Campo DC | Valor | Idioma |
dc.contributor.advisor | Marotta, Marcelo Antonio | - |
dc.contributor.author | Eichler, Gustavo Caltabiano | - |
dc.date.accessioned | 2022-08-17T21:29:48Z | - |
dc.date.available | 2022-08-17T21:29:48Z | - |
dc.date.issued | 2022-08-17 | - |
dc.date.submitted | 2022-05-09 | - |
dc.identifier.citation | EICHLER, Gustavo Caltabiano. An Agent-Based Communication Architecture to hybrid NOMA-OMA decisions. 2022. xiv, 52 f., il. Dissertação (Mestrado em Informática) — Universidade de Brasília, Brasília, 2022. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.unb.br/handle/10482/44553 | - |
dc.description | Dissertação (Mestrado em Informática) — Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, Brasília, 2022. | pt_BR |
dc.description.abstract | O avanço das tecnologias relacionadas a Internet das Coisas, Industria 4.0 e as novas
formas de consumo de dados móveis intenisficaram problemas já existentes em redes de
comunicação móvel e criaram novos desafios para que redes futuras possam operar e
prover qualidade aos usuários no serviço prestado. Os problemas enfrentados pelas redes
móveis são derivados do aumento do número de dispositivos que se conectam a rede,
principalmente quanto a densificação das conexões em pequenos espaços, como fábricas,
praças públicas, estádios, entre outros, resultando em uma falta de recursos espectrais
disponíveis para atender todos os dispositivos. O espectro é um recurso finito e com
um custo elevado que deve ser utilizado de maneira eficiente, contudo, as técnicas de
comunicação empregadas atualmente estão atingindo o seu limite de capacidade, sendo
necessário a busca por novas formas de transmissão que utilizem os recursos espectrais de
forma mais eficiente.
Para atender os requisitos de redes 6G e as novas demandas de consumo de dados
móveis, uma nova técnica de transmissão, com o potencial de atender novas demandas,
conhecida como Acesso Múltiplo Não Ortogonal, é estudada e aprimorada para a sua
utilização em redes de comunicação móvel. A técnica utiliza a multiplexação de usuários
no domínio do tempo e da frequência, assim como as técnicas atuais, que são baseadas no
Acesso Múltiplo Ortogonal, além disso, um novo domínio é adicionado a multiplexação de
usuários, aumentando a capacidade e eficiência da rede. O Acesso Multiplo Não Ortogonal permite que usuários compartilhem o mesmo recurso de tempo e frequência sendo
diferenciados pela potência que é destinada a cada usuário que compartilha o recurso.
Devido a quantidade limitada de recursos de tempo e frequencia para a transmissão de
dados, a multiplexação de usuários pela potência permite um aumento da capacidade da
rede e uma utilização mais eficiente dos recursos em troca da adição de interferência entre
os usuários que compartilham os mesmos recursos. Em contraste, as técnicas baseadas
no Acesso Múltiplo Ortogonal visam utilizar os recursos de forma exclusiva para cada
usuário, minimizando a interferência entre usuários, por outro lado, os recursos não são
utilizados com a máxima eficiência e a capacidade se limita a quantidade de espectro
disponível. As duas técnicas citadas apresentam problemas que não podem ser evitados e a utilização individual de uma das técnicas pode não ser suficiente para atender os requisitos.
Para o Acesso Multiplo Não Ortogonal, a adição de interferência, se não for controlada,
pode inviabilizar a transmissão de dados. Para o Acesso Multiplo Ortogonal, a capacidade limitada pode não atender o aumento da densidade de conexões em redes 6G. Para
evitar problemas individuais inerentes as duas técnicas, a utilização conjunta de ambas
em uma única rede, pode trazer os benefícios do aumento da capacidade pelo Acesso Multiplo Não Ortogonal e quando necessária, uma comunicação livre de interferência para os
dispositivos.
Esse trabalho propõe o desenvolvimento de uma nova arquitetura de comunicação,
baseada em Sistemas Multi Agentes para a operação e gerenciamento de uma rede móvel
em relação aos recursos espectrais e decisões entre técnicas de transmissão com o objetivo
de aumentar a Eficiência Espectral da rede. Chamada de Adaptive Hybrid Non Orthogonal
Multiple Access (AH-NOMA), a arquitetura foi desenvolvida para ser implementada na
unidade de processamento de uma antena. A arquitetura proposta, implementa dois
tipos de agentes que executam suas funções diferentes granularidades de tempo. Essas
granularidades são da ordem de segundos, para um gerenciamento de pares e alocação de
potência, e milissegundos para a tomada de decisões entre utilizar o Acesso Multiplo Não
Ortogonal para o compartilhamento de espectro entre os usuários e o escalonamento de
usuários em recursos ortogonais.
Os agentes implementados pela aequitetura são responsáveis pela decisão de qual
técnica de transmissão deve ser utilizada para cada usuário presente na rede. Caso
dois usuários possam compartilhar o mesmo recurso em uma transmissão não ortogonal, os agentes são responsáveis por realizar o pareamento de usuários e definir a potência
necessária para cada usuário que compartilha o recurso. A decisão de compartilhar o
mesmo recurso é baseada na demanda de cada usuário, ou seja, se os usuários puderem
ter suas demandas satisfeitas compartilhando um mesmo recurso, sem que a comunicação
sofra algum tipo de prejuízo, então utiliza-se o Acesso Multiplo Não Ortogonal. Caso os
usuários possuam demandas que não possam ser atendidas através do compartilhamento
de recursos, os usuários são alocados em recursos de forma ortogonal, consequentemente
provendo uma comunicação livre de interferência.
A existência de uma relação inversa entre as duas técnicas, a adição de interferência reduzindo a qualidade do sinal transmitidos e a limitação de capacidade de atender
usuários pela utilização individual de recursos, permite o desenvolvimento de uma otimização para maximizar a eficiência utilizando as duas técnicas para um conjunto de usuários.
A otimização é utilizada pelos agentes para parear usuários e definir o modo de transmissão, alem de definir a potência necessária para cada usuário pareado. O funcionamento da arquitetura é baseada no Contract Net Protocol, um protocolo de comunicação entre
agentes. O agente que opera na ordem de segundos colhe informações dos usuários a
respeito da qualidade de canal e demandas de taxa de dados que devem ser cumpridas.
Essas informações são armazenadas e utilizadas como variáveis na otimização. O agente
então escolhe aqueles usuários mais adequados a compartilharem recursos espectrais e
repassa ao agente que opera na ordem de milissegundos. Por vez, sua função é definir se
os usuários pareados pelo outro agente podem ser alocados nos recursos não ortogonais
ou devem ser escalonados para recursos ortogonais. Os agentes visam reduzir a complexidade do pareamento, alocação de recursos e as decisões tomadas a respeito da técnia de
transmissão utilizada.
Diversas simulações foram realizadas para o estudo da relação entre os dois modos de
transmissão e para a operação da arquitetura proposta. Os resultados foram comparados
com outras abordagens propostas na literatura, a arquitetura se mostrou capaz de aumentar o número de usuários pareados para transmissões não ortogonais, reduzindo o número
de recursos utilizados e aumentando a eficiência espectral da rede. Em termos numéricos,
a arquitetura é capaz de parear mais de 60% dos usuários para recursos não ortogonais
aumentando a eficiência espectral em mais de 20% quando comparado a abordagens que
utilizam o Acesso Multiplo Não Ortogonal e aumentando em mais de 50% a eficiência
espectral quando comparado com uma abordagem que apenas utiliza o Acesso Multiplo
Ortgonal. Um aumento na quantidade de usuários pareados significa prover o serviço
demandado por cada usuário, utilizando uma quantidade menor de recurso se comparado
com a utilização ortogonal destes recursos. Dessa forma a relação entre a quantidade
de usuários que podem compartilhar o mesmo recurso e a eficiência espectral da rede é
diretamente proporcional.
A arquitetura ainda pode ser utilizada com diferentes objetivos além de buscar maximizar a eficiência espectral da rede como apresentado neste trabalho. Por exemplo, a
utilização de métricas de eficiência energética, que buscam maximizar a quantidade de
informação transmitida por unidade de energia consumida, ou objetivos como maximizar
a justiça entre os serviços providos a cada usuário na rede, onde o pareamento e a alocação de potência para cada usuário busca padronizar o serviço que cada usuário recebe,
assim a rede consegue fornecer um serviço mínimo comum a todos os usuários independente da qualidade de canal que cada usuário possui na rede. Além da flexibilidade na
utilização de diferentes métricas, que também podem ser exploradas de forma adaptativa
e dinâmica devido as características de agentes inteligentes que são implementados em
cada antena. Existe ainda, a possibilidade de extensão da arquitetura para a utilização de outras tecnologias complementares as tecnologias de Acesso Múltiplo como ondas
milimétricas, Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas (MIMO) e Superfícies refletoras inteligentes (IRS). A cooperação entre diversas arquiteturas implementadas também pode
ser desenvolvida futuramente de forma a tornar o autônomo e eficiente, o gerenciamento
e operação de um cenário composto por diversas estações de transmissão. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). | pt_BR |
dc.language.iso | Português | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.title | An Agent-Based Communication Architecture to hybrid NOMA-OMA decisions | pt_BR |
dc.type | Dissertação | pt_BR |
dc.subject.keyword | Non Orthogonal Multiple Access (NOMA) | pt_BR |
dc.subject.keyword | Multi Agent, Beyond 5G (B5G) | pt_BR |
dc.rights.license | A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data. | pt_BR |
dc.description.abstract1 | The emerging of Internet of Things (IoT) and Industry 4.0, will massively increase
the demand for connectivity and raise Quality of Service (QoS) requirements. New demands on data rates, latency, reliability, and other requirements push the limits of current
mobile communication systems, making the spectrum scarcity problem even deeper. To
overcome these limits, new techniques can be explored to provide an enhanced Spectral
Efficiency (SE) and improve the capacity of users in the network. The current transmission techniques are based on the Orthogonal Multiple Access (OMA) schemes, which
minimize the interference between users by allocating each user individually in one resource. This leads to underutilized resources and a limited capacity of users since the
spectrum resources are limited. To overcome these drawbacks Non Orthogonal Multiple Access (NOMA) adds a new degree of freedom to multiplex users by different power
allocation while sharing the same resource. The sharing of resources between users can
enhance the capacity and reduce the number of underutilized resources, but it comes
with a price to pay regarding the inter-user interference between devices sharing the same
resources. Although both techniques are often considered in concurrent networks by the
literature, both NOMA and OMA technologies present individual benefits and drawbacks.
The interchange between both techniques can compensate the individual drawbacks, creating communication opportunities to enhance SE and improve capacity. To turn feasible
such an interchanging technique, this work models a spectrum sharing problem and proposes a Multi Agent-Based Communication Architecture to make decisions in order to
take advantage of the trade-off between a limited connectivity provided by OMA and the
inter-user interference that is inherited from NOMA. Through our simulations, our results
highlight opportunities to interchange NOMA and OMA meeting QoS requirements with
enhanced SE. Named as AH-NOMA, the proposed architecture is based on the Contract
Net protocol to dynamically allocates power and users. AH-NOMA is able to effectively
improve the number of paired users and enhance the total spectral efficiency by more than
20% when compared to conventional NOMA scheme and over 50% comparing with OMA
scheme.
The architecture can still be used for different purposes in addition to seeking the spectral efficiency of the network in this work. Maximize the use of energy efficiency
services, in order to enhance the transmitted information for each unit of energy. The use
of fairness services to provide a minimum common service to all users regardless of the
quality of the channel that each user has on the network is also a different approach to
AH-NOMA. In addition to the flexibility in the use of differentiated metrics, which can
also be explored adaptively and due to the characteristics of intelligent agents that are
implemented in each antenna. There is also the possibility of extending the architecture
to the use of other complementary technologies such as milimeter Waves (mmWaves),
Multiple Input Multiple Output (MIMO) and Intelligent Reflecting Surfaces (IRS). The
operation between several architectures can also be developed in the future in order to
become autonomous and more efficient in scenarios composed by small cells and numerous
antennas. | pt_BR |
dc.description.unidade | Instituto de Ciências Exatas (IE) | pt_BR |
dc.description.unidade | Departamento de Ciência da Computação (IE CIC) | pt_BR |
dc.description.ppg | Programa de Pós-Graduação em Informática | pt_BR |
Aparece nas coleções: | Teses, dissertações e produtos pós-doutorado
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