Teoria de Jogos para Ajustes Dinâmicos de Parâmetros de Redes LoRaWAN

Abstract

Este trabalho investiga a aplicação de técnicas de teoria de jogos no gerenciamento dinâmico de parâmetros em redes LoRaWAN, com foco no ajuste distribuído da periodicidade de transmissão de nodos sensores. O problema abordado está relacionado ao conflito entre os objetivos individuais dos nodos, voltados à preservação de energia, e os objetivos globais do sistema, que dependem da recepção de um volume adequado de dados. Para lidar com esse conflito, é adotado o modelo Gur Game, no qual cada nodo é representado por um autômato finito que toma decisões locais a partir de um mecanismo probabilístico de recompensa e punição fornecido por um coordenador central. A proposta é implementada e avaliada em um ambiente real, composto por nodos físicos baseados no microcontrolador Raspberry Pi Pico, programados em linguagem C, um gateway LoRaWAN implementado a partir de um Raspberry Pi 2 e um servidor de rede utilizando a plataforma ChirpStack. O servidor monitora a volumetria de mensagens recebidas em janelas de tempo móveis e calcula um grau de satisfação, que é enviado aos nodos por meio de mensagens de downlink. Os resultados experimentais demonstram que o sistema é capaz de convergir para valores de tráfego próximos às referências impostas pelo coordenador, além de acompanhar variações nessas referências, mesmo sob as restrições do protocolo LoRaWAN Classe A e na presença de perdas de pacotes e atrasos de comunicação. Os resultados indicam que o uso do Gur Game constitui uma abordagem viável para o gerenciamento distribuído de tráfego em redes LoRaWAN.

This work investigates the application of game theory techniques to the dynamic management of parameters in LoRaWAN networks, focusing on the distributed adjustment of the transmission periodicity of sensor nodes. The addressed problem is related to the conflict between the individual objectives of the nodes, mainly associated with energy preservation, and the global objectives of the system, which depend on the reception of an adequate volume of data. To address this conflict, the Gur Game model is adopted, in which each node is represented by a finite-state automaton that makes local decisions based on a probabilistic reward and punishment mechanism provided by a central coordinator. The proposed approach is implemented and evaluated in a real environment composed of physical nodes based on the Raspberry Pi Pico microcontroller, programmed in the C language, a LoRaWAN gateway implemented using a Raspberry Pi 2, and a network server based on the ChirpStack platform. The server monitors the message throughput within sliding time windows and computes a satisfaction metric, which is sent back to the nodes through downlink messages. Experimental results show that the system is able to converge to traffic levels close to the references defined by the coordinator, as well as to track changes in these references, even under the constraints of the LoRaWAN Class A protocol and in the presence of packet losses and communication delays. These results indicate that the Gur Game is a feasible approach for distributed traffic management in LoRaWAN networks.