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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/59223
Tipo: | Tese |
Título: | Graph Signal Processing and Machine Learning for Prediction Problems in Mobile Communications Systems |
Autor(es): | Ortega, Yosbel Rodríguez |
Orientador: | Cavalcanti, Francisco Rodrigo Porto |
Coorientador: | Guerreiro, Igor Moáco |
Palavras-chave: | Processamento de sinais em grafo;Amostragem e reconstrução de sinais;Aprendizado de máquina;Gerenciamento de feixe;Carga do canal defeedback |
Data do documento: | 2021 |
Citação: | ORTEGA, Yosbel Rodríguez. Graph signal processing and machine learning for prediction problems in mobile communications systems. 2021. 122 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática ) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformática , Fortaleza, 2021. |
Resumo: | As comunicações móveis em cenários de quinta geração enfrentam desafios significativos devido à adoção de aplicativos em tempo real e serviços de missão crítica com requisitos rigorosos, como maior largura de banda e confiabilidade, menor latência e capacidade de suportar um grande número de usuários com uma intensa transferência de dados com as estações base. A fim de enfrentar alguns desses desafios, a presente tese analisa soluções para problemas de previsão baseados em processamento de sinais em grafo em conjunto com técnicas de aprendizagem supervisionada (ML, do inglês machine learning), para lidar de forma eficiente com dois casos de uso relevantes em sistemas de comunicações móveis, isto é: (i) gerenciamento de feixe e, (ii) aumento da carga do canal de feedback. Especificamente, ferramentas de amostragem e reconstrução baseadas em grafos são exploradas a fim de reduzir a carga do canal de feedback, que é usado para relatar as medições de usuário que alimentam os preditores baseados em ML. Antes de abordar esses dois casos de uso, é apresentada uma visão geral de algumas definições da teoria de grafos e são apresentadas algumas das ferramentas e conceitos que são empregados ao longo desta tese. Com relação ao problema de gerenciamento de feixes, é proposto um framework adaptativo de rastreamento de feixes para comunicações altamente direcionais, que explora as amostras em um conjunto de dados histórico de usuário, para estimar e prever eficientemente o estado do canal na estação base. Primeiramente, um algoritmo de aprendizado supervisionado, isto é 퐾-vizinhos mais próximos (퐾-NN do inglês, 퐾-nearest neighbors), é proposto e avaliado para rastreamento e predição de canal. Em seguida, como estágios preliminares do algoritmo 퐾-NN, uma estratégia de amostragem e reconstrução baseada em grafo, denominada 퐾-vizinhos mais próximos com reconstrução (퐾-NN-R), é proposta a fim de reduzir o espaço de busca do feixe durante a etapa de medição, o que permite um uso mais eficiente do canal de feedback. Depois disso, a estrutura bloco-diagonal sobre o grafo que representa um conjunto de dados de medições em uma rede celular veículo-para-tudo (C-V2X do inglês, cellular vehicular-toeverything) é explorada e, com base nela, uma estratégia de amostragem baseada em grafo, isto é amostragem Laplaciana inteligente (SLS, do inglês smart Laplacian sampling), é proposta para que (i) a estrutura/conectividade do grafo seja preservada e (ii) a quantidade de medições de usuário amostradas seja reduzida. Por fim, a proposta SLS é avaliada através de um problema de predição de latência, no qual é predito se um pacote pode ser entregue dentro de uma restrição de latência predeterminada. |
Abstract: | Mobile communications in fifth generation (5G) scenarios still face significant challenges due to the adoption of real-time applications and mission-critical services with stringent requirements, such as greater bandwidth and reliability, lower latency and the capacity to support a massive number of user equipments (UEs) with an intense data transfer between them and the basestations (BSs). In order to tackle some of these challenges, the present thesis analyzes solutions for prediction problems based on graph signal processing (GSP) jointly with machine learning (ML) techniques, to efficiently deal with two relevant use cases of mobile communication systems, that are: (i) beam management and, (ii) increased feedback channel burden. Specifically, graph-based sampling and reconstruction tools are exploited in order to reduce the feedback channel burden, which is used to report the UE measurements that feed the ML-based predictors. Before addressing these two use cases, it is presented an overview of some graph-theoretic definitions and were introduced some of the tools and concepts that are employed throughout this thesis. Concerning the beam management problem, it is proposed an adaptive beam tracking framework for highly directional communications, that exploits the samples in a historical UE dataset (HUD), to efficiently estimate and predict the channel state at the BS. First, a supervised learning algorithm, namely 퐾-nearest neighbors (퐾-NN), is proposed and evaluated for channel tracking and prediction. Then, as preliminary stages of the 퐾-NN algorithm, a graph-based sampling and reconstruction strategy, called 퐾-nearest neighbors with reconstruction (퐾-NN-R), is proposed in order to reduce the beam search space during the beam measurement stage, which allows a more efficient usage of the feedback channel. After that, the block-diagonal structure over graph that represents a cellular vehicular-to-everything (C-V2X) measurement dataset is exploited, and based on it, a graph-based sampling strategy, namely smart Laplacian sampling (SLS), is proposed so that (i) the graph structure/connectivity is preserved, and (ii) the amount of sampled UE measurements is reduced. Finally, the SLS proposal is evaluated through a latency prediction problem, in which is predicted whether a packet can be delivered within a predetermined latency constraint. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/59223 |
Aparece nas coleções: | DETE - Teses defendidas na UFC |
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