Troca automática de protocolos MAC empregando aprendizado por reforço

• Autor(a) principal: André Vinicius Gomes Santos Gonçalves
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/ESBF-BB2J75
• topic: seleção protocolos MAC; Aprendizado por reforço; Aprendizado de máquina; subcamada MAC; Redes; Computação; Redes de Computadores; Aprendizado do computador; Sistemas de comunicação sem fio

Há uma crescente demanda por redes sem fio impulsionada pela popularização de dispositivos como laptops, smartphones e tablets, e por tecnologias emergentes como Internet das Coisas. Se por um lado a demanda é crescente, por outro, o uso eficiente de redes sem fio é desafiador. O ambiente sem fio é sensível, por exemplo, a variações de topologia da rede, obstáculos entre dispositivos, mobilidade, variações do meio de propagação como umidade do ar ou condições climáticas, etc. Não suficiente, o mesmo meio (o ar) é utilizado por todos os dispositivos, disputando entre si o uso do recurso. Apesar da crescente demanda, dinamismo e complexidade de redes sem fio, alguns protocolos de comunicação são focados em situações específicas de utilização. Esse é o caso de protocolos MAC. Por exemplo, classes de protocolos MAC baseadas em contenção tendem a ter melhor desempenho em redes sem fio com baixa disputa de acesso ao meio, tornando-se ineficientes a medida que a disputa aumenta. Por outro lado, protocolos MAC sem contenção possuem comportamento contrário, ineficientes em situações de baixa disputa. Devido ao dinamismo de redes sem fio, um único protocolo MAC é dificilmente o melhor durante todo o tempo. Uma alternativa é a troca do protocolo MAC de acordo com as condições da rede sem fio ao longo do tempo. A proposta dessa dissertação ataca esse problema, consistindo em uma subcamada MAC auto-organizável (SOMAC) capaz de selecionar e trocar o protocolo MAC automaticamente ao longo do tempo. Há dois viabilizadores dessa solução. O primeiro consiste em rádios definidos por software, dispositivos que permitem a programação e a flexibilização da subcamada MAC. O segundo corresponde a técnicas de aprendizado de máquina, possibilitando a seleção autônoma de protocolos MAC. SOMAC faz uso dos dois, rádios definidos por software para implementação e validação, e aprendizado de máquina para o motor de seleção de protocolos. SOMAC emprega o algoritmo de aprendizado por reforço Q-Learning e lida com o dinamismo de redes sem fio. O sistema periodicamente avalia métricas de rede e seleciona o protocolo MAC de melhor desempenho. SOMAC é implementado e validado em ambientes de redes sem fio reais. Resultados experimentais sugerem que SOMAC é capaz de selecionar o melhor protocolo MAC em, pelo menos, 80% do tempo, chegando a atingir limiares de otimalidade de 90%. Além disso, resultados experimentais também retratam que SOMAC supera seus principais concorrentes em múltiplas situações, batendo o estado da arte.