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Título: Acesso aleatório não-ortogonal baseado em Q-learning para redes IoT-satélite auxiliadas por relays
Título(s) alternativo(s): 𝑄-Learning NOMA random access for IoT-satellite terrestrial relay networks
Autor(es): Tubiana, Douglas Alisson
Orientador(es): Brante, Glauber Gomes de Oliveira
Palavras-chave: Internet das coisas
Satélites artificiais em telecomunicação
Aprendizado de máquinas
Sistemas de comunicação sem fio
Algoritmos
Internet of things
Artificial satellites in telecommunication
Machine learning
Wireless communication systems
Algorithms
Data do documento: 3-Jun-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: TUBIANA, Douglas Alisson. Acesso aleatório não-ortogonal baseado em Q-learning para redes IoT-satélite auxiliadas por relays. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: Em um cenário de múltiplos dispositivos IoT, espalhados por uma área muito extensa, a maior dificuldade é prover acesso, tendo em vista a grande competição por recursos disponíveis em uma estação central que provê conectividade. Aqui, o uso de satélites LEO (do inglês Low Earth Orbit) é uma alternativa. Entretanto, os dispositivos IoT não possuem potência de transmissão necessária para alcançar ao satélite, por isso o uso de relays intermediários que captam essas informações é crucial. Pensando nesse cenário, este trabalho propõe um protocolo de acesso aleatório, baseado em múltiplo acesso não ortogonal (NOMA) com o controle de acesso através de aprendizado de máquina por 𝑄-Learning. O algoritmo QL-NOMA proposto decide, a partir de uma 𝑄-Table, o canal de comunicação e o timeslot em que cada dispositivo irá transmitir na conexão com um relay que retransmite para um satélite, tendo como objetivo melhorar a taxa de transferência no enlace dispositivo-relay. Ainda assim, mesmo que hajam colisões, os relays aplicam cancelamento sucessivo de interferência (SIC), buscando decodificar sinais de diferentes dispositivos transmitidos no mesmo timeslot-canal. A partir do sucesso da transmissão de cada dispositivo, a 𝑄-Table de cada um é atualizada. Como comparação, foi escolhido o protocolo de acesso aleatório Slotted-ALOHA, que escolhe o canal e o timeslot de forma aleatória. Os resultados numéricos mostram que o método proposto melhora significativamente o desempenho em comparação com o Slotted-ALOHA com NOMA, apesar de ser uma estratégia decentralizada. Além disso, é possível concluir que existe uma quantidade ótima de relays e canais dependendo do número de dispositivos IoT tentando acessar a rede.
Abstract: In a scenario with multiple IoT devices, spread over a very large area, the biggest difficulty is providing access, in view of the great competition for resources available in a central station that provides connectivity. Here, the use of LEO satellites is an alternative. However, IoT devices do not have the transmission power needed to stablish connection with the satellite, só the use of intermediate relays that capture this information is crucial. With this scenario in mind, this work proposes a random access protocol, based on non-orthogonal multiple access (NOMA) with access control through machine learning with 𝑄-Learning. The proposed QL-NOMA algorithm decides, from a 𝑄-Table, the communication channel and the timeslot in which each device will transmit in connection with a relay that retransmits to a satellite, aiming to improve the throughput in the device-relay link. Still, even if there are collisions, relays apply successive interference cancellation (SIC), seeking to decode signals from different devices transmitted on the same timeslot-channel. From the successful transmission of each device, the 𝑄-Table of each one is updated. As a comparison, the Slotted-ALOHA random access protocol was chosen, which chooses the channel and timeslot at random. Numerical results show that the proposed method significantly improves performance compared to Slotted-ALOHA with NOMA, despite being a decentralized strategy. Furthermore, it is possible to conclude that there is an optimal number of relays and channels depending on the number of IoT devices trying to access the network.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28979
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