3 research outputs found
Teoria de jogos para utilização efetiva dos recursos em aplicações para 5G
Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica - TelecomunicaçõesEsta tese tem como objetivo fornecer afirmações conclusivas em relação a
utilização eficiente de recursos para redes e aplicações de 5G (5a geração)
com recurso a teoria dos jogos. Neste contexto, investigamos dois cenários
principais, um relativo a comunicações móveis e um outro relativo a redes
inteligentes. Uma métrica importante para o desenho das redes móveis
emergentes é a eficiência energética, com particular ênfase no lado do dispositivo
móvel, onde as tecnologias das baterias são ainda limitadas. Alguns
trabalhos de investigação relacionados têm demonstrado que a cooperação
pode ser um paradigma útil no sentido de resolver o problema do défice
energético. Contudo, pretendemos ir mais além, ao definir a cooperação e
os utilizadores móveis como um grupo de jogadores racionais, que podem
atuar sobre estratégias e utilidades, por forma a escolher a retransmissão
mais apropriada para poupança de energia. Esta interpretação presta-se à
aplicação da teoria dos jogos, e recorremos assim aos jogos coalicionais para
solucionar conflitos de interesse entre dispositivos cooperantes, empregando
Programação Linear (LP) para resolver o problema da selecção da retransmissão e derivar a principal solução do jogo. Os resultados mostram que a escolha do jogo de retransmissão coalicional proposto pode potencialmente duplicar a duração da bateria, numa era em que a próxima geração de dispositivos móveis necessitará de cada vez mais energia para suportar serviços
e aplicações cada vez mais sofisticados. O segundo cenário investiga a resposta
da procura em aplicações smart grid, que está a ganhar interesse sob
a égide do 5G e que é considerada uma abordagem promissora, incentivando
os utilizadores a consumir electricidade de forma mais uniforme em horas de
vazio. Recorremos novamente à teoria dos jogos, imaginando as interacções
estratégicas entre a empresa fornecedora de energia eléctrica e os potenciais
utilizadores finais como um jogo de forma extensiva. São abordados
dois programas em tempo real de resposta à procura: Day-Ahead Pricing
(DAP) e Convex Pricing Tariffs. A resposta dos consumidores residenciais
conscientes dos preços destas tarifas, é formulada como um problema
de Mixed Integer Linear Programming (MILP) ou Quadratic Programming
(QP), nos quais as soluções potenciais são o agendamento dos seus electrodomésticos inteligentes de modo a minimizar os seus gastos diários de electricidade, satisfazendo as suas necessidades diárias de energia e níveis
de conforto. Os resultados demonstram que implementar o programa DAP
pode reduzir a razão Peak-to-Average (PAR) at e 71% e as faturas de consumo
das casas inteligentes at e 32%. Para além disso, a aplicação de tarifas
convexas em tempo real pode melhorar ainda mais estas métricas de desempenho,
alcançando uma redução de 80% do PAR e uma economia de
mais de 50% na faturação da energia residencial.This research thesis aims to provide conclusive statements towards effective
resource utilization for 5G (5th Generation) mobile networks and applications
using game theory. In this context, we investigate two key scenarios
pertaining to mobile communications and smart grids. A pivotal design
driver for the upcoming era of mobile communications is energy efficiency,
with particular emphasis on the mobile side where battery technology is still
limited. Related works have shown that cooperation can be a useful engineering
paradigm to take a step towards solving the energy deficit. However,
we go beyond by envisaging cooperation and mobile users as a game of rational
players, that can act on strategies and utilities in order to choose the
most appropriate relay for energy saving. This interpretation lends itself to
the application of game theory, and we look at coalitional games to settle
conflicts of interest among cooperating user equipments, and employ Linear
Programming (LP) to solve the relay selection problem and to derive the
core solution of the game. The results reveal that adopting the proposed
coalitional relaying game can potentially double battery lifetime, in an era
where the next wave of next generation handsets will be more energy demanding
supporting sophisticated services and applications. The second
scenario investigates demand response in smart grid applications, which is
also gaining momentum under the umbrella of 5G, which is a promising
approach urging end-users to consume electricity more evenly during nonpeak
hours of the day. Again, we resort to game theory and picture the
strategic interactions between the electric utility company and the potential
end-users as an extensive form game. Two real-time demand response
programmes are addressed, namely Day-Ahead Pricing (DAP) and convex
pricing tariffs. The response of price-aware residential consumers to these
programmes is formulated as Mixed Integer Linear Programming (MILP)
or Quadratic Programming (QP) problem, which optimally schedule their
smart home appliances so as to minimise their daily electricity expenses
while satisfying their daily energy needs and comfort levels. The results
demonstrate that implementing the DAP programme can reduce the Peakto-
Average Ratio (PAR) of demand by up to 71% and cut smart households
bill by 32%. Moreover, applying real-time convex pricing tariffs can push
these performance metrics even further, achieving 80% PAR reduction and
more than 50% saving on the household electricity bill