Повышение эффективности сбора данных мониторинга БпЛА при кластеризации беспроводных сенсорных сетей

Проблематика. Для реалізації процесу збору даних моніторингу БпЛА від сенсорних вузлів в системі управління беспроводовими сенсорними мережами (БСМ) необхідно реалізувати відповідні методи і алгоритми. Для підвищення ефективності процесу збору даних в БСМ проводиться її кластеризація, виділяються головні вузли кластерів, що збирають дані моніторингу в кластері і передають ці дані на БпЛА при його підльоті. Запропоновані на сьогодні методи збору даних з вузлів сенсорних мереж з використанням БпЛА не враховують вимоги різних цільових функцій управління, особливості функціонування конкретних мереж і вимагають подальшого вдосконалення. Мета досліджень. Метою роботи є аналіз і розгляд способів підвищення ефективності процесу збору даних з сенсорних вузлів БСМ з використанням БпЛА при її кластеризації. Методика реалізації. На відміну від традиційних шляхів вирішення проблеми збору даних моніторингу БпЛА від вузлів БСМ запропонована сукупність методів досягнення різних цільових функцій управління (максимізація часу функціонування БСМ, мінімізація часу збору даних, мінімізація кількості БпЛА) на різних етапах функціонування мережі: кластеризація мережі; передача даних моніторингу в кластерах від простих вузлів до головних вузлів; знаходження положення в просторі БпЛА; побудова маршруту обльоту точок збору; політ БпЛА за розрахованим маршрутом і збір даних, ротація головних вузлів кластерів. Результати досліджень. Застосування запропонованих методів підвищення ефективності збору даних моніторингу дозволяє збільшити час життя мережі, зменшити час збору даних і зменшити кількість БпЛА, необхідних для збору даних. Висновки. Для досягнення різних цільових функцій управління на основних етапах збору даних моніторингу в бездротових сенсорних мережах запропоновано безліч методів, що дозволяють поліпшити основні показники їх функціонування.Background. To implement the process of collecting UAV monitoring data from sensor nodes in the wireless sensor networks (WSN) control system, it is necessary to implement appropriate methods and algorithms. To increase the efficiency of the data collection process in the WSN, it is clustered, the main cluster nodes are selected that collect monitoring data in the cluster and transmit this data to the UAV when it approaches. The methods proposed today for collecting data from nodes of sensor networks using UAVs do not consider the requirements of various target control functions, especially the functioning of specific networks and require further improvement. Objective. The aim of the work is to analyze and consider ways to improve the efficiency of the process of collecting data from sensor nodes of the WSN using UAVs during its clustering. Methods. In contrast to the traditional ways to solve the problem of collecting UAV monitoring data from WSN nodes, a set of methods is proposed to achieve various objective control functions (maximizing WSN functioning time, minimizing data collection time, minimizing the number of UAVs) at various stages of network operation. Results. The application of the proposed methods to increase the efficiency of monitoring data collection allows increasing the network lifetime, reducing data collection time and reducing the number of UAVs required for data collection. Conclusions. To achieve various target management functions at the main stages of monitoring data collection in wireless sensor networks, many methods have been proposed to improve the basic indicators of their functioning.Проблематика. Для реализации процесса сбора данных мониторинга БпЛА от сенсорных узлов в системе управления беспроводными сенсорными сетями (БСС) необходимо реализовать соответствующие методы и алгоритмы. Для повышения эффективности процесса сбора данных в БСС проводится ее кластеризация, выделяются главные узлы кластеров, собирающие данные мониторинга в кластере и передающие эти данные на БпЛА при его подлете. Предложенные на сегодня методы сбора данных с узлов сенсорных сетей с использованием БпЛА не учитывают требования различных целевых функций управления, особенности функционирования конкретных сетей и требуют дальнейшего совершенствования. Цель исследований. Целью работы является анализ и рассмотрение способов повышения эффективности процесса сбора данных с сенсорных узлов БСС с использованием БпЛА при ее кластеризации. Методика реализации. В отличие от традиционных путей решения проблемы сбора данных мониторинга БпЛА от узлов БСС предложена совокупность методов достижения различных целевых функций управления (максимизация времени функционирования БСС, минимизация времени сбора данных, минимизация количества БпЛА) на различных этапах функционирования сети: кластеризация сети; передача данных мониторингу в кластерах от простых узлов к главным узлам; нахождение положения в пространстве БпЛА; построение маршрута облета точек сбора; полет БпЛА по рассчитанному маршруту и сбора данных, ротация главных узлов кластеров. Результаты исследований. Применение предложенных методов повышения эффективности сбора данных мониторинга позволяет увеличить время жизни сети, уменьшить время сбора данных и уменьшить количество БпЛА, необходимых для сбора данных. Выводы. Для достижения различных целевых функций управления на основных этапах сбора данных мониторинга в беспроводных сенсорных сетях предложено множество методов, позволяющих улучшить основные показатели их функционирования

Програма оцінки зв’язності вузлів безпроводових епізодичних мереж при умові застосування БПЛА

Background. Based on analytical mathematical models, the duration of connectivity of mobile subscribers (nodes) (MS) of a wireless episodic network (WEN, consisting of MS and UAV) was investigated in conditions of direct radio visibility and considering the relaying. Objective. The purpose of the work is to find methodological approaches to ensure the connectivity of WSN nodes, which is a necessary condition for obtaining information from WSN in the absence of communication infrastructure. Methods. Simulation modelling based on MAPLE 14 software package and analytical calculation methods are used. Results. It is shown that the duration of connectivity is directly proportional to the size of the coverage area and inversely proportional to the movement speed of nodes. The mobility nature (scenario) of nodes also affects the duration of connectivity. The simulation of the nodes' movement was carried out under 4 scenarios: "march", "incoherent", "random wandering in the field" and "random wandering in the city". The largest values of the connectivity duration correspond to the third scenario, and the smallest - to the second (with a fixed radius of the coverage area and the movement speed of nodes). Thus, the average connectivity duration of the UAV-pedestrian connection in the event of an "incoherent" will be about 36 minutes, and the UAV-car connection - about 5 minutes. Conclusions. The system and functional parameters of the networks, which were obtained as a result of the research, will form the basis of the initial data and limitations of the mathematical model, and will also make it possible to determine the initial placement of the UAV network at the planning stage.Проблематика. На основі аналітичних математичних моделей було досліджено тривалість зв’язності мобільних абонентів (вузлів) (МА) безпроводової епізодичної мережі (БЕМ, що складається із МА та БПЛА) в умовах прямої радіо видимості та з урахуванням ретрансляції. Мета дослідження. Метою роботи є пошук методологічних підходів до забезпечення зв’язності вузлів БСМ, що є необхідною умовою отримання інформації від БСМ в умовах відсутності комунікаційної інфраструктури. Методика реалізації. Метод оперативного обчислення координат проміжних пунктів маршруту передбачає встановлення квазімобільного режиму руху сенсорів та послідовне використання алгоритмів розв'язання навігаційної задачі, задачі кластеризації та задачі пошуку траєкторії обльоту пунктів збору інформації з кластерів мобільних сенсорів, що сформувалися на момент початку збору інформації. Результати дослідження. Показано, що тривалість зв’язності прямо пропорційна розміру зони покриття та обернено пропорційна швидкості переміщення вузлів. На величину тривалості зв’язності також впливає характер (сценарій) мобільності вузлів. Було виконано моделювання переміщення вузлів за 4-ма сценаріями: «марш», «різнобій», «випадкову блукання в полі» та «випадкове блукання в місті». Найбільші значення тривалості зв’язності відповідають третьому сценарію, а найменші – другому (при фіксованому радіусі зони покриття та швидкості переміщення вузлів). Так середня тривалість зв’язності з’єднання «БПЛА-пішохід» на випадок «різнобою» становитиме порядку 36 хвилин, а з’єднання «БПЛА-автомобіль» порядку 5 хвилин.. Висновки. Отримані в результаті дослідження системні та функціональні параметри мереж ляжуть в основу вихідних даних і обмежень математичної моделі, а також дадуть змогу на етапі планування визначити початкове розміщення мережі БПЛА

Синтез методов сбора данных телекоммуникационными аероплатформами в беспроводных сенсорных сетях

Проблематика. Безпроводові сенсорні мережі із використанням телекомунікаційних аероплатформ відносяться до класу складних, багатофункціональних, динамічних систем. Для підвищення їх технічної ефективності необхідно розробити методи керування, які б дозволили збільшити час функціонування сенсорної мережі, зменшити час збору даних, зменшити витрати ресурсів. Важливою складовою частиною такої безпроводової сенсорної мережі є система керування збором даних моніторингу. Під час керування системою збору даних моніторингу із використанням телекомунікаційних аероплатформ виникають наукові задачі: відшукання мінімальної кількості вузлів збору даних; побудови оптимального маршруту збору даних із підтримкою необхідної якості їх передавання. Зараз відсутні ефективні методи розв’язання цих наукових задач. Тому саме синтезу методів розв’язання наукових задач керування збором даних і присвячена ця стаття. Мета досліджень. Розробка і вдосконалення методів збору даних з вузлів безпроводової сенсорної мережі із використанням телекомунікаційних аероплатформ. Методика реалізації. Проаналізовані задачі керування безповодовими сенсорними мережами із телекомунікаційними аероплатформами. Синтезовані методи та алгоритми моніторингу. Побудовані математичні моделі: кластерізації безпроводових сенсорних мереж; оцінки енерговитрат вузлів мережі; часу збору даних; якості збору і передачі даних моніторингу. Удосконалено методи пошуку положення та керування рухом телекомунікаційних аероплатформ. Виконана оцінка ефективності запропонованих методів. Результати досліджень. Результати імітаційного моделювання показали, що використання синтезованих методів дозволяє: зменшити час збору інформації на 15-20 %; збільшити час функціонування мережі на 10-15 %; зменшити необхідну кількість аероплатформ на 10%. Висновки. Синтезовані методи дозволяють: визначити положення та траєкторію руху телекомунікаційної аероплатформи при оптимізації різних цільових функцій; виконати керування системою збору даних у реальному часі; підвищити ефективність алгоритмічного забезпечення системи керування функціонуванням безпроводової сенсорної мережі.Background. Wireless sensor networks using telecommunication airplatforms for monitoring data collection belong to the class of complex, multifunctional, dynamic systems. To increase the efficiency of functioning of this class of networks, it is necessary to develop methods that allow achieving various target functions of network management: increase the time of network functioning, reduce the time of data collection, minimize the resources consumed. An integral part of the wireless sensor network management system is the subsystem of control over data collection from nodes using telecommunication airplatforms. When managing the process of data collection there are scientific tasks: finding the minimum number of points (nodes) of data collection, building the shortest flight routes of these points, defining flight strategies, ensuring the quality of data exchange, increasing the time of network operation. At present, there are no effective methods and algorithms to solve these scientific problems. This article is dedicated to the synthesis of methods that solve these problems. Objective. The purpose of the paper is development and improvement of monitoring data collection methods from wireless sensor network nodes on the basis of motion and positioning control of telecommunication air platforms. Methods. The analysis of initial data was performed and the main stages for synthesis of monitoring data collection methods by telecommunication airplatforms in wireless sensory networks were considered. The following mathematical models are proposed: clustering of wireless sensors networks; estimation of network nodes power consumption; time of data collection; quality of monitoring data collection and transmission. The algorithms of search of position and movement of telecommunication airplatforms for achievement of the given control objectives at monitoring data collection are improved. The effectiveness of the proposed methods of monitoring data collection has been assessed. Results. The results of simulation modeling showed that using the proposed models and algorithms in the implementation of monitoring data collection methods from nodes using telecommunication airplatforms allows: reducing data collection time by 15-20%; increasing network operation time by 10-15%; reducing the required number of telecommunications airplatforms to 15%. Conclusions. The synthesized methods make it possible to: determine the position and trajectory of telecommunication airplatforms when optimizing various target functions; perform real-time control; plan the trajectory of telecommunication airplatforms; improve the efficiency of algorithmic and mathematical support of network control system.Проблематика. Беспроводные сенсорные сети с использованием телекоммуникационных аэроплатформ, относятся к классу сложных, многофункциональных, динамических систем. Для повышения технической эффективности этих беспроводных сетей необходимо разработать методы увеличения времени функционирования сетей, уменьшения времени сбора данных, минимизации расходуемых ресурсов. Составной частью беспроводной сенсорной сети является подсистема управления сбором данных с узлов с использованием телекоммуникационных аэроплатформ. При управлении процессом сбора данных возникают научные задачи: нахождения минимального количества точек (узлов) сбора данных, построения кратчайших маршрутов облета этих точек, определений стратегий облета, обеспечения качества обмена данными, увеличения времени функционирования сети. В настоящее время отсутствуют эффективные методы и алгоритмы для решения этих научных задач. Синтезу методов, которые решают данные задачи посвящена данная статья. Цель исследований. Разработка и совершенствование методов сбора данных с узлов беспроводных сенсорных сетей с управлением перемещением и позиционированием телекоммуникационных аэроплатформ. Методика реализации. Проанализированы задачи управления беспроводными сенсорными сетями с телекоммуникационными аероплатформами. Синтезированы методы и алгоритмы сбора данных мониторинга телекоммуникационными аероплатформами. Предложены математические модели: кластеризации беспроводных сенсорных сетей; оценки энергозатрат затрат узлов; времени сбора данных; качества сбора и передачи данных мониторинга. Усовершенствованы алгоритмы поиска положения и перемещения телекоммуникационных аэроплатформ для достижения заданных целей управления при сборе данных мониторинга. Оценена эффективность предложенных методов сбора данных мониторинга. Результаты исследований. Результаты имитационного моделирования показали, что использование синтезированных методов позволяет: уменьшает время сбора данных на 15-20%; увеличить время функционирования сети на 10-15%; уменьшить на 15% необходимое количество телекоммуникационных аэроплатформ. Выводы. Синтезированные методы позволяют: определять положение и траекторию движения телекоммуникационных аэроплатформ при оптимизации различных целевых функций; осуществлять управление в режиме реального времени; оперативно планировать траекторию перемещения телекоммуникационных аэроплатформ; повысить эффективность алгоритмического и математического обеспечения системы управления сетью

Розвиток методів позиціонування, локалізації та збору даних із вузлів бездротової мобільної сенсорної мережі з використанням інтелектуальних адаптивних телекомунікаційних аероплатформ

Проблематика. У статті наведено результати дослідження методів позиціонування, локалізації та збору даних з вузлів мобільної бездротової сенсорної мережі з використанням інтелектуальних адаптивних телекомунікаційних повітряних платформ. Для реалізації дослідження цієї теми дослідження було проведено аналіз літературних джерел на цю тему. Грунтуючись на досить багатому бібліографічному матеріалі, основне завдання даної роботи – вивчити, проаналізувати та систематизувати вже відомі підходи до позиціювання об'єктів у бездротових сенсорних мережах з використанням інтелектуальних адаптивних телекомунікаційних повітряних платформ та запропонувати варіанти їх розвитку. Мета. Метою роботи є вдосконалення методів прямого збору даних ТА з вузлів БСМ, загальні напрямки синтезу яких визначено у роботі. Методи. Для вирішення сформульованої задачі були використані методи кластерного аналізу (кластеризація мережі), теорії графів (дослідження аналітичних моделей функціонування БСМ з ТА, побудова топології кластера), теорії телекомунікаційних мереж (при розрахунку пропускної спроможності в радіоканалах БСМ з ТА) та теорії (під час розробки моделі позиціонування телекомунікаційних повітряних платформ) Результати. Пропонується методика оцінки ефективності методів збору даних із бездротових сенсорних мереж за допомогою інтелектуальних адаптивних телекомунікаційних повітряних платформ. Висновки. Удосконалено метод збору даних моніторингу ТА з основних вузлів кластеризованих БСМ. Запропоновано метод оцінки ефективності методів збору даних із БСМ телекомунікаційними повітряними платформами.Background. The article presents the results of a study of methods of positioning, localization and data collection from nodes of a mobile wireless sensor network using intelligent adaptive telecommunication air platforms. To implement the study of this research topic, an analysis of literary sources on this topic was carried out. Based on a fairly rich bibliographic material, this work has the main task of examining, analyzing and systematizing already known approaches to positioning objects in wireless sensor networks using intelligent adaptive telecommunication air platforms and suggesting options for their development. Objective. The aim of the work is to improve the methods of direct data collection of TA from the nodes of BSM, the general directions of synthesis of which are defined in the work. Methods. Methods of cluster analysis (network clustering), graph theory (research of analytical models of BSM with TA functioning, construction of cluster topology), theory of telecommunication networks (when calculating bandwidth in BSM with TA radio channels) and theory were used to solve the formulated problem. (when developing a positioning model for telecommunications air platforms) Results. A technique for evaluating the effectiveness of methods for collecting data from wireless sensor networks using intelligent adaptive telecommunication air platforms is proposed. Conclusions. The method of collecting TA monitoring data from the main nodes of clustered BSM has been improved. The method of estimation of efficiency of methods of data collection with BSM by telecommunication air platforms is offered

Интелектуальная система управления для WSN и MANET

Проблематика. Запропонована нова ієрархічна модель інтелектуальної системи управління (ICS) для безпроводових сенсорних (WSN) та мобільних епізодичних мереж (MANET). Була сформульована математична постановка проблеми пошуку раціональної топології WSN з використанням безпілотних літальних апаратів (БПЛА), яка складається з проблеми локалізації сенсорів в зоні моніторингу та проблеми локалізації БПЛА ретрансляторів в просторі для організації з’язаної мережі з потрібними характеристики. Мета досліджень. Метою статті є розробка ієрархічної моделі взаємодії інтелектуальних агентів для розвитку системи управління радіомережею MANET або WSN. Методика реалізації. Використовувались математичні методи та алгоритми (теорія графів, методи векторної оптимізації, нечіткі алгоритми, алгоритми динамічного програмування) та комп'ютерне моделювання для описання ієрархічної моделі інтелектуальної системи управління для WSN та MANET. Результати досліджень. Новизна моделі полягає у використанні теорії графів для формування формального опису функціональних підсистем мережі ICS (вершини графа) та процесів їх взаємодії (ребра графа). Використання запропонованої моделі дозволяє прискорити та систематизувати процес проектування мережі з урахуванням їх функціонуючого середовища та ієрархічної структури їх ICS. Висновки. Використання технології інтелектуальних агентів та мультиагентних систем дозволяє мінімізувати трафік сервісу та більш ефективно використовувати мережеві та вузлові ресурси.Background. New hierarchical model of intelligent control system (ICS) for wireless sensor (WSN) and mobile adhoc networks (MANET) is proposed. There was formulated a mathematical statement of the problem of finding a rational WSN topology using unmaned aerial vehicals (UAVs), which consists of a problem of sensor localization in monitoring zone and a problem of UAV relay localization in the space for the organization of connected network with desired characteristics. Objective. The aim of the paper is to develop the hierarchical model for intelligent agents interaction for the MANET or sensor class radio network control system development. Methods. We use mathematical methods and algorithms (graph theory, vector optimization methods, fuzzy algorithms, dynamic programming algorithm) and computer simulation to describe hierarchical model of intelligent control system for WSN and MANET. Results. The novelty of the model lies in using the graph theory to make a formal description of the functional subsystems of the network ICS (vertices of the graph) and their interaction processes (edges of the graph). Using the proposed model can accelerate and systemize the network design process considering their functioning environment and hierarchical structure of their ICS. Conclusions. Using the intellectual agents technology and multiagent systems allows minimizing the service traffic and use network and node resources more efficiently.Проблематика. Предложена новая иерархическая модель интеллектуальной системы управления (ICS) для беспроводных сенсорных (WSN) и мобильных эпизодических сетей (MANET). Была сформулирована математическая постановка проблемы поиска рациональной топологии WSN с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которая состоит из проблемы локализации сенсоров в зоне мониторинга и проблемы локализации БПЛА ретрансляторов в пространстве для организации связанной сети с нужными характеристиками. Цель исследований. Целью статьи является разработка иерархической модели взаимодействия интеллектуальных агентов для развития системы управления радиосетью MANET или WSN. Методика реализации. Использовались математические методы и алгоритмы (теория графов, методы векторной оптимизации, нечеткие алгоритмы, алгоритмы динамического программирования) и компьютерное моделирование для описания иерархической модели интеллектуальной системы управления для WSN и MANET. Результаты исследований. Новизна модели заключается в использовании теории графов для формирования формального описания функциональных подсистем сети ICS (вершины графа) и процессов их взаимодействия (ребра графа). Использование предложенной модели позволяет ускорить и систематизировать процесс проектирования сети с учетом их функционирующего среды и иерархической структуры их ICS. Выводы. Использование технологии интеллектуальных агентов и мультиагентных систем позволяет минимизировать трафик сервиса и более эффективно использовать сетевые и узловые ресурсы

Обоснование целесообразности создания сверхнизкоорбитальных систем связи на базе малых спутников и метод конструирования их орбит

Проблематика. Стаття присвячена обґрунтуванню підходу до вирішення глобальної проблеми для людства: створення технології супутникового зв'язку, яка не засмічує космос сміттям. Наднизькоорбітальні супутникові системи зв'язку - це системи зв'язку з кластерними (розподіленими) супутниками, які утворюють угруповання (армаду) малих, понад малих, нано-, піко- супутників, які переміщаються по орбітах близьким до щільних шарів атмосфери Землі («ковзаючи» по верхній кромці щільного шару атмосфери Землі - «змінна» орбіта). Рух по такій орбіті малогабаритного апарату (при умові не включення двигуна) призводить до його швидкого гальмування і повного згоряння в атмосфері Землі, тобто повне очищення орбіти без створення космічного сміття. Мета досліджень. Обґрунтувати доцільність і можливість створення і підтримки функціонування економічно вигідної, не забруднюючої космос, глобальної системи супутникового зв'язку, побудованої з використанням малих (міні-, нано-, піко-) супутників. Методика реалізації. Запропоновано теоретичний підхід, що дозволяє конструювати орбіти міні нано- та пікосупутників на основі використання національного науково-технічного доробку. Результати досліджень. Для підвищення ефективності використання авіаційно-космічних систем при створенні і підтримці життєвого циклу наднизькоорбітальних супутникових систем зв'язку в статті розроблений метод конструювання наднизькоорбітальних кластерів наносупутників (малих супутників). Висновки. Викладено метод компонування орбіт розподіленими супутниками. Кількісно оцінено технологічні можливості України по реалізації методу за допомогою національних авіаційно-космічних систем. В Україні є науково-технічний і технологічний доробок в області авіаційно-космічних систем – це «літаючі космодроми» Ан-124-100 і Ан-225.Background. The article is devoted to the substantiation of the approach to solving the global problem for mankind: the creation of satellite communications technology that does not pollute space with debris. Ultra-low-orbit satellite communication systems (ULO SCS) are communication systems with cluster (distributed) satellites that form a grouping (armada) of small, ultra-small, nano-, pico-satellites that move in orbits close to the dense layers of the Earth’s atmosphere (sliding on the upper edge of the dense layer of the Earth’s atmosphere - a sliding orbit). The motion in such orbit of a small-sized apparatus (provided that the engine is not started) leads to its rapid deceleration and complete combustion in the Earth’s atmosphere, i.e. complete orbit purification from space debris. Objective. To justify the feasibility and the possibility of creating and maintaining the functioning of an economical, nonpolluting space, global satellite communications system built using small (mini-, nano-, pico-) satellites. Methods. The theoretical approach is proposed that allows constructing the orbits of mini-nano- and picosatellites based on the use of the national design groundwork. Results. The article developed a method for constructing ultra-low orbit clusters of nano-satellites (small satellites) to increase the efficiency of using aerospace systems when creating and maintaining the life cycle of ULO SCS. Conclusions. The method of orbits arrangement by distributed satellites is described. The technological capabilities of Ukraine to implement the method using national aerospace systems are quantified. There is scientific, technical and technological groundwork in the field of AS in Ukraine - these are the “flying cosmodromes” of An-124-100 and An-225 airplanes