Розробка модифікації методу безпосереднього збору даних телекомунікаційною аероплатформою з вузлів безпроводових сенсорних мереж

Автор(и)

  • Андрій Геннадійович Гримуд Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації імені Героїв Крут, Україна https://orcid.org/0000-0003-4012-5185
  • Валерій Антонович Романюк Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації імені Героїв Крут, Україна https://orcid.org/0000-0002-6218-2327

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263559

Ключові слова:

безпроводові сенсорні мережі, кластеризація, траєкторія польоту, телекомунікаційна аероплатформа, збір даних

Анотація

Безпровідні сенсорні мережі відіграють все більшого значення як в цивільній так і в військовій сферах. Об’єктом дослідження виступає процес збору даних телекомунікаційною аероплатформою з вузлів мережі в умовах їх віддаленості від телекомунікаційної інфраструктури. Більшість існуючих публікації розглядають рішення лише часткових задач процесу збору даних телекомунікаційною аероплатформою: кластеризація мережі, пошук найкоротшого маршруту обльоту, мінімізація витрат енергії вузлів тощо. Тому пропонується вдосконалений метод безпосереднього збору даних телекомунікаційною аероплатформою, якій послідовно та комплексно вирішує ці завдання. На від відміну існуючих методів він враховує декілька цільових функцій (оптимізація часу збору даних телекомунікаційною аероплатформою та часу функціонування мережі), параметри стану вузлів та кластерів, дозволяє отримувати рішення в реальному часі. Особливістю запропонованого методу є пошук оптимального рішення за ієрархією: мережа – кластер – вузол. На мережевому рівні оптимізується: кількість кластерів певної розмірності та траєкторія обльоту кластерів. На рівні кластера визначаються точки (інтервали) збору даних при зависанні (в русі) телекомунікаційної аероплатформи та траєкторія її польоту в кластері. На рівні вузла мінімізуються його енерговитрати за рахунок зменшення відстані до телекомунікаційної аероплатформи. Траєкторія руху платформи в кластері розраховується згідно розробленої бази правил. Правила реалізують метод ситуаційного управління. Умовами застосування є параметри стану вузлів, рішеннями – параметри траєкторії телекомунікаційної аероплатформи та інтервали збору даних. Правила враховують пріоритет цільових функцій, стан параметрів вузлів кластерів, прийняте раніше базове рішення по траєкторії обльоту. Результати імітаційного моделювання свідчать, що застосування методу дозволяє скоротити час збору даних до 15 % або збільшити час функціонування мережі до 17 %

Біографії авторів

Андрій Геннадійович Гримуд, Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації імені Героїв Крут

Ад'юнкт

Кафедра автоматизованих систем управління

Валерій Антонович Романюк, Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації імені Героїв Крут

Доктор технічних наук, професор

Кафедра автоматизованих систем управління

Посилання

  1. Popescu, Stoican, Stamatescu, Chenaru, Ichim (2019). A Survey of Collaborative UAV–WSN Systems for Efficient Monitoring. Sensors, 19 (21), 4690. doi: https://doi.org/10.3390/s19214690
  2. Nguyen, M. T., Nguyen, C. V., Do, H. T., Hua, H. T., Tran, T. A., Nguyen, A. D. et. al. (2021). UAV-Assisted Data Collection in Wireless Sensor Networks: A Comprehensive Survey. Electronics, 10 (21), 2603. doi: https://doi.org/10.3390/electronics10212603
  3. Jawhar, I., Mohamed, N., Al-Jaroodi, J. (2015). UAV-based data communication in wireless sensor networks: Models and strategies. 2015 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). doi: https://doi.org/10.1109/icuas.2015.7152351
  4. Romaniuk, V., Lysenko, O., Romaniuk, A., Zhuk, O. (2020). Increasing the efficiency of data gathering in clustered wireless sensor networks using UAV. Information and Telecommunication Sciences, 1, 102–107. doi: https://doi.org/10.20535/2411-2976.12020.102-107
  5. Alfattani, S., Jaafar, W., Yanikomeroglu, H., Yongacoglu, A. (2019). Multi-UAV Data Collection Framework for Wireless Sensor Networks. 2019 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). doi: https://doi.org/10.1109/globecom38437.2019.9014306
  6. Qi, N., Wang, W., Ye, D., Wang, M., Tsiftsis, T. A., Yao, R. (2021). Energy‐efficient full‐duplex UAV relaying networks: Trajectory design for channel‐model‐free scenarios. ETRI Journal, 43 (3), 436–446. doi: https://doi.org/10.4218/etrij.2020-0060
  7. Ho, D.-T., Grotli, E. I., Sujit, P. B., Johansen, T. A., Sousa, J. B. (2013). Cluster-based communication topology selection and UAV path planning in wireless sensor networks. 2013 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). doi: https://doi.org/10.1109/icuas.2013.6564674
  8. Romaniuk, A., Samberg, A. (2021). Direct data collection method by telecommunications aerial platforms from the wireless sensor network nodes. Information and Telecommunication Sciences, 1, 12–23. doi: https://doi.org/10.20535/2411-2976.12021.12-23
  9. Jasim, A. A., Idris, M. Y. I., Razalli Bin Azzuhri, S., Issa, N. R., Rahman, M. T., Khyasudeen, M. F. b. (2021). Energy-Efficient Wireless Sensor Network with an Unequal Clustering Protocol Based on a Balanced Energy Method (EEUCB). Sensors, 21 (3), 784. doi: https://doi.org/10.3390/s21030784
  10. Rashed, S., Soyturk, M. (2017). Analyzing the Effects of UAV Mobility Patterns on Data Collection in Wireless Sensor Networks. Sensors, 17(2), 413. doi: https://doi.org/10.3390/s17020413
  11. Huang, W., Yu, J. X. (2017). Investigating TSP Heuristics for Location-Based Services. Data Science and Engineering, 2 (1), 71–93. doi: https://doi.org/10.1007/s41019-016-0030-0
  12. Isaacs, J., Hespanha, J. (2013). Dubins Traveling Salesman Problem with Neighborhoods: A Graph-Based Approach. Algorithms, 6 (1), 84–99. doi: https://doi.org/10.3390/a6010084
  13. Yue, W., Jiang, Z. (2018). Path Planning for UAV to Collect Sensors Data Based on Spiral Decomposition. Procedia Computer Science, 131, 873–879. doi: https://doi.org/10.1016/j.procs.2018.04.291
  14. Chengliang, W, Jun-hui, Y. (2015). Path Planning for UAV to Collect Sensor Data in Large-Scale WSNs. Transaction of Beijing Institute of Technology, 35, 1044–1049.
  15. Nitesh, K., Jana, P. K. (2019). Convex hull based trajectory design for mobile sink in wireless sensor networks. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, 30 (1), 26. doi: https://doi.org/10.1504/ijahuc.2019.097092
  16. Jodeh, N. M., Cobb, R., Livermore, R. A. (2016). Optimal Flight Paths in Wireless Sensor Networks: Modeling, Simulation, and Flight Test. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. doi: https://doi.org/10.2514/6.2016-0383
  17. Pan, Y., Yang, Y., Li, W. (2021). A Deep Learning Trained by Genetic Algorithm to Improve the Efficiency of Path Planning for Data Collection With Multi-UAV. IEEE Access, 9, 7994–8005. doi: https://doi.org/10.1109/access.2021.3049892
  18. Rezende, J. da C. V., Silva, R. I. da, Souza, M. J. F. (2020). Gathering Big Data in Wireless Sensor Networks by Drone. Sensors, 20 (23), 6954. doi: https://doi.org/10.3390/s20236954
  19. Ebrahimi, D., Sharafeddine, S., Ho, P.-H., Assi, C. (2019). UAV-Aided Projection-Based Compressive Data Gathering in Wireless Sensor Networks. IEEE Internet of Things Journal, 6 (2), 1893–1905. doi: https://doi.org/10.1109/jiot.2018.2878834
  20. Zhan, C., Zeng, Y., Zhang, R. (2018). Energy-Efficient Data Collection in UAV Enabled Wireless Sensor Network. IEEE Wireless Communications Letters, 7 (3), 328–331. doi: https://doi.org/10.1109/lwc.2017.2776922
  21. Nazib, R. A., Moh, S. (2021). Energy-Efficient and Fast Data Collection in UAV-Aided Wireless Sensor Networks for Hilly Terrains. IEEE Access, 9, 23168–23190. doi: https://doi.org/10.1109/access.2021.3056701
  22. Ho, D.-T., Grotli, E. I., Johansen, T. A. (2013). Heuristic algorithm and cooperative relay for energy efficient data collection with a UAV and WSN. 2013 International Conference on Computing, Management and Telecommunications (ComManTel). doi: https://doi.org/10.1109/commantel.2013.6482418
  23. Say, S., Inata, H., Liu, J., Shimamoto, S. (2016). Priority-Based Data Gathering Framework in UAV-Assisted Wireless Sensor Networks. IEEE Sensors Journal, 16 (14), 5785–5794. doi: https://doi.org/10.1109/jsen.2016.2568260
  24. Anwit, R., Tomar, A., Jana, P. K. (2020). Scheme for tour planning of mobile sink in wireless sensor networks. IET Communications, 14 (3), 430–439. doi: https://doi.org/10.1049/iet-com.2019.0613
  25. Pang, A., Chao, F., Zhou, H., Zhang, J. (2020). The Method of Data Collection Based on Multiple Mobile Nodes for Wireless Sensor Network. IEEE Access, 8, 14704–14713. doi: https://doi.org/10.1109/access.2020.2966652
  26. Ghdiri, O., Jaafar, W., Alfattani, S., Abderrazak, J. B., Yanikomeroglu, H. (2021). Offline and Online UAV-Enabled Data Collection in Time-Constrained IoT Networks. IEEE Transactions on Green Communications and Networking, 5 (4), 1918–1933. doi: https://doi.org/10.1109/tgcn.2021.3104801
  27. Zagoruyko, N. G. (1999). Prikladnye metody analiza dannykh i znaniy. Novosibirsk: IM SO RAN, 270.
  28. Rahman, S. ur, Cho, Y.-Z. (2018). UAV positioning for throughput maximization. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2018 (1). doi: https://doi.org/10.1186/s13638-018-1038-0
  29. Hrymud, A., Romaniuk, V. (2022). Flight trajectory search model of a telecommunications aerial platform for collecting data from nodes of a clustered military wireless sensor network. Zbirnyk naukovykh prats Tsentru voienno-stratehichnykh doslidzhen NUOU imeni Ivana Cherniakhovskoho, 1 (74), 118–128. doi: https://doi.org/10.33099/2304-2745/2022-1-74/118-128

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-08-31

Як цитувати

Гримуд, А. Г., & Романюк, В. А. (2022). Розробка модифікації методу безпосереднього збору даних телекомунікаційною аероплатформою з вузлів безпроводових сенсорних мереж . Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(9(118), 15–29. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263559

Номер

Том 4 № 9(118) (2022): Інформаційно-керуючі системи

Розділ

Інформаційно-керуючі системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Andrii Hrymud, Valery Romaniuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.