Моделювання процесів обробки повідомлень бездротової сенсорної мережі для визначення джерела їх формування
Автор: Кріль Назарій Мар'янович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне проєктування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Кріль Н.М., Белей О.І. Моделювання процесів обробки повідомлень бездротової сенсорної мережі для визначення джерела їх формування. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025 р. Розширена анотація Системи керування та моніторингу на основі бездротових сенсорних мереж (БСМ) все частіше використовуються в охороні здоров’я, житлово- комунальному господарстві, сільському господарстві та транспорті. Ключовим фактором успіху цієї технологічної платформи є її здатність автоматично отримувати інформацію про навколишнє середовище та об’єкти спостереження за допомогою компактних пристроїв, оснащених датчиками, мікроконтролерами та радіомодулями. Ці пристрої мають автономне живлення та використовують енергоефективні протоколи передачі даних на великі відстані. Це забезпечує низьку вартість, простоту розгортання та широке застосування для широкого кола об’єктів та місць розташування. Щодо конкретного завдання розробки методів та алгоритмів управління та обробки мережевої інформації, ключовими параметрами для оцінки їх ефективності є швидкість передачі даних та термін служби бездротової сенсорної мережі. Оскільки типова бездротова сенсорна мережа (БСМ) містить окреме джерело живлення з обмеженими запасами енергії та не може бути підключена до зовнішнього джерела живлення, час її роботи залежить від терміну служби цього джерела живлення. Для технології БСМ вибір акумуляторів високої ємності або використання механізмів збору енергії навколишнього середовища є недоцільним, оскільки такі вузли зазвичай дорожчі, ніж датчики, оснащені стандартними акумуляторами. У цьому випадку термін служби акумуляторів визначає термін служби датчиків і навіть усієї мережі. Враховуючи, що до 70% енергії, що споживається датчиками, використовується для передачі інформації до центрального модуля для збору, обробки та управління даними, вибір енергоефективних методів та алгоритмів міжвузлової передачі інформації є вирішальним для розробки систем моніторингу на базі бездротових сенсорних мереж (БСМ). Зменшення кількості циклів передачі даних та зменшення споживання енергії за цикл не вирішує проблему великої кількості метаданих, що містяться в повідомленнях датчиків, таких як ідентифікатор датчика, який згенерував повідомлення, ідентифікатор повідомлення в потоці даних від конкретного датчика та коди контролю помилок, що використовуються для обробки цієї критичної інформації. Тому зменшення розміру заголовків пакетів БСМ може скоротити час передачі даних та, крім згаданих вище методів, зменшити споживання енергії датчиками. Вирішення цієї суперечності вимагає вирішення науково-технологічних проблем у розробці методів та алгоритмів генерації та обробки службової інформації в бездротових сенсорних мережах. З одного боку, ці методи зменшать обсяг переданих службових даних, тим самим покращуючи енергоефективність, автономність та термін служби вузлів бездротових сенсорних мереж. З іншого боку, вони забезпечать надійну ідентифікацію джерел повідомлень через основні модулі збору та управління даними. Об’єктом дослідження є розподілена інформаційно-керуюча система на основі бездротових сенсорних мереж Предметом дослідження є методи генерації та обробки, а також алгоритми отримання додаткових службових даних у повідомленнях сенсорної мережі Метою цього дослідження є зниження ресурсоємності передачі службової інформації в повідомленнях, що генеруються датчиками в системі керування, при збереженні надійності обробки службових даних від різних датчиків. Нами пропонується метод ідентифікації джерела повідомлень скінченного розміру в бездротовій сенсорній мережі. Цей метод усуває необроблені повідомлення шляхом аналізу позиції повідомлення в послідовності та кодової карти, що складається з даних з попередніх повідомлень. Цей метод зменшує розмір службових даних у кожному повідомленні, тим самим підвищуючи енергоефективність вузлів бездротової сенсорної мережі, які генерують повідомлення. Крім того, у цій статті також пропонується алгоритм обробки службової інформації в повідомленнях від вузлів бездротової сенсорної мережі. Цей алгоритм характеризується паралельним виконанням генерації та обробки динамічної структури списку, що містить індекси, що вказують на кешовані дані повідомлень. Шляхом налаштування параметрів обробки алгоритм зменшує обсяг пам’яті, необхідної для зберігання динамічної структури списку, при збереженні необхідної надійності. Студентом використано теорію ймовірностей та теорію стохастичних процесів для створення математичної моделі кожного елемента розподіленої системи управління інформацією для обробки кількох повідомлень. Ця модель представляє результат декодування позиції повідомлення в послідовності повідомлень як дискретного випадкового процесу. Ця модель може визначати відповідні параметри для обробки службової інформації в повідомленнях вузла бездротової сенсорної мережі. Запропонований метод та алгоритм визначення джерела повідомлення, зберігаючи при цьому постійним розмір полів метаданих повідомлення бездротової сенсорної мережі, зменшує ймовірність визначення джерела повідомлення з 0,2...0,6 до 0,1...0,15 (для послідовностей з 10-25 повідомлень) без збільшення розміру полів метаданих. Це зменшення відбувається в області, де часткова похідна від довжини додаткових полів метаданих, що використовуються для визначення джерела кожного повідомлення бездротової сенсорної мережі, досягає свого максимального значення. Нами запропоновано покращений формат повідомлень для бездротових сенсорних мереж на основі блочно-зв’язаного шаблонного кодування. Ця схема використовується для обробки метаданих повідомлень у модулі центру збору та обробки даних розподіленої системи управління інформацією на основі технології бездротових сенсорних мереж. Порівняно з існуючими протоколами та відомими методами ідентифікації джерела повідомлень, цей метод може зрештою зменшити накладні витрати кожного переданого повідомлення на 2,5– 9%. У роботі побудовано модель обробки інформації від кількох датчиків у модулі збору та обробки даних у центрі бездротової сенсорної мережі, а також оцінено необхідний обсяг тимчасової пам’яті та кількість основних операцій. Результати оцінки показують, що сучасні FPGA-чіпи можуть обробляти дані від понад 100 датчиків без додаткової оперативної пам’яті. Крім того, під час ідентифікації джерел повідомлень від кількох датчиків, окрім використання відомих методів підвищення енергоефективності датчиків, виключення обробки деяких повідомлень може зменшити обсяг даних, що передаються на датчик, на 5–12%, а скорочення часу передачі даних може зменшити споживання енергії вузлами бездротової сенсорної мережі на 4–10%. У цьому дослідженні використовуються теорія ймовірностей, математична статистика, теорія стохастичних процесів, комп’ютерна інженерія та методи аналітичного проектування. В експериментальних дослідженнях використовувалися математичне моделювання, симуляція та об’єктно- орієнтоване програмування. Ключові слова – ресурсоємність, датчики, надійність, службові дані, бездротової сенсорної мережі, джерела повідомлень, кодування. Список використаних джерел. 1. O. Belej, N. Spas, I. Artyshchuk and N. Nestor, "Development of the Invasion Models in Wireless Sensor Networks Based on the Flows of False Events," 2022 IEEE 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), Lviv-Slavske, Ukraine, 2022, pp. 404-409. 2. . Belej, N. Nestor, I. Artyshchuk and N. Spas, "Modeling of Wireless Sensor Network Based on Functioning Parameters of Unevenly Distributed Nodes," 2023 17th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems (CADSM), Jaroslaw, Poland, 2023, pp. 23-27.