Дослідження методів кластеризації та маршрутизації для мереж Інтернету речей високої щільності
Автор: Гнідець Петро Юрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне адміністрування телекомунікаційних мереж
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Проникнення Інтернету речей (ІР) у різні сфери призводить до появи мереж високої щільності, у випадках, коли концентрація пристроїв у просторі стає великою. Це мережі в житлових або офісних багатоповерхових будівлях, а також мережі промислових підприємств, що обслуговують різні технологічні об’єкти та процеси. Ефективність функціонування мереж високої щільності більшою мірою, ніж мереж малої щільності, залежить від застосовуваних методів побудови мережі, вибору її логічної структури. Для управління мережами з великою кількістю пристроїв потрібне застосування ієрархічних структур, що дають змогу локалізувати групи (кластери) з відносно невеликою кількістю пристроїв [1-3]. Однак для вирішення цього завдання також доводиться оперувати великими кількостями. Також слід враховувати, що для розв’язання цих завдань використовуються обчислювальні засоби контролерів з відносно невисокою продуктивністю. Для побудови та забезпечення функціонування мереж інтернету речей високої щільності потрібне вдосконалення моделей і методів, що застосовуються в цих завданнях. Роль методичного забезпечення в мережах 5G істотно вища, ніж у мережах попередніх поколінь, оскільки в них більша увага приділяється завданням розподілу ресурсів, а також завданням управління.Тому можна зробити висновок, що кількісні зміни в мережах Інтернету речей призводять до дослідження моделей і методів, які дають змогу враховувати особливості мереж високої густини, а також мереж, розміщених у тривимірному просторі, під час розв’язування задач вибору логічної структури цих мереж, тобто в задачах кластеризації, виділення головних вузлів мережі, а також у задачах маршрутизації трафіку [4,5]. Об’єкт дослідження - безпровідні мережі зв’язку Інтернету речей високої щільності. Предмет дослідження - методи кластеризації та маршрутизації . Мета роботи - підвищення ефективності функціонування мереж Інтернету речей високої щільності шляхом використання методів кластеризації та маршрутизації трафіку. У першому розділі розглянуто етапи виникнення та розвитку Інтернету речей. Показано, що формування фізичної та логічної структур мережі ІР, а також управління розподілом трафіку в мережі потребують моделей і методів, здатних вирішувати ці завдання в умовах великої кількості вузлів у заданий час. Для їх ефективного використання потрібно враховувати особливості мереж високої щільності, а також особливості розподілу їхніх елементів у зоні обслуговування, що являє собою тривимірний простір. У другому розділі розглянуто методи теорії фракталів для побудови тривимірних мереж Інтернету речей високої щільності, що дає змогу визначити особливості їх структури. Під час побудови мереж із великою кількістю вузлів необхідно мати можливість виділення груп вузлів, для організації ієрархічної структури мережі та обслуговування в ній трафіку. Для кластеризації вузлів мережі пропонується метод і алгоритм, побудовані на основі методу аналізу фрактальної розмірності мережі. Запропонований метод дає змогу здійснити кластеризацію вузлів мережі, коли вони мають досить виражений розподіл за групами, що, наприклад, має місце в багатоповерхових будинках і будівлях. У третьому розділі для забезпечення функціонування мереж ІР високої щільності в тривимірному просторі розглянуто організацію ієрархічної структури, для чого необхідний вибір головних вузлів, які реалізують роль транзитних під час передавання трафіку від вузлів мережі ІР до зовнішніх мереж. Завдання вибору головних вузлів описано завданням пошуку k-кратного центру графа, для розв’язання якого можуть бути використані алгоритми отримання наближених рішень. Якість розв’язку в такому разі характеризується його розміром, що чисельно дорівнює відстані між вершинами центру і найвіддаленішим вузлом. Під час вибору алгоритму розв’язання задачі необхідно забезпечити компроміс між критеріями точності, якості розв’язку та часу його отримання. У четвертому розділі наведено метод маршрутизації трафіку в тривимірній мережі Інтернету речей високої щільності, з використанням сірого реляційного аналізу, що підвищує ефективність вибору маршруту за рахунок використання декількох критеріїв, а також дає змогу ухвалювати рішення за відносно малої кількості вихідних даних. Запропонований метод дає можливість врахувати суттєві для конкретного випадку параметри якості, набір яких може бути розширено при потребі. Слід зазначити, що розширення набору параметрів якості також потребуватиме розширення набору правил їх обчислення для маршруту. За результатами імітаційних експериментів ефективність методу становила 53% щодо однокритеріального методу. У п’ятому розділі здійснено техніко-економічне обгрунтування створення проєкту для аналізу надійності систем зв’язку. Представлено розрахунки щодо капітальних витрат на будівництво інфраструктури та експлуатаційні витрати для оренди хмарної інфраструктури. На основі здійснених обчислень підтверджено доцільність реалізації розглянутого проєкту. Ключові слова: мережі Інтернету речей; кластеризація; маршрутизація; фрактал.