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Massive Multi-Player Multi-Armed Bandits for IoT Networks: An Application on LoRa Networks

Authors :
Dakdouk, Hiba
Feraud, Raphaël
Varsier, Nadège
Maillé, Patrick
Laroche, Romain
Orange Labs
Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique (IMT Atlantique - SRCD)
IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
Dependability Interoperability and perfOrmance aNalYsiS Of networkS (DIONYSOS)
Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-RÉSEAUX, TÉLÉCOMMUNICATION ET SERVICES (IRISA-D2)
Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA)
Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Microsoft Research
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes 1 (UR1)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Publication Year :
2022
Publisher :
HAL CCSD, 2022.

Abstract

More and more manufacturers, as part of the transition toward Industry 4.0, are using Internet of Things (IoT) networks for more efficient production. The wide and extensive expansion of IoT devices and the variety of applications generate different challenges, mainly in terms of reliability and energy efficiency. In this paper, we propose an approach to optimize the performance of IoT networks by making the IoT devices intelligent using machine learning techniques. We formulate the optimization problem as a massive multi-player multi-armed bandit and introduce two novel policies: Decreasing-Order-Reward-Greedy (DORG) focuses on the number of successful transmissions, while Decreasing-Order-Fair-Greedy (DOFG) also guarantees some measure of fairness between the devices. We then present an efficient way to manage the trade-off between energy consumption and packet losses in Long-Range (LoRa) networks using our algorithms, by which LoRa nodes adjust their emission parameters (Spreading Factor and transmitting power). We implement our algorithms on a LoRa network simulator and show that such learning techniques largely outperform the Adaptive Data Rate (ADR) algorithm currently implemented in LoRa devices, in terms of both energy consumption and packet losses.

Subjects

Subjects :
[INFO]Computer Science [cs]

Details

Language :
English
Database :
OpenAIRE
Accession number :
edsair.dedup.wf.001..25355eab1eca8e412ec796b4f60a1cdb