Alocação dinâmica de recursos em fatias de redes IoT não-3GPP envolvendo VANTs

dc.contributor.advisor-co1Oliveira Júnior, Antonio Carlos de
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3148813459575445
dc.contributor.advisor1Cardoso, Kleber Vieira
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0268732896111424
dc.contributor.referee1Cardoso, Kleber Vieira
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0268732896111424
dc.contributor.referee2Oliveira Júnior, Antonio Carlos de
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3148813459575445
dc.contributor.referee3Abelém, Antônio Jorge Gomes
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/5376253015721742
dc.contributor.referee4Both, Cristiano Bonato
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/2658002010026792
dc.contributor.referee5Rocha, Flávio Geraldo Coelho
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/5583470206347446
dc.creatorSilva, Rogério Sousa e
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/5613876184151189
dc.date.accessioned2025-07-09T17:55:43Z
dc.date.available2025-07-09T17:55:43Z
dc.date.issued2025-04-22
dc.description.abstractThe exponential growth of the Internet of Things (IoT) has introduced increasing challenges to communication infrastructures, particularly in critical scenarios such as natural disasters and densely populated events, where network overload compromises service continuity and quality. In this context, this thesis presents a hybrid approach for dynamic resource allocation in non-3GPP IoT networks, integrating network slicing (NS), heterogeneous access (Multi-RAT), and unmanned aerial vehicles (UAVs) equipped with LoRaWAN gateways. The proposed hybrid approach synergistically combines the precision of exact optimization methods based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), employed for determining the optimal initial positioning of UAVs, with the adaptive flexibility of advanced Deep Reinforcement Learning (DRL) algorithms, which enable dynamic and autonomous repositioning in variable environments. The goal of the first stage is to minimize operational and deployment costs while maximizing Quality of Service (QoS), while the second stage is to facilitate the autonomous repositioning of UAVs in response to environmental changes and fluctuations in network demand. We develop and assess four DRL algorithms, e.g., SR-DQN, DA-DDDQN, NSE-A2C, and RG2E-PPO. The proposed solutions were validated through realistic simulations using the ns-3 network simulator, in customized scenarios with non-3GPP connectivity. Results demonstrated significant improvements in QoS, reduced number of deployed UAVs, enhanced decision robustness, and increased spectral efficiency, with notable performance from the NSE-A2C and RG2E-PPO algorithms. The hybrid approach enables the creation of a mobile, scalable, and resilient communication infrastructure capable of autonomously and efficiently addressing the specific requirements of diverse IoT applications, particularly in urban and emergency environments with critical connectivity constraints. This thesis contributes to the state of the art by proposing a replicable, sustainable, and service-oriented hybrid architecture for reliable communication in heterogeneous and dynamic networks based on unlicensed technologies. Potential applications include smart cities, disaster response, and temporary connectivity deployment in degraded or non-existent infrastructure scenarios.eng
dc.description.resumoO crescimento exponencial da Internet das Coisas impõe desafios crescentes à infraestrutura de comunicação, especialmente em cenários críticos, como desastres naturais e eventos com alta densidade populacional, nos quais a sobrecarga de rede compromete a continuidade e a qualidade dos serviços. Nesse contexto, esta tese apresenta uma abordagem híbrida para a alocação dinâmica de recursos em redes IoT não-3GPP, integrando tecnologias de fatiamento de rede, acesso heterogêneo e veículos aéreos não tripulados. A abordagem híbrida desenvolvida combina, de forma sinérgica, a precisão dos métodos de otimização exata baseados em Programação Linear Inteira Mista, empregados para o posicionamento inicial ótimo dos VANTs, com a flexibilidade adaptativa de algoritmos avançados de Aprendizado por Reforço Profundo, responsáveis pelo reposicionamento dinâmico e autônomo em ambientes variáveis. A primeira consiste na formulação de modelos exatos para determinar o posicionamento inicial ótimo dos VANTs, com o objetivo de minimizar custos e maximizar os níveis de Qualidade de Serviço. Na segunda, é aplicada uma abordagem adaptativa, permitindo decisões autônomas de reposicionamento frente à dinâmica do ambiente e às variações nas demandas da rede. Quatro algoritmos foram desenvolvidos e avaliados, e.g., SR-DQN, DA-DDDQN, NSE-A2C e RG2E-PPO. As soluções propostas foram validadas por meio do simulador de redes ns-3, em cenários personalizados com conectividade não-3GPP. Os resultados demonstraram ganhos expressivos na QoS, redução do número de VANTs implantados, maior robustez das decisões e aumento da eficiência espectral, com destaque para os algoritmos NSE-A2C e RG2E-PPO. A abordagem híbrida apresentada promove uma infraestrutura de comunicação móvel, escalável e resiliente, capaz de responder de forma autônoma e eficiente às demandas específicas de diferentes aplicações IoT. Esta tese contribui para o estado da arte ao propor uma arquitetura híbrida replicável, sustentável e orientada a serviços, para comunicação confiável em redes heterogêneas e dinâmicas baseadas em tecnologias não licenciadas. Suas aplicações incluem cidades inteligentes, resposta a desastres e implantação temporária de conectividade em cenários de infraestrutura degradada ou inexistente.
dc.identifier.citationSILVA, R. S. Alocação dinâmica de recursos em fatias de redes IoT não-3GPP envolvendo VANTs. 2025. 189 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Instituto de Informática, Universidade Federal de Goiás, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14499
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentInstituto de Informática - INF (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Ciência da Computação (INF)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectVeículos aéreos não tripuladospor
dc.subjectProgramação linear inteira mistapor
dc.subjectAprendizado por reforço profundopor
dc.subjectRedes 5G não-3GPPpor
dc.subjectFatiamento de redespor
dc.subjectUnmanned aerial vehicleseng
dc.subjectMixed integer linear programmingeng
dc.subjectDeep reinforcement learningeng
dc.subjectNon-3GPP 5G networkseng
dc.subjectNon-3GPP network slicingeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
dc.titleAlocação dinâmica de recursos em fatias de redes IoT não-3GPP envolvendo VANTs
dc.title.alternativeDynamic resource allocation in non-3GPP IoT network slices involving UAVseng
dc.typeTese

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