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Repositório Institucional da Produção Científica da Marinha do Brasil (RI-MB)

Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846561
Título: Seleção de parâmetros de transmissão de redes LoRa através de técnicas de aprendizado de máquinas
Autor(es): Carvalho Filho, Mário Nascimento
Orientador(es): Campista, Miguel Elias Mitre
Palavras-chave: Eletrônica
Aprendizado de máquina
Parâmetros de transmissão
Áreas de conhecimento da DGPM: Engenharia elétrica
Data do documento: 2022
Editor: Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Descrição: O aumento da densidade das redes Long Range (LoRa) leva o mecanismo Adative Data Rate (ADR) do protocolo LoRaWAN a apresentar queda de desempenho em termos de taxa de entrega de pacotes e energia consumida, uma vez que as interferências internas devido às transmissões concorrentes aumentam. Tais interferências aumentam a dinamicidade do ambiente, exigindo um mecanismo proativo de ajuste de parâmetros de transmissão que garanta a capacidade dos enlaces. Além disso, o mecanismo ADR se mostra incapaz de ajustar os parâmetros quando o sinal de rádio é degradado, o que pode ocorrer, por exemplo, caso a rede seja submetida à interferência externa. Esta dissertação propõe a utilização de técnicas de aprendizado supervisionado e de aprendizado por reforço para ajustar os parâmetros de transmissão. As técnicas de aprendizado supervisionado Árvore de Decisão e Máquina de Vetor de Suporte são utilizadas para selecionar os parâmetros de transmissão e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia. A técnica de aprendizado por reforço Q-learning é utilizada para ajustar os parâmetros de transmissão, mapeando a probabilidade de ocorrência de colisão e otimizando a taxa de entrega de pacotes e a energia consumida. Dois estudos de caso são avaliados. O primeiro representa uma rede densa com o gateway localizado no centro da topologia, enquanto o segundo representa uma rede com dispositivos distantes entre 5 e 10 km do gateway submetida a uma fonte de interferência externa. No primeiro estudo de caso, os resultados mostram que, para uma quantidade de até 100 dispositivos, o desempenho da técnica Q-learning supera o mecanismo ADR. No segundo estudo de caso, o mecanismo ADR se mostra incapaz de manter a capacidade dos enlaces e o desempenho da técnica Q-learning indica que esta pode ser uma alternativa para ajustar os parâmetros.
Abstract: The increase in LoRa networks density lead the LoRaWAN protocol’s Adaptive Data Rate (ADR) mechanism to show a drop in performance, in terms of packet delivery rate and energy consumed, since internal interference due to concurrent transmissions increases. Such interference increases the dynamics of the environment, requiring a proactive mechanism to adjust transmission parameters to guarantee the capacity of the links. Furthermore, the ADR mechanism is unable to adjust the parameters when the radio signal is degraded, which can occur, for example, if the network is subjected to external interference. This dissertation proposes the use of supervised learning and reinforcement learning techniques to adjust the transmission parameters. The decision tree and support vector machine supervised learning techniques are used to select the transmission parameters and, at the same time, reduce the power consumption. The reinforcement learning technique Q-learning is used to adjust the transmission parameters online, mapping the probability of collision occurrence for each selected parameter and optimizing the packet delivery rate and the energy consumed in the transmission. Two case studies are evaluated. The first represents a dense network with the gateway located in the center of the topology, while the second represents a network with devices located among 5 and 10 km subjected to an external source of interference. In the first case, the results show that, considering a number up to 100 devices, the performance of the Q-learning technique outperforms the ADR mechanism. In the second case, the ADR mechanism is unable to maintain the capacity of the links and the performance of the Q-learning technique indicates that this can be an effective alternative to dynamically adjust the transmission parameters.
Tipo de Acesso: Acesso aberto
URI: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846561
Tipo: Dissertação
Aparece nas coleções:Engenharia Naval: Coleção de Dissertações

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