Implementación de un sistema de predicción de medidas LTE utilizando la tarjeta de desarrollo Zedboard y Machine Learning

dc.contributor.advisorPedraza Martínez, Luis Fernando
dc.contributor.authorPorras Garzón, Nicolás
dc.contributor.authorGómez Pérez, Helmunt Alberto
dc.date.accessioned2024-09-25T20:25:49Z
dc.date.available2024-09-25T20:25:49Z
dc.date.created2023-10-13
dc.descriptionDiversas condiciones sobre las que operan las redes móviles LTE visibilizan la necesidad de establecer estrategias que permitan la interpretación de distintas variables que intervienen en su diseño, construcción, despliegue y funcionamiento. Una de estas variables clave dentro del contexto móvil LTE son las medidas de relación de potencia y calidad de señal, RSSI, RSRP y RSRQ. Los principales métodos usados para cuantificar estas medidas en un entorno físico, más allá de la medición en sitio, pueden ser los modelos de propagación, sin embargo, además de la construcción matemática que significa su uso e implementación, no son realmente herramientas que pronostiquen o predigan el comportamiento de la señal en un entorno específico, mostrando claramente una necesidad que no se ha suplido adecuadamente en esta área. En esta perspectiva, una opción viable a la predicción de estas medidas son los modelos predictivos, pero si además del problema de predecir propiamente, se suma el contexto de trabajo con equipos móviles y entornos al aire libre, tiene sentido encaminar estos modelos de predicción en un dispositivo que ofrezca portabilidad de alguna forma. Las tarjetas reprogramables tipo FPGA o los sistemas embebidos, proveen de una cantidad de recursos de procesamiento moderada que, en aplicaciones como las requeridas para este problema, resultan ser suficientes para implementar modelos predictivos. Es así como ZedBoard, en conjunto de un sistema operativo dedicado que soporte lenguajes de programación especializados en Machine Learning como Python, es un candidato adecuado para el prototipado de código en este campo. Se plantea entonces el diseño y ejecución en un ambiente interactivo de código Python, como Jupyter Notebook, el desarrollo de tres modelos predictivos basándose en los algoritmos de Regresión lineal, Regresión Polinomial, y Bosques Aleatorios, respectivamente, usando como referencia las mediciones reales tomadas de una estación base LTE sobre un terminal móvil. Adicionalmente, se desarrolla un modelo predictivo basado en Redes Neuronales Recurrentes fuera de la tarjeta ZedBoard, esto tiene como finalidad, en primer lugar, diversificar las alternativas en cuanto algoritmos Machine Learning usados; y también, sustentar técnicamente que la efectividad y utilidad que tiene el uso de otros modelos en embebidos que aparentemente no tienen la potencia necesaria en este tipo de aplicaciones, son también capaces de ofrecer soluciones completas en un área en el que no suelen ser considerados. Al finalizar el diseño y despliegue sobre los datos de prueba, las predicciones hechas por cada modelo son concluyentes y reafirman la posibilidad real que existe para implementar modelos predictivos basados en técnicas Machine Learning en sistemas embebidos, y dentro del contexto de las telecomunicaciones móviles. Para esta problemática en concreto, el modelo de Bosques Aleatorios mostró ser muy superior y adaptarse adecuadamente a las características propias de las variables LTE analizadas con un margen de error inferior al 6% en cualquier caso, incluso por encima del modelo Red Neuronal Recurrente que no fue ejecutado en ZedBoard, permitiendo deducir que existen otras opciones en relación con el pronóstico de señales móviles y ofreciendo nuevas alternativas a los métodos clásicos de planificación, dimensionamiento y caracterización de una red celular LTE.spa
dc.description.abstractThe different conditions under which LTE mobile networks operate make it necessary to establish strategies that allow the interpretation of different variables involved in their design, construction, deployment and operation. One of these key variables within the LTE mobile context are the power ratio and signal quality measurements, RSSI, RSRP and RSRQ. The main methods used to quantify these measurements in a physical environment, beyond on-site measurement, may be propagation models, however, in addition to the mathematical construction involved in their use and implementation, they are not really tools that forecast or predict signal behavior in a specific environment, clearly showing a need that has not been adequately met in this area. In this perspective, a viable option to the prediction of these measurements are predictive models, but if in addition to the problem of predicting itself, the context of working with mobile equipment and outdoor environments is added, it makes sense to route these prediction models in a device that offers portability in some way. FPGA-type reprogrammable boards or embedded systems provide a moderate amount of processing resources that, in applications such as those required for this problem, turn out to be sufficient to implement predictive models. Thus, ZedBoard, together with a dedicated operating system that supports programming languages specialized in Machine Learning such as Python, is a suitable candidate for code prototyping in this field. We propose then the design and execution in an interactive Python code environment, such as Jupyter Notebook, the development of three predictive models based on the algorithms of Linear Regression, Polynomial Regression, and Random Forests, respectively, using as reference the real measurements taken from an LTE base station on a mobile terminal. Additionally, a predictive model based on Recurrent Neural Networks is developed outside the ZedBoard. The purpose of this is, firstly, to diversify the alternatives in terms of Machine Learning algorithms used; and also, to technically support that the effectiveness and usefulness of the use of other embedded models that apparently do not have the necessary power in this type of applications, are also capable of offering complete solutions in an area in which they are not usually considered. At the end of the design and deployment on the test data, the predictions made by each model are conclusive and reaffirm the real possibility of implementing predictive models based on Machine Learning techniques in embedded systems, and within the context of mobile telecommunications. For this specific problem, the Random Forests model proved to be far superior and adequately adapted to the characteristics of the LTE variables analyzed with an error margin of less than 6% in any case, even above the Recurrent Neural Network model that was not executed in ZedBoard, allowing to deduce that there are other options in relation to the prediction of mobile signals and offering new alternatives to the classical methods of planning, dimensioning and characterization of an LTE cellular network.spa
dc.format.mimetypepdfspa
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11349/41055
dc.language.isospa
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional*
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dc.rights.accesoAbierto (Texto Completo)spa
dc.rights.accessrightsOpenAccessspa
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectEstación base
dc.subjectFPGA
dc.subjectLTE
dc.subjectMachine Learning
dc.subjectModelos predictivos
dc.subjectPython
dc.subjectRSSI
dc.subject.keywordBase station
dc.subject.keywordFPGA
dc.subject.keywordLTE
dc.subject.keywordMachine Learning
dc.subject.keywordPredictive Model
dc.subject.keywordPython
dc.subject.keywordRSSI
dc.subject.lembIngeniería en Telecomunicaciones -- Tesis y disertacioes académicas
dc.subject.lembPredicción de medidas LTE
dc.subject.lembMachine Learning en telecomunicaciones
dc.subject.lembModelos predictivos en redes móviles
dc.subject.lembCalidad de señal en LTE
dc.titleImplementación de un sistema de predicción de medidas LTE utilizando la tarjeta de desarrollo Zedboard y Machine Learning
dc.title.titleenglishmplementation of an LTE measurement prediction system using the Zedboard development board and Machine Learning
dc.typebachelorThesisspa
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
dc.type.degreeMonografíaspa
dc.type.driverinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis

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