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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Decisão de espectro em redes de sensores sem fio empregando aprendizado de máquina
Authors: Vinicius Fonseca e Silva
First Advisor: Daniel Fernandes Macedo
First Referee: Jose Marcos Silva Nogueira
Second Referee: Luiz Henrique Andrade Correa
Third Referee: Marcos Augusto Menezes Vieira
Abstract: Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) utilizam faixas de espectro ISM (Industrial, Scientific and Medical), as quais atualmente encontram-se sobrecarregadas devido a diversas tecnologias tais como WLANs, RSSFs e Bluetooth. Em razão dessa sobrecarga, as RSSFs sofrem com grandes perdas de informação, causando desperdícios de energia elevados. Com o objetivo de reduzir tais perdas, as RSSFs devem empregar métodos inteligentes, como por exemplo de Rádio Cognitivo (RC) para selecionar o melhor canal, coexistindo assim com outras redes que usam a faixa ISM. Uma das formas de implementação de RC, e que tem sido bastante adotada pela literatura recente, emprega Aprendizado de Máquina (AM), que cria um método de escolha do melhor canal, processo esse que também é conhecido em RC como Decisão de Espectro. Apesar do bom desempenho das propostas existentes, a maior parte possui custo computacional elevado, o que impede seu uso em plataformas com recursos limitados. Outra limitação é o fato da maioria dos trabalhos considerarem um pequeno conjunto de algoritmos de AM. Além disso, grande parte dos trabalhos são validados apenas por meio de simulação e dados empíricos, o que reduz a confiabilidade sobre a eficácia em cenários reais. Este trabalho avalia um conjunto extenso de algoritmos de AM para a seleção de canal em plataformas de RSSFs de baixo recurso computacional. Os melhores algoritmos de AM são implementados em nós sensores reais, demonstrando experimentalmente sua eficácia. Por fim, apresentamos uma comparação dos algoritmos propostos com métodos baseados em canal fixo, e métodos de Decisão de Espectro baseados em energia. Os resultados obtidos mostram que métodos de RC baseados em AM aumentam o desempenho da comunicação como um todo, quando comparados com os outros métodos implementados, reduzindo a quantidade de retransmissões no meio e assim diminuindo o atraso de envio de pacotes.
Abstract: Wireless Sensor Networks (WSNs) use ISM (Industrial, Scientific and Medical) spectrum bands, which are currently overloaded due to various technologies such as WLANs, WSNs and Bluetooth. Because of the overhead, WSNs suffer with great loss of information, causing high waste of energy. Therefore, in order to reduce such losses, WSNs must employ clever methods, such as Cognitive Radio (CR) to select the best channel, coexisting with other networks that use the ISM band. One of the CRs implementation paradigms, which has been highly adopted by the literature, employs Machine Learning (ML), which creates a method to choose the best channel, process which is also known in the CR area as Spectrum Decision. Despite the good performance of the existing proposals, most of them have high computational costs, which prevent their use on platforms with limited resources. Another limitation is the fact that most of the works consider a small set of ML algorithms. Moreover, the majority of studies are validated only through simulations and empirical data, which reduces the reliability on the effectiveness in real scenarios. This study evaluates an extensive set of ML algorithms for channel selection in low-resource WSN platforms. The best algorithms are implemented on real sensor nodes, experimentally demonstrating their effectiveness. Finally, we show a comparison of the proposed algorithms with fixed channel and energy-based Spectrum Decision methods. The obtained results show that ML-based RC methods enhance the overall communication performance, when compared with the implemented baselines, reducing the number of retransmissions, and thus reducing the delay.
Subject: Computação
Redes de Computadores
Aprendizado do computador
Redes de sensores sem fio
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/ESBF-9HXNFF
Issue Date: 21-Feb-2014
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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