Application of reinforcement learning with Q-learning for the routing in industrial wireless sensors networks

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Kunzel, Gustavo
• Orientador(a): Pereira, Carlos Eduardo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Redes sem fio; Automação industrial; Inteligência artificial
• Palavras-chave em Inglês: Industrial wireless sensor networks; Routing; Reinforcement learning; Q-Learning
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/219140

As Redes Industriais de Sensores Sem Fio (IWSN) geralmente têm uma abordagem de gerenciamento centralizado, onde um dispositivo conhecido como Gerenciador de Rede é responsável pela configuração geral, definição de rotas e alocação de recursos de comunicação. Os algoritmos de roteamento precisam garantir a redundância de caminhos para as mensagens, e também reduzir a latência, o consumo de energia e o uso de recursos. O roteamento por grafos é usado para alcançar estes requisitos. A dinamicidade das redes sem fio tem sido um desafio para o ajuste e o desenvolvimento de algoritmos de roteamento, e modelos de Aprendizado de Máquina como o Aprendizado por Reforço têm sido aplicados de maneira promissora nas Redes de Sensores Sem Fio para selecionar, adaptar e otimizar rotas. O conceito básico do Aprendizado por Reforço envolve a existência de um agente de aprendizado que atua em um ambiente, altera o estado do ambiente e recebe recompensas. No entanto, as abordagens existentes não atendem a alguns dos requisitos dos padrões das IWSN. Nesse contexto, esta tese propõe a abordagem Q-Learning Reliable Routing, onde o modelo Q-Learning é usado para construir os grafos de roteamento. Duas abordagens são propostas: QLRR-WA e QLRR-MA. A abordagem QLRR-WA utiliza um agente de aprendizado que ajusta os pesos da equação de custo de um algoritmo de roteamento de estado da arte, com o objetivo de reduzir a latência e aumentar a vida útil da rede. A abordagem QLRR-MA utiliza diversos agente de aprendizado de forma que cada dispositivo na rede pode escolher suas conexões tentando reduzir a latência. Outras contribuições desta tese são a comparação de desempenho das abordagens com os algoritmos de roteamento de estado da arte e a metodologia de avaliação proposta. As abordagens do QLRR foram avaliadas com um simulador WirelessHART, considerando aplicações de monitoramento industrial com diversas topologias. O desempenho foi analisado considerando a latência média da rede, o tempo de vida esperado da rede, a taxa de entrega de pacotes e a confiabilidade dos grafos. Os resultados mostraram que, quando comparado com o estado da arte, o QLRR-WA reduziu a latência média da rede e melhorou o tempo de vida esperado, mantendo alta confiabilidade, enquanto o QLRR-MA reduziu a latência e aumentou a taxa de entrega de pacotes, ao custo de uma redução no tempo de vida esperado da rede. Esses resultados indicam que o Aprendizado por Reforço pode ser útil para otimizar e melhorar o desempenho destas redes.