a depth reduction theorem and present a PTAS. In Red-Blue Unit-Square Cover, we are given a red point set, a blue point set and a set of unit squares, and want to find a subset of unit squares to cover all the blue points and the minimum number of red points. We prove that the problem is NP-hard, and give a PTAS for it. A "mod-one" trick we introduce can be applied to several other covering problems on unit squares.

The minimum set cover problem is, without question, among the most ubiquitous and well-studied problems in computer science. Its theoretical hardness has been fully characterized--logarithmic approximability has been established, and no sublogarithmic approximation exists unless P=NP. However, the gap between real-world instances and the theoretical worst case is often immense--many covering problems of practical relevance admit much better approximations, or even solvability in polynomial time. Simple combinatorial or geometric structure can often be exploited to obtain improved algorithms on a problem-by-problem basis, but there is no general method of determining the extent to which this is possible. In this thesis, we aim to shed light on the relationship between the structure and the hardness of covering problems. We discuss several measures of structural complexity of set cover instances and prove new algorithmic and hardness results linking the approximability of a set cover problem to its underlying structure. In particular, we provide: - An APX-hardness proof for a wide family of problems that encode a simple covering problem known as Special-3SC. - A class of polynomial dynamic programming algorithms for a group of weighted geometric set cover problems having simple structure. - A simplified quasi-uniform sampling algorithm that yields improved approximations for weighted covering problems having low cell complexity or geometric union complexity. - Applications of the above to various capacitated covering problems via linear programming strengthening and rounding. In total, we obtain new results for dozens of covering problems exhibiting geometric or combinatorial structure. We tabulate these problems and classify them according to their approximability.

Geometric covering is a well-studied topic in computational geometry. We study three covering problems: Disjoint Unit-Disk Cover, Depth-(≤ K) Packing and Red-Blue Unit-Square Cover. In the Disjoint Unit-Disk Cover problem, we are given a point set and want to cover the maximum number of points using disjoint unit disks. We prove that the problem is NP-complete and give a polynomial-time approximation scheme (PTAS) for it. In Depth-(≤ K) Packing for Arbitrary-Size Disks/Squares, we are given a set of arbitrary-size disks/squares, and want to find a subset with depth at most K and maximizing the total area. We prove a depth reduction theorem and present a PTAS. In Red-Blue Unit-Square Cover, we are given a red point set, a blue point set and a set of unit squares, and want to find a subset of unit squares to cover all the blue points and the minimum number of red points. We prove that the problem is NP-hard, and give a PTAS for it. A "mod-one" trick we introduce can be applied to several other covering problems on unit squares.

The minimum set cover problem is, without question, among the most ubiquitous and well-studied problems in computer science. Its theoretical hardness has been fully characterized--logarithmic approximability has been established, and no sublogarithmic approximation exists unless P=NP. However, the gap between real-world instances and the theoretical worst case is often immense--many covering problems of practical relevance admit much better approximations, or even solvability in polynomial time. Simple combinatorial or geometric structure can often be exploited to obtain improved algorithms on a problem-by-problem basis, but there is no general method of determining the extent to which this is possible. In this thesis, we aim to shed light on the relationship between the structure and the hardness of covering problems. We discuss several measures of structural complexity of set cover instances and prove new algorithmic and hardness results linking the approximability of a set cover problem to its underlying structure. In particular, we provide: - An APX-hardness proof for a wide family of problems that encode a simple covering problem known as Special-3SC. - A class of polynomial dynamic programming algorithms for a group of weighted geometric set cover problems having simple structure. - A simplified quasi-uniform sampling algorithm that yields improved approximations for weighted covering problems having low cell complexity or geometric union complexity. - Applications of the above to various capacitated covering problems via linear programming strengthening and rounding. In total, we obtain new results for dozens of covering problems exhibiting geometric or combinatorial structure. We tabulate these problems and classify them according to their approximability.

In this work, a new multicast routing algorithm for wireless networks is presented. The algorithm, called SWIM (Source-initiated WIreless Multicast), is a depth-optimal multicast tree formation algorithm. SWIM is fully distributed and has an average computational complexity of O(N 2 ). SWIM forms a shared tree from the source(s) to destinations / yet, as a by-product, it creates a multicast mesh structure by maintaining alternative paths at every tree node. This makes SWIM suitable for both ad hoc networks and access networks with multiple gateways. An extension to the main algorithm is presented for the use in dynamic networks with mobility and/or dynamic destination group. Performance of SWIM is studied with simulations and is compared to other algorithms in the literature. Due to depth optimality, SWIM achieves a lower average and maximum delay than the compared algorithms. The throughput performance is found to be high. Working capability with rateless codes are also studied.

Un stable (ou ensemble indépendant) est un ensemble de sommets qui sont deux à deux non adjacents. De nombreux résultats classiques en optimisation combinatoire portent sur le nombre de stabilité (défini comme la plus grande taille d'un stable), et les stables se classent certainement parmi les structures les plus simples et fondamentales en théorie des graphes.<p><p>La thèse est divisée en deux parties, toutes deux liées à la notion de stables dans un graphe. Dans la première partie, nous étudions un problème de coloration de graphes, c'est à dire de partition en stables, où le but est de minimiser l'entropie de la partition. C'est une variante du problème classique de minimiser le nombre de couleurs utilisées. Nous considérons aussi une généralisation du problème aux couvertures d'ensembles. Ces deux problèmes sont appelés respectivement minimum entropy coloring et minimum entropy set cover, et sont motivés par diverses applications en théorie de l'information et en bioinformatique. Nous obtenons entre autres une caractérisation précise de la complexité de minimum entropy set cover :le problème peut être approximé à une constante lg e (environ 1.44) près, et il est NP-difficile de faire strictement mieux. Des résultats analogues sont prouvés concernant la complexité de minimum entropy coloring.<p><p>Dans la deuxième partie de la thèse, nous considérons les graphes dont le nombre de stabilité augmente dès qu'une arête est enlevée. Ces graphes sont dit être "alpha-critiques", et jouent un rôle important dans de nombreux domaines, comme la théorie extrémale des graphes ou la combinatoire polyédrique. Nous revisitons d'une part la théorie des graphes alpha-critiques, donnant à cette occasion de nouvelles démonstrations plus simples pour certains théorèmes centraux. D'autre part, nous étudions certaines facettes du polytope des ordres totaux qui peuvent être vues comme une généralisation de la notion de graphe alpha-critique. Nous étendons de nombreux résultats de la théorie des graphes alpha-critiques à cette famille de facettes.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this dissertation, we investigate a number of geometric problems in different settings. We present lower bounds and approximation algorithms for geometric problems in sequential and distributed settings. For the sequential setting, we prove the first hardness of approximation results for the following problems: \begin{itemize} \item Red-Blue Geometric Set Cover is APX-hard when the objects are axis-aligned rectangles. \item Red-Blue Geometric Set Cover cannot be approximated to within $2^{\log^{1-1/{(\log\log m)^c}}m}$ in polynomial time for any constant $c < 1/2$, unless $P=NP$, when the given objects are $m$ triangles or convex objects. This shows that Red-Blue Geometric Set Cover is a harder problem than Geometric Set Cover for some class of objects. \item Boxes Class Cover is APX-hard. \end{itemize} We also define MaxRM-3SAT, a restricted version of Max3SAT, and we prove that this problem is APX-hard. This problem might be interesting in its own right.\\ In the distributed setting, we define a new model, the fixed-link model, where each processor has a position on the plane and processors can communicate to each other if and only if there is an edge between them. We motivate the model and study a number of geometric problems in this model. We prove lower bounds on the communication complexity of the problems in the fixed-link model and present approximation algorithms for them. We prove lower bounds on the number of expected bits required for any randomized algorithm in the fixed-link model with $n$ nodes to solve the following problems, when the communication is in the asynchronous KT1 model: \begin{itemize} \item $\Omega(n^2/\log n)$ expected bits of communication are required for solving Diameter, Convex Hull, or Closest Pair, even if the graph has only a linear number of edges. \item $\Omega( min\{n^2,1/\epsilon\})$ expected bits of communications are required for approximating Diameter within a $1-\epsilon$ factor of optimal, even if the graph is planar. \item $\Omega(n^2)$ bits of communications is required for approximating Closest Pair in a graph on an $[n^c] \times [n^c]$ grid, for any constant $c>1+1/(2\lg n)$, within $\frac{n^{c-1/2}}{4}-\epsilon$ factor of optimal, even if the graph is planar. \end{itemize} We also present approximation algorithms in geometric communication networks with $n$ nodes, when the communication is in the asynchronous CONGEST KT1 model: \begin{itemize} \item An $\epsilon$-kernel, and consequently $(1-\epsilon)$-\diamapprox~ and \ep -Approximate Hull with $O(\frac{n}{\sqrt{\epsilon}})$ messages plus the costs of constructing a spanning tree. \item An $\frac{n^c}{\sqrt{\frac{k}{2}}}$-Approximate Closest Pair on an $[n^c] \times [n^c]$ grid , for a constant $c>1/2$, plus the cost of computing a spanning tree, for any $k\leq {n-1}$. \end{itemize} We also define a new version of the two-party communication problem, Path Computation, where two parties communicate through a path. We prove a lower bound on the communication complexity of this problem. / Graduate

No description available.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, ασχολούµαστε µε ζητήµατα που ανακύπτουν σε ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας, δηλ. δίκτυα που βασίζονται σε τηλεπικοινωνιακή υποδοµή όπως τα κυψελικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, δίκτυα αυτόνοµων ασύρµατων εκποµπών όπως τα ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc, κτλ. Τα ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας διαφόρων τύπων έχουν εξελιχθεί σηµαντικά τα τελευταία χρόνια. Ειδικότερα, τα ασύρµατα αδόµητα δίκτυα (ή αλλιώς ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc) έχουν προσελκύσει το έντονο εν­διαφέρον της επιστηµονικής κοινότητας λόγω των πολλών εφαρµογών που έχουν κυρίως σε περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατή ή επιθυµητή η ολική ή µερική κάλυψη µέσω υποδοµής µε βάση την ενσύρµατη δικτύωση (π.χ., επι­κοινωνία σε δυσπρόσιτες ή αποµακρυσµένες περιοχές, φυσικές καταστροφές, στρατιωτικές εφαρµογές, κλπ.). ΄Οπως και στα παραδοσιακά ενσύρµατα δίκτυα, σηµαντικό πρόβληµα αποτελεί η εγκαθίδρυση σχηµάτων επικοινωνίας όπως διάδοση (broadcasting, multicasting), επικοινωνία όλων µε όλους (gossiping, all-to-all communica­tion), και επικοινωνία σε οµάδες (group communication). Για την επικοινω­νία απαιτείται η κατανάλωση ενέργειας στους κόµβους του δικτύου και, λαµβ.άνοντας υπόψη ότι τα αδόµητα ασύρµατα δίκτυα χρησιµοποιούν κόµβους µε περιορισµένα αποθέµατα ενέργειας, είναι απαραίτητη η ορθολογιστική χρήση αυτής της ενέργειας κατά την επικοινωνία. Αυτό µπορεί να σηµαίνει ότι είναι επιθυµητή είτε η ελαχιστοποίηση της συνολικής ενέργειας που κα­ταναλώνεται στους κόµβους του δικτύου για επικοινωνία ή η ελαχιστοποίηση της µέγιστης ενέργειας ώστε να επιτυγχάνεται όσο το δυνατό µεγαλύτερος χρόνος ζωής όλων των κόµβων του δικτύου. Στη διατριβή εξετάζουµε αλγόριθ­µους για την εγκαθίδρυση διαφορετικών σχηµάτων επικοινωνίας σε αδόµητα ασύρµατα δίκτυα όπου βασικό κριτήριο για την εκτίµηση της απόδοσής τους θα είναι η κατανάλωση ενέργειας που επιφέρουν στο δίκτυο. Μοντελοποιούµε τα δίκτυα µε ειδικά γραφήµατα και τα αντίστοιχα προβλήµατα επικοινωνίας σαν προβλήµατα συνδυαστικής βελτιστοποίησης στα γραφήµατα αυτά. Τα αποτελέσµατά µας περιλαµβάνουν νέους αλγόριθµους που βελτιώνουν προηγούµενα γνωστά σχετικά αποτελέσµατα και νέα κάτω φράγµατα. Με κεντρικό στόχο την αποδοτική κατανοµή ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα, η µελέτη µας έχει διττό χαρακτήρα: από τη µια πλευρά, ασχολούµαστε µε µε­λέτη και ανάλυση θεµελιωδών προβληµάτων της Θεωρητικής Επιστήµης των Υπολογιστών (όπως, π.χ., το πρόβληµα Κάλυψης µε Σύνολα). Τέτοια προβλήµατα, και ειδικές περιπτώσεις τους, παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον αφού χρησιµοποιούνται (µεταξύ άλλων) συχνά για τη µοντελοποίηση προβλη­µάτων ενεργειακά αποδοτικής επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα. Επιπλέον, προτείνουµε και αναλύουµε νέους αλγόριθµους για συγκεκριµένα σενάρια επικοινωνίας σε σύγχρονα ασύρµατα δίκτυα. Από την άλλη πλευρά, µελετάµε και εκτιµούµε πειραµατικά την απόδοση αρκετών αλγορίθµων και τεχνικών (από τη βιβλιογραφία αλλά και νέων) για ενεργειακά αποδοτική επικοινωνία σε ασύρµατα δίκτυα. Ειδικότερα: Μελετάµε το πρόβληµα κάλυψης µε σύνολα και ενδιαφέρουσες παραλ­λαγές του. Παρουσιάζουµε νέους συνδυαστικούς προσεγγιστικούς αλγόριθµους για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων. Προηγούµενες προσεγγίσεις έχουν βασισθεί σε επεκτάσεις του άπληστου αλγόριθµου µέσω αποδοτικού χειρισµού µικρών συνόλων. Οι νέοι αλγόριθµοι επεκτείνουν περαιτέρω τις προηγούµενες προσεγγίσεις χρησιµοποιώντας την ιδέα του υπολογισµού µεγάλων οµάδων στοιχείων και στη συνέχεια της οµαδοποίησής τους σε σύνολα µεγάλου µεγέθους. Τα αποτελέσµατά µας βελτιώνουν τα καλύτερα γνωστά φράγµατα προσέγγισης για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων για κάθε τιµή του k >= 6. Η τεχνική που χρησιµοποιούµε για την ανάλυση παρουσιάζει επιπλέον ανεξάρτητα ενδιαφέρον: το πάνω φράγµα για τον παράγοντα προ­σέγγισης επιτυγχάνεται φράσσοντας την αντικειµενική τιµή ενός γραµµικού προγράµµατος η οποία ‘αποκαλύπτει’ το λόγο προσέγγισης του υπό εξέταση αλγορίθµου (factor-revealing). Παρουσιάζουµε έναν απλό αλγόριθµο για το πρόβληµα εύρεσης µέγιστου δάσους γεννητικού αστέρα. Λαµβάνουµε υπόψη το γεγονός ότι το πρόβληµα αποτελεί ειδική περίπτωση του συµπληρωµατικού προβλήµατος κάλυψης συ­νόλου και προσαρµόζουµε έναν αλγόριθµο των Duh και Furer για την επίλυ­σή του. Αποδεικνύουµε ότι ο αλγόριθµος αυτός υπολογίζει 193/240 που είναι περίπου ίσο με 0.804 ­προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Το αποτέλεσµα αυτό βελτιώνει ένα προηγούµενο άνω φράγµα µε τιµή 0.71 των Chen και άλλων. Αν και ο αλ­γόριθµος είναι καθαρά συνδυαστικός, η ανάλυσή µας ορίζει ένα γραµµικό πρόγραµµα που χρησιµοποιεί µια παράµετρο f το οποίο είναι επιλύσιµο για τιµές της παραµέτρου f που δεν είναι µικρότερες από το λόγο προσέγγισης του αλγορίθµου. Η ανάλυση είναι αυστηρή και, το ενδιαφέρον είναι ότι, µπορεί να εφαρµοστεί και σε συµπληρωµατικές εκδοχές του προβλήµατος κάλυψης συνόλου όπως η εξοικονόµηση χρωµάτων. Δίνει την ίδια εγγύηση προσέγγισης µε τιµή 193/240 που οριακά βελτιώνει το προηγούµενο γνω­στό κάτω φράγµα των Duh και Furer. Αποδεικνύουµε επίσης ότι, γενικά, µια φυσική κλάση αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης δε δίνουν καλύτερα από 1/2-προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Μελετάµε προβλήµατα επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα που υποστηρί­ζουν πολλαπλά µέσα ασύρµατης διασύνδεσης. Σε τέτοια δίκτυα, δύο κόµβοι µπορούν να επικοινωνήσουν αν είναι αρκετά κοντά και διαθέτουν κάποιο κοινό µέσο ασύρµατης διασύνδεσης. Η ενεργοποίηση ενός µέσου ασύρµατης διασύνδεσης επιφέρει ένα κόστος που αντανακλά την ενέργεια που καταναλώ­νεται όταν κάποιος κόµβος χρησιµοποιεί το µέσο αυτό. Διακρίνουµε µεταξύ της συµµετρικής και της µη συµµετρικής περίπτωσης, µε βάση το κόστος ενεργοποίησης για κάθε ασύρµατο µέσο διασύνδεσης είναι το ίδιο για όλους τους κόµβους ή όχι. Για τη συµµετρική περίπτωση, παρουσιάζουµε έναν (3/2+ε)–προσεγγιστικό αλγόριθµο για το πρόβληµα πλήρους διασύνδεσης µε ελάχιστο κόστος ενεργοποίησης, βελτιώνοντας ένα προηγούµενο φράγµα µε τιµή 2. Για τη µη συµµετρική περίπτωση, αποδεικνύουµε ότι το πρόβληµα διασύνδεσης δεν είναι προσεγγίσιµο στα πλαίσια ενός παράγοντα υπολογα­ριθµικού ως προς το πλήθος των κόµβων και παρουσιάζουµε ένα λογαριθµι­κό προσεγγιστικό αλγόριθµο για µια γενικότερη περίπτωση που µοντελοποιεί την οµαδική επικοινωνία. Επίσης, µελετάµε αλγόριθµους για τον υπολογισµό αποδοτικών ως προς την ενέργεια δένδρων µετάδοσης (multicasting) σε ασύρµατα αδόµητα δί­κτυα. Τέτοιοι αλγόριθµοι είτε ξεκινούν από µια κενή λύση η οποία σταδιακά επαυξάνεται για να δώσει ένα δένδρο µετάδοσης (επαυξητικοί αλγόριθµοι ­augmentation algorithms) είτε λαµβάνουν σαν είσοδο ένα αρχικό δένδρο µε­τάδοσης και εκτελούν ‘περιπάτους ’ σε διαφορετικά δένδρα µετάδοσης για πεπερασµένο αριθµό βηµάτων µέχρι να επιτευχθεί κάποια αποδεκτή µείωση στην κατανάλωση της ενέργειας (αλγόριθµοι τοπικής αναζήτησης -local search algorithms). Εστιάζουµε τόσο σε επαυξητικούς αλγόριθµους όσο και σε αλγό­ριθµους τοπικής αναζήτησης και συγκεκριµένα έχουµε υλοποιήσει αρκετούς υπάρχοντες αλγόριθµους από τη βιβλιογραφία αλλά και νέους. Συγκρίνου­µε πειραµατικά τους αλγόριθµους αυτούς σε τυχαία γεωµετρικά στιγµιότυπα του προβλήµατος και επιτυγχάνουµε αποτελέσµατα όσον αφορά στην αποδο­τικότητα ως προς την ενέργεια των λύσεων που λαµβάνουµε. Παρουσιάζουµε επίσης αποτελέσµατα σχετικά µε το χρόνο εκτέλεσης των υλοποιήσεών µας. Επίσης διερευνούµε το κατά πόσον οι λύσεις που λαµβάνουµε από επαυ­ξητικούς αλγόριθµους µπορούν να βελτιωθούν µέσω αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης. Τα αποτελέσµατά µας αποδεικνύουν ότι ένας από τους νέους αλγόριθµους που προτείνουµε και οι εκδοχές του επιτυγχάνουν τις πιο απο­δοτικές ενεργειακά λύσεις και µάλιστα πολύ γρήγορα και, επιπλέον, υποδεικ­νύουν ιδιότητες γεωµετρικών στιγµιοτύπων του προβλήµατος που συντελούν στη βελτιωµένη απόδοση των επαυξητικών αλγορίθµων. / In this dissertation, we study issues arising in wireless communication networks, i.e., networks based on telecommunication infrastructure like cellular wireless networks, networks of autonomous wireless transmitters like ad hoc wireless networks, and so on. Wireless networks have received significant attention during the recent years. Especially, ad hoc wireless networks for which unlike traditional wired networks or cellular wireless networks, no wired backbone infrastructure is installed emerged due to their potential applications in emergency disaster relief, battlefield, etc. Like in traditional wired networks, an important problem concerns the establishment of communication patterns like broadcasting, multicasting, gossiping, all-to-all communication, and group communication. Communication then requires energy consumption at network nodes, and given that in ad hoc wireless networks energy is a scarce resource, it is of paramount importance to use it efficiently when establishing communication patterns. In such a setting, it is usually pursued that either the total energy consumed at networks nodes or the maximum energy consumed at any network node is minimized so that the network lifetime is prolonged as long as possible. Herein, we present and analyze theoretically and experimentally algorithms for guaranteeing the establishment of various communication patterns in ad hoc wireless networks and evaluate their performance in terms of their energy-efficiency. We represent these networks using graphs and model the corresponding communication problems as combinatorial optimization problems in such graphs. Our results include new algorithms which improve previously known relevant results as well as new lower bounds. Our main objective being the efficient energy allocation in wireless networks, our study is of dual character: on the one hand, we study and analyze fundamental problems of Theoretical Computer Science (like, e.g., Set Cover); such problems, as well as special cases of them, are highly interesting since they usually model energy-efficient communication problems in wireless networks. Furthermore, we propose and analyse new algorithms for particular communication scenaria in modern wireless networks. On the other hand, we experimentally study and evaluate several algorithms and techniques (both from the literature and new ones) for energy-efficient communication in wireless networks.