Self-Adaptive Bandwidth Control for Balanced QoS and Energy Aware Optimization in Wireless Sensor Network

par Zongyi Liu

Thèse de doctorat en Réseaux, Télécoms, Systèmes et Architecture

Soutenue le 04-07-2017

à Toulouse, INSA , dans le cadre de Mathématiques Informatique Télécommunications de Toulouse , en partenariat avec Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (laboratoire) et de Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (laboratoire) .

Le président du jury était Cooperman Gene.

Le jury était composé de Daniela Dragomirescu, Georges Da Costa, Thierry Monteil, Longobardi Giorgia.

Les rapporteurs étaient Helmut Hlavacs, Dominique Houzet.

  • Titre traduit

    Contrôle de bande passante auto-adaptatif pour une qualité de service équilibrée et une optimisation énergétique optimisée dans le réseau de capteurs sans fil


  • Résumé

    Dans le domaine des réseaux de capteurs multimédias sans fil (WMSN), le flux fortement saturé augmente la probabilité de collision et de congestion dans la transmission de données, ce qui dégrade considérablement la performance de la qualité de service (QoS). La technique de déploiement multicanaux est souvent appliquée à la transmission en parallèle pour garantir la QoS. Cependant, comment faire le compromis entre l'exigence QoS et l'efficacité énergétique est un défi pour WMSN énergie-limité. L'analyse théorique de la couche MAC et de la structure de la couche PHY basée sur la norme IEEE 802.15.4, vise à étudier le modèle analytique cross-layer afin de mieux comprendre la relation entre les paramètres du réseau de capteurs et la performance, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles améliorations. Recherche d'optimisation multi-canaux. Trouver un indicateur de performance efficace et concevoir une méthode de collecte ou d'estimation de performance efficace basée sur les métriques correspondantes, qui pourraient être utilisées comme entrée de paramètre du mécanisme d'affectation multicanaux. Le système de contrôle dynamique complet est conçu pour une tâche d'attribution multicanal basée sur des techniques d'intelligence de calcul léger et efficace. Nous présentons un mécanisme d'attribution multicouches à bande passante dynamique à fuzzy (MCDB_FLS). La bande passante proactive disponible dans la couche croisée est estimée comme paramètre pour le contrôle d'admission de déploiement multicanal. Une approche axée sur l'apprentissage par renforcement est proposée pour une prise de décision judicieuse dans la mission d'allocation multicanaux. En outre, le modèle de seuil de bande passante basé sur la logique floue fournit une optimisation dynamique sur le contrôle d'admission du système. Les simulations montrent que le MCDB_FLS fonctionne mieux que la référence sur les mesures de QoS et l'efficacité énergétique, réalise le compromis entre l'efficacité énergétique et l'amélioration de la QoS. Enfin, nous introduisons l'intégration de l'approche incrémentielle d'apprentissage automatique dans le mécanisme d'affectation multicanaux avec la Deep Q Network (DQMC). En outre, l'initialisation du poids par action est implémentée sur la base d'un classificateur d'apprentissage supervisé multi-classes avec une approche par empilement. DQMC améliorer la capacité d'auto-adaptatif et de contrôle intelligent pour apprendre le modèle de l'environnement différent de multi-tâches WMSNs.


  • Résumé

    In the Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) field, highly saturated flow increases the probability of collision and congestion in data transmission which dramatically degrade the performance of Quality of Service (QoS). Multi-channels deployment technique is often applied to parallel transmission for QoS guarantee. However, how to make trade-off between QoS requirement and energy efficiency is a challenges to energy-constrained WMSNs. Theoretical analysis of MAC layer and PHY layer structure based on IEEE 802.15.4 standard, aim to study on the cross-layer analytical model in order to provide stronger understanding on the relationship between sensor network parameters and performance, pave the way for new enhancements in succedent multi-channel optimization research. Find effective performance indicator and design efficient performance collection or estimation approach based on the corresponding metrics, which could be used as the parameter input of multi-channel assignment mechanism. Comprehensive dynamically control system is designed for multi-channel assignment task based on light weight and high efficient computation intelligence techniques. We present a fuzzy-based dynamic bandwidth multi-channel assignment mechanism (MCDB_FLS). Cross-layer proactive available bandwidth is estimated as parameters for multi-channel deployment admission control. Reinforcement learning-based approach is proposed for more wisely decision-making in multi- channel allocation mission. Furthermore, fuzzy logic-based bandwidth threshold model provides dynamic optimization on system admission control. Simulations show the MCDB_FLS performs better than benchmark on the metrics of QoS and energy efficiency, achieves the trade-off between energy efficiency and QoS improvement. Finally, we introduce the integration of incremental machine learning approach into multi-channel assignment mechanism with Deep Q Network reinforcement learning method (DQMC). Besides, fully action weight initialization is implemented based on multi-class supervised learning classifier with stacking ensemble approach. DQMC improve the ability of self-adaptive and smart control to learn pattern from different environment of multi-tasks WMSNs.


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