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Tipo: Dissertação
Data do documento: 9-Dez-2024
Autor(es): RIBEIRO, Andrei Nogueira
Primeiro(a) Orientador(a): COSTA, João Crisóstomo Weyl Albuquerque
Primeiro(a) coorientador(a): LOBATO, Fabrício Rossy de Lima
Título: Unsupervised learning algorithms for data-driven fault management in optical networks
Título(s) alternativo(s): Algoritmos de aprendizado não-supervisionado para o gerenciamento de falhas em redes ópticas orientados por dados
Agência de fomento: 
Citar como: RIBEIRO, Andrei Nogueira. Unsupervised learning algorithms for data-driven fault management in optical networks . Orientador: João Crisóstomo Weyl Albuquerque Costa. 2024. 53 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/16865. Acesso em:.
Resumo: Ao longo dos últimos anos, o surgimento de aplicações mais complexas e exigentes em termos de largura de banda tem exigido esforços para garantir a confiabilidade das redes ópticas. A ocorrência de falhas, por exemplo, pode afetar diretamente a qualidade de transmissão destes sistemas ópticos, causando várias implicações, incluindo perdas de pacotes e interrupção do serviço. Assim, é vital mitigar falhas em redes ópticas para garantir a disponibilidade do sistema e cumprir os requisitos dos acordos de nível de serviço. Além disso, uma vez que a complexidade das redes ópticas evolui, abordagens baseadas em aprendizado de máquina têm sido propostas para lidar com a dinamicidade dos sistemas, proporcionando simultaneamente uma gestão automatizada das falhas. Grande parte destas abordagens baseiam-se em algoritmos de aprendizagem supervisionada, os quais exigem grandes quantidades de dados de falhas para serem corretamente treinados. No entanto, dados de condições falhosas são tipicamente escassos em cenários práticos, impondo limitações para a aplicação de modelos supervisionados. Portanto, neste trabalho, são explorados vários algoritmos de aprendizagem não-supervisionada para efetuar a gestão de falhas em redes ópticas. Uma vez que os dados de falhas são ausentes em vários cenários do mundo real, estratégias não-supervisionadas utilizando apenas dados de condições normais podem ser uma alternativa eficaz. Tais estratégias não necessitam de dados de falha, por conseguinte, requerem muito menos dados para o treinamento dos modelos. Os desempenhos da detecção e localização de falhas de algoritmos baseados em agrupamentos (K-means, Fuzzy C-means, modelo baseado em Distância de Mahalanobis Quadrática, e modelo de Mistura Gaussiana) e de algoritmos baseados em redução de dimensionalidade (Análise de Componentes Principais e Autoencoder) são comparados neste trabalho baseados em um conjunto de dados derivado de um testbed óptico. As técnicas são avaliadas em termos de erros do Tipo I (falsos positivos) e do Tipo II (falsos negativos). Em última análise, todas as técnicas demonstraram resultados satisfatórios na detecção de falhas, mesmo que treinadas apenas com dados de condições normais, atingindo uma acurácia média acima de 90%. Tais resultados sugerem sua aplicabilidade em cenários reais de gestão de falhas em redes ópticas.
Abstract: Over the past years, the emergence of more complex and bandwidth-hungry applications has charged efforts to ensure the reliability of optical networks. The occurrence of faults, for instance, can directly affect the quality of transmission of these optical systems, leading to several implications, including packet losses and service disruption. Hence, it is vital to mitigate faults in optical networks to guarantee the availability of the system and meet the service level agreement requirements. Moreover, as the complexity of optical networks evolves constantly, machine learning-based approaches have been proposed to deal with the system dynamics while providing automated fault management. In that regard, most proposed approaches are based on supervised learning (SL) models, which require large amounts of fault data to be properly trained. However, data from fault conditions are typically scarce in practical scenarios, which poses limitations for deploying SL-based models. Therefore, this work explores several unsupervised learning algorithms to perform fault management in optical networks. As fault data are absent in several real-world scenarios, unsupervised strategies trained with only data from normal operating conditions can be an effective alternative. These strategies disregard the need for data from abnormal network conditions and thus require much less data for model training. In this work, the fault detection and localization performances of cluster-based algorithms (K-means, Fuzzy C-means, Mahalanobis Squared-Distance-based model, and Gaussian Mixture Model) and dimensionality reduction-based approaches (Principal Component Analysis and Autoencoder) are compared leveraging a dataset derived from an optical testbed. The techniques are evaluated in terms of Type I (false-positive) and Type II (false-negative) error trade-offs. Ultimately, all techniques demonstrated satisfactory fault detection results when trained with only data from normal conditions, achieving an average accuracy of more than 90%. Such results suggest their applicability to real-world optical network fault management scenarios.
Palavras-chave: Redes ópticas
Gestão de falhas
Aprendizado de máquina
Aprendizado não-supervisionado
Optical networks
Fault management
Machine learning
Unsupervised learning
Área de Concentração: COMPUTAÇÃO APLICADA
Linha de Pesquisa: REDES E SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Instituto de Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Fonte URI: Disponível na internet via correio eletrônico: bibliotecaitec@ufpa.br
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