Розробка методів моніторингу та оптимізації підземних дренажних систем з використанням бездротових сенсорних мереж та ультраширокосмугових антен

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.310360

Ключові слова:

ультраширокий діапазон, оптимізація антени, GPON, енергоефективність, довговічність мережі, нейронні мережі

Анотація

Це дослідження зосереджено на оптимізації ультраширокосмугових (УШС) антен, які є критично важливими в сучасних системах зв’язку завдяки їх широкому діапазону частот (3,1–10,6 ГГц) і високим можливостям передачі даних. У дослідженні розглядається проблема оптимізації ключових параметрів антени, таких як зворотні втрати, пікове посилення та ефективність випромінювання, а також забезпечення енергоефективності та довговічності мережі. Традиційні методи оптимізації, такі як LEACH-C, часто не в змозі збалансувати ці фактори, що призводить до неоптимальної продуктивності.

Щоб вирішити цю проблему, було розроблено нейромережу Generalized Position-based Optimization Neural Network (GPON) для оптимізації УШС антени. Здійснено оцінку методу гібридної нейронної мережі на основі позиції (ПНМ), порівнявши його продуктивність з існуючими алгоритмами, включаючи LEACH-C, алгоритм Firefly, HFAPSO, FA-ANN і HWOABCA. Модель GPON зменшила зворотні втрати до 25,5 дБ на 3,5 ГГц і покращила пікове посилення до 4,2 дБ i, зберігаючи ефективність випромінювання на 92 %. Навпаки, PAN продемонстрував покращення залишкової енергії на 15–25 % і подовжив термін служби мережі на 20 % порівняно з LEACH-C.

Ці вдосконалення відбулися завдяки інтеграції передових методів нейронної мережі в GPON і ефективному використанню позиційних даних у ПНМ, що забезпечує більш точну та адаптивну оптимізацію. Здатність збалансувати декілька показників продуктивності одночасно – це проблема, з якою боролися попередні моделі – є ключовою особливістю. Цей баланс має вирішальне значення для УШС антен у системах зв’язку, де продуктивність та енергоефективність є життєво важливими. Висновки особливо актуальні для практичних застосувань у бездротових сенсорних мережах, мобільному зв’язку та радарних системах, що вимагають довгострокової надійності мережі та оптимальної продуктивності антени

Біографії авторів

Kabi Yelikbay, ALT University

Doctoral Student

Department Information and Communication Technologies

Pramod Kumar, CMR Engineering College

Associate Professor, AIML (ECE)

Department of Electronics and Communication Engineering

Ruslan Kassym, ALT University; University of Jaén

Supervisor Project, Researcher

Tansaule Serikov, S.Seifullin Kazakh Agrotechnical Research University

Doctor PhD

Department of Information and Communication Technology

Maxat Orunbekov, ALT University

Senior Lecturer

Department Information and Communication Technologies

Ayinuer Turdy, ALT University

Senior Lecturer

Department Information and Communication Technologies

Marzhan Temirbekova, ALT University

PhD, Associate Professor

Arai Tolegenova, S.Seifullin Kazakh Agrotechnical Research University

PhD, Associate Professor

Department of Information and Communication Technology

Akmaral Tlenshiyeva, ALT University

Senior Lector

Department Information and Communication Technologies

Makbal Kassymova, S.Seifullin Kazakh Agrotechnical Research University

Researcher

Department of Information and Communication Technology

Посилання

  1. Muragesh, S. K., Rao, S. (2014). Automated internet of things for underground drainage and manhole monitoring system for metropolitan cities. International Journal of Information & Computation Technology, 4 (12), 1211–1220. Available at: https://www.ripublication.com/irph/ijict_spl/ijictv4n12spl_14.pdf
  2. Haswani, N. G., Deore, P. J. (2018). Web-Based Realtime Underground Drainage or Sewage Monitoring System Using Wireless Sensor Networks. 2018 Fourth International Conference on Computing Communication Control and Automation (ICCUBEA). https://doi.org/10.1109/iccubea.2018.8697512
  3. See, C. H., Kosha, J., Mshwat, W. A., Abd‐Alhameed, R. A., Ong, F. L. C., McEwan, N. J., Excell, P. S. (2019). Design of mobile band subsurface antenna for drainage infrastructure monitoring. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 13 (13), 2380–2385. https://doi.org/10.1049/iet-map.2019.0243
  4. Huang, G.-L., Zhou, S.-G., Chio, T.-H. (2017). Highly-Efficient Self-Compact Monopulse Antenna System With Integrated Comparator Network for RF Industrial Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64 (1), 674–681. https://doi.org/10.1109/tie.2016.2608769
  5. Liu, G., Wang, Z., Jiang, T. (2016). QoS-Aware Throughput Maximization in Wireless Powered Underground Sensor Networks. IEEE Transactions on Communications, 64 (11), 4776–4789. https://doi.org/10.1109/tcomm.2016.2602863
  6. Kunsei, H., Bialkowski, K. S., Alam, M. S., Abbosh, A. M. (2018). Improved Communications in Underground Mines Using Reconfigurable Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 66 (12), 7505–7510. https://doi.org/10.1109/tap.2018.2869250
  7. Salam, A., Vuran, M. C., Dong, X., Argyropoulos, C., Irmak, S. (2019). A Theoretical Model of Underground Dipole Antennas for Communications in Internet of Underground Things. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 67 (6), 3996–4009. https://doi.org/10.1109/tap.2019.2902646
  8. Shakila, R., Paramasivan, B. (2020). RETRACTED ARTICLE: An improved range based localization using Whale Optimization Algorithm in underwater wireless sensor network. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing, 12 (6), 6479–6489. https://doi.org/10.1007/s12652-020-02263-w
  9. Alhawari, A. R. H., Majeed, S. F., Saeidi, T., Mumtaz, S., Alghamdi, H., Hindi, A. T. et al. (2021). Compact Elliptical UWB Antenna for Underwater Wireless Communications. Micromachines, 12 (4), 411. https://doi.org/10.3390/mi12040411
  10. Mir, Z. H., Ko, Y.-B. (2020). Self-Adaptive Neighbor Discovery in Wireless Sensor Networks with Sectored-Antennas. Computer Standards & Interfaces, 70, 103427. https://doi.org/10.1016/j.csi.2020.103427
  11. Ranjan, A., Sahu, H. B., Misra, P. (2020). Modeling and measurements for wireless communication networks in underground mine environments. Measurement, 149, 106980. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.106980
  12. Nishikawa, Y., Sasamura, T., Ishizuka, Y., Sugimoto, S., Iwasaki, S., Wang, H. et al. (2018). Design of stable wireless sensor network for slope monitoring. 2018 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNet). https://doi.org/10.1109/wisnet.2018.8311550
  13. Salam, A., Vuran, M. C., Irmak, S. (2019). Di-Sense: In situ real-time permittivity estimation and soil moisture sensing using wireless underground communications. Computer Networks, 151, 31–41. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2019.01.001
  14. Pasupathi, S., Vimal, S., Harold-Robinson, Y., Khari, M., Verdú, E., Crespo, R. G. (2020). Energy efficiency maximization algorithm for underwater Mobile sensor networks. Earth Science Informatics, 14 (1), 215–225. https://doi.org/10.1007/s12145-020-00478-1
  15. Singh, A., Mehra, R. M., Pandey, V. K. (2020). Design and Optimization of Microstrip Patch Antenna for UWB Applications Using Moth–Flame Optimization Algorithm. Wireless Personal Communications, 112 (4), 2485–2502. https://doi.org/10.1007/s11277-020-07160-1
  16. Soothar, P., Wang, H., Muneer, B., Dayo, Z. A., Chowdhry, B. S. (2019). A Broadband High Gain Tapered Slot Antenna for Underwater Communication in Microwave Band. Wireless Personal Communications, 116 (2), 1025–1042. https://doi.org/10.1007/s11277-019-06633-2
  17. Anveshkumar, N., Gandhi, A. S. (2017). Design and performance analysis of a modified circular planar monopole UWB antenna. 2017 8th International Conference on Computing, Communication and Networking Technologies (ICCCNT), 19, 1–5. https://doi.org/10.1109/icccnt.2017.8203970
  18. Li, Y.-L., Shao, W., You, L., Wang, B.-Z. (2013). An Improved PSO Algorithm and Its Application to UWB Antenna Design. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 12, 1236–1239. https://doi.org/10.1109/lawp.2013.2283375
  19. Tiemann, J., Pillmann, J., Wietfeld, C. (2017). Ultra-Wideband Antenna-Induced Error Prediction Using Deep Learning on Channel Response Data. 2017 IEEE 85th Vehicular Technology Conference (VTC Spring). https://doi.org/10.1109/vtcspring.2017.8108571
  20. Yunus, F., Ariffin, S. H. S., Zahedi, Y. (2010). A Survey of Existing Medium Access Control (MAC) for Underwater Wireless Sensor Network (UWSN). 2010 Fourth Asia International Conference on Mathematical/Analytical Modelling and Computer Simulation. https://doi.org/10.1109/ams.2010.110
  21. Sultan, A., Yermoldina, G., Kassym, R., Serikov, T., Bekbosynov, S., Yernazarov, N. et al. (2024). Research and construction of an adaptive drive with increased efficiency based on a balancing friction clutch. Vibroengineering Procedia, 54, 334–340. https://doi.org/10.21595/vp.2024.23971
  22. Bimurzaev, S., Aldiyarov, N., Yerzhigitov, Y., Tlenshiyeva, A., Kassym, R. (2023). Improving the resolution and sensitivity of an orthogonal time-of-flight mass spectrometer with orthogonal ion injection. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (5 (126)), 43–54. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.290649
  23. Baibolov, A., Sydykov, S., Alibek, N., Tokmoldayev, A., Turdybek, B., Jurado, F., Kassym, R. (2022). Map of zoning of the territory of Kazakhstan by the average temperature of the heating period in order to select a heat pump system of heat supply: A case study. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 44 (3), 7303–7315. https://doi.org/10.1080/15567036.2022.2108168
  24. Utegenova, A., Bapyshev, A., Suimenbayeva, Z., Aden, A., Kassym, R., Tansaule, S. (2023). Development system for coordination of activities of experts in the formation of machineschetable standards in the field of military and space activities based on ontological engineering: a case study. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (2 (125)), 67–77. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.288542
Розробка методів моніторингу та оптимізації підземних дренажних систем з використанням бездротових сенсорних мереж та ультраширокосмугових антен

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-10-31

Як цитувати

Yelikbay, K., Kumar, P., Kassym, R., Serikov, T., Orunbekov, M., Turdy, A., Temirbekova, M., Tolegenova, A., Tlenshiyeva, A., & Kassymova, M. (2024). Розробка методів моніторингу та оптимізації підземних дренажних систем з використанням бездротових сенсорних мереж та ультраширокосмугових антен. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5 (131), 26–36. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.310360

Номер

Том 5 № 5 (131) (2024): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Kabi Yelikbay, Pramod Kumar, Ruslan Kassym, Tansaule Serikov, Maxat Orunbekov, Ayinuer Tuerdi, Marzhan Temirbekova, Arai Tolegenova, Akmaral Tlenshiyeva, Makbal Kassymova

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.