dissertação

Decisão do espectro baseado em aprendizado de máquina para redes de rádios cognitivos com suporte a comunicação multi-saltos

Carregando...
Imagem de Miniatura

Notas

Editores

Coorientadores

Título da Revista

ISSN da Revista

Título de Volume

Editor

Universidade Federal de Lavras

Faculdade, Instituto ou Escola

Departamento

Departamento de Ciência da Computação

Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação

Agência de fomento

Tipo de impacto

Áreas Temáticas da Extenção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

Dados abertos

Resumo

Os avanços tecnológicos nos últimos anos reduziram os custos de fabricação e distribuição de dispositivos sem fio, contribuindo com o aumentando o número e a quantidade de aplicações que utilizam esses dispositivos, sendo que grande parte dessas aplicações utilizam as frequências chamadas ISM (Industrial, Scientific, and Medical). Por este motivo, essas faixas de frequência encontram-se atualmente sobrecarregadas e assim a ocupação do espectro está sujeita a sofrer problemas de sobreposição, dado o crescimento do volume de dispositivos de comunicação sem fio. Com o objetivo de reduzir a interferência, causada pela grande utilização de faixas do espectro, que gera perdas de informação e diminuição do desempenho de uma rede, os Rádios Cognitivos emergem como uma solução inteligente para esse problema de ocupação do espectro. Os Rádios Cognitivos são rádios definidos por software, que são capazes de realizar de maneira autônoma a reconfiguração da rede por meio de aprendizado e adaptação do meio em que se encontra inserido. Por esse motivo, diversas pesquisas foram realizadas para o desenvolvimento de frameworks que fossem utilizados na implementação de Redes de Rádios Cognitivos. Contudo, a maior parte das pesquisas desenvolveram e avaliaram esses frameworks utilizando simuladores de redes sem fio. Apesar desses simuladores refletirem o ambiente de uma rede sem fio, as características dinâmicas do espectro não são corretamente modeladas no contexto dos Rádios Cognitivos. Assim, este trabalho propõe a extensão de uma arquitetura para Redes de Rádios Cognitivos que visa o desenvolvimento de métodos para a decisão do espectro baseados em algoritmos de aprendizado de máquina, além de oferecer a implementação de protocolos de roteamento para a camada de rede, de modo a permitir a comunicação multi-hop. O framework desenvolvido contou com a utilização de dois métodos para decisão do espectro baseados em aprendizado de máquina, sendo que o primeiro foi o Random Forest, que é baseado em árvores de decisão, e o segundo foi o Hidden Markov Model, um processo estocástico que utiliza a propriedade de Markov na previsão estados futuros não observáveis. Além disso, os protocolos desenvolvidos para a comunicação multi-hop foram o Ad Hoc OnDemand Distance Vector um protocolo reativo, e o Optimized Link State Routing um protocolo pró-ativo. Os resultados obtidos mostraram que os métodos de aprendizado de máquina foram capazes de escolher faixas de frequência do espectro de modo a diminuir a coexistência e assim melhorar o desempenho da rede. O método que se destaca nesse ponto foi o Hidden Markov Model que obteve melhores resultados em relação a taxa de entrega de pacotes.

Abstract

The technological advances in recent years have reduced the costs of manufacturing wireless devices, increasing the number of applications that use these devices, and most of these applications use the so-called ISM (Industrial, Scientific, and Medical). Therefore, these frequency bands are currently overloaded and thus spectrum occupancy is subject to overlapping problems given the growth in the volume of wireless devices. In order to reduce the interference caused by the large use of spectrum bands that generate information loss and decrease network performance, Cognitive Radios emerge as a smart solution to this problem of spectrum occupancy. Cognitive Radios are software-Defined Radios, which are capable of autonomously performing the reconfiguration of the network by learning and adapting the medium in which it is inserted. For this reason, several types of research were carried out to develop frameworks that could be used in the implementation of Cognitive Radio Networks. However, most researches have developed and evaluated these frameworks using wireless simulators. Although these simulators reflect the environment of a wireless network, the dynamic characteristics of the spectrum are not correctly modeled in the context of Cognitive Radios. Thus, this work proposes the extension of an architecture for Cognitive Radio Networks that aims at the development of methods for spectrum decision based on machine learning algorithms, besides offering the implementation of routing protocols for the network layer to allow multi-hop communication. The developed framework relied on the use of two methods based on machine learning, the first one was the Random Forest that is based on decision trees and the second was the Hidden Markov Model, one stochastic process that uses the Markov property in predicting future unobservable states. In addition, the protocols developed for multi-hop communication were the Ad Hoc On-Demand Distance Vector a reactive protocol, and Optimized Link State Routing a proactive protocol. The results showed that the machine learning methods were able to choose frequency bands of the spectrum in order to decrease the coexistence and thus improve the performance of the network. The method that stands out at this point was the Hidden Markov Model that obtained better results in the package delivery rate.

Descrição

Área de concentração

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

ISBN

DOI

Citação

PINTO, L. R. M. Decisão do espectro baseado em aprendizado de máquina para redes de rádios cognitivos com suporte a comunicação multi-saltos. 2018. 95 p. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2018.

Link externo

Avaliação

Revisão

Suplementado Por

Referenciado Por