Метод и алгоритм обработки сообщений в беспроводных сенсорных сетях

Актуальность исследования подтверждается его соответствием Указу Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ» в части направления «Информационно-телекоммуникационные системы». Существующие алгоритмы обработки данных от сенсоров сети на основе метаданных в соответствующих полях сетевых пакетов обладают либо недостаточной достоверностью, которая требует избыточных сеансов связи и дополнительных энергозатрат, либо требуют большого объёма передаваемой метаинформации, что требует более длительных сеансов связи и также ведёт к дополнительным энергозатратам. Устранение выявленного противоречия требует решения научно-технической задачи разработки метода и алгоритма формирования и обработки служебной информации в беспроводных сенсорных сетях, которые, с одной стороны сократят объём передаваемых служебных данных, тем самым повысив энергоэффективность узлов беспроводной сенсорной сети, их автономность и срок службы, а с другой – обеспечат требуемую достоверность опознавания источника сообщения со стороны главного модуля сбора информации и управления. Объект исследования: распределённые информационно-управляющие системы на базе беспроводных сенсорных сетей. Предмет исследования: методы и алгоритмы формирования и обработки дополнительных служебных данных в сообщениях сенсорных сетей. Целью диссертационной работы является снижение ресурсных затрат на передачу служебной информации в сообщениях, формируемых сенсорами системы управления, при сохранении достоверности обработки служебных данных отдельного сенсора. Задачи исследований: 1. Проведение аналитического обзора известных методов и алгоритмов повышения энергоэффективности сенсоров беспроводных сенсорных сетей. 2. Создание метода определения сообщений, формируемых элементами беспроводных сенсорных сетей, ориентированного на снижение объёма передаваемой в сообщении служебной информации снижения энергопотребления сенсора. 3. Разработка алгоритмов обработки служебной информации сообщений сенсора распредёлённой информационно-управляющей системы по результатам анализа служебной информации в составе таких сообщений. 4. Разработка математических моделей обработки служебной информации, содержащейся в сообщениях сенсора беспроводной сенсорной сети для определения целесообразных параметров обработки сообщений. Новыми научными результатами являются: 1. Метод определения источника сообщений ограниченного размера в беспроводных сенсорных сетях, отличающийся исключением из обработки сообщений по результатам анализа позиции сообщения в последовательности и кодограммы, сформированной из данных предыдущих сообщений, позволяющий уменьшить размер служебных данных в каждом сообщении, повысив энергоэффективность узлов беспроводной сенсорной сети, формирующих сообщения. 2. Алгоритм обработки служебной информации в сообщениях от узла беспроводной сенсорной сети, отличающийся параллельным выполнением операций формирования и обработки динамической списочной структуры, содержащей указатели на буферизированные данные сообщений, позволяющий за счёт изменения параметров обработки достигать требуемых показателей достоверности при снижении размеров памяти, требуемой для хранения динамической списочной структуры. 3. Математическая модель обработки множества сообщений элементом распределённой информационно-управляющей системы, созданная на основе аппарата теории вероятности и теории случайных процессов, отличающаяся представлением результата декодирования позиции сообщения в последовательности как дискретного случайного процесса, позволившая определить целесообразные параметры обработки служебной информации в сообщениях узла беспроводной сенсорной сети. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректным и обоснованным применением методов системного анализа, аппарата математической логики, положений и методов теории вероятностей, теории случайных процессов и математической статистики, а также подтверждается имитационным моделированием с использованием разработанного программного обеспечения. Практическая ценность результатов исследований: 1. Разработанные метод и алгоритм определения источника сообще-ний позволяют при неизменном размере полей метаданных в сообщениях сенсора беспроводной сенсорной сети снизить вероятность определения источника сообщения о 0.2… 0.6 до 0.1…0.15 на последовательность 10 - 25 сообщений без увеличения размеров таких полей, что происходит в области максимального значения частной производной функции вероятности ошибки по длине дополнительного поля метаданных каждого сообщения БСС, используемого для определения его источника 2. Предложено изменение форматов сообщений сенсоров беспроводных сенсорных сетей, в основе которого лежит кодирование в режиме сцепления блоков и обработка метаданных сообщения в центральном модуле сбора и обработки информации распределённой информационно-управляющей системы, реализованной по технологии беспроводной сенсорной сети, которое обеспечивает итоговое снижение доли служебной информации в каждом передаваемом сообщении от 2.5% до 9 % по сравнению с используемыми протоколами и известными решениями для определения источника сообщения. 3. Созданные модели обработки информации от множества сенсоров в центральном модуле беспроводной сенсорной сети дали оценки потребности в регистровой памяти и числе элементарных операций, которые показали, что для обработки данных от более чем ста сенсоров пригодны современные микросхемы без использования дополнительной оперативной памяти. 4. Исключение из обработки части сообщений в центральном модуле сбора и обработки информации беспроводной сенсорной сети при определении источников сообщений от множества сенсоров позволило дополнительно к известным методам повышения энергоэффективности сенсора снизить объём передаваемых каждым сенсором данных на 5 – 12 %, и за счёт сокращения времени передачи данных снизить энергопотребление узлов беспроводной сенсорной сети на 4 – 10%. Результаты полученных в диссертации теоретических, прикладных и экспериментальных исследований внедрены в ООО «ВТИ-Сервис» и используются в учебном процессе Юго-Западного государственного университета.