Математичні моделі та алгоритми локалізації бездротових мереж
DOI:
https://doi.org/10.18372/1990-5548.83.19874Ключові слова:
бездротові сенсорні мережі, алгоритми локалізації, алгоритм DV-Hop, обчислення на основі якоря, алгоритм MDS-MAP, індикатор потужності прийнятого сигналу, час прибуття, оптимізація потужності сигналу, багатовимірне масштабування, локалізація вузлів, енергоефективність, комірчасті мережі, вимірювання відстані, середньоквадратична похибкаАнотація
У статті детально проаналізовано математичні моделі та алгоритми локалізації для бездротових сенсорних мереж, розгорнутих у середовищах з обмеженими ресурсами. Точна локалізація вузлів має вирішальне значення для забезпечення ефективності та надійності різних систем, включаючи моніторинг навколишнього середовища, реагування на стихійні лиха, промислову автоматизацію та відстеження логістики. Точна просторова інформація дозволяє обробляти дані з урахуванням контексту, покращує ефективність маршрутизації та покращує загальну продуктивність мережі. Дослідження зосереджено на кількох усталених і нових методах локалізації, включаючи алгоритм стрибка вектора відстані (DV-Hop), методи позиціонування на основі прив’язки та підхід багатовимірного масштабування (MDS-MAP). Ці алгоритми оцінюються щодо точності локалізації, обчислювальної складності, масштабованості та споживання енергії. Надається детальний огляд математичних моделей, які використовуються для оцінки відстаней на основі потужності сигналу (RSSI), часу прибуття (ToA) і різниці в часі прибуття (TDoA). Особлива увага приділяється стратегіям мінімізації помилок за допомогою фільтрів Калмана, алгоритмів згладжування та гібридних методів вимірювання. Крім того, ретельно досліджується вплив специфічних параметрів розгортання, таких як щільність вузлів, багатошляхове поширення радіосигналу, перешкоди навколишнього середовища, характеристики антени та вибір діапазону частот. Результати моделювання демонструють, що алгоритм MDS-MAP досягає найвищої точності локалізації зі значеннями середньоквадратичної помилки (RMSE) нижче 1%, хоча він вимагає значних обчислювальних ресурсів. Навпаки, більш прості методи, такі як Distance Vector-Hop або евристичні алгоритми, показують помірну точність, але вимагають менше ресурсів, що робить їх придатними для пристроїв з обмеженою обчислювальною потужністю та ємністю акумулятора. Дослідження пропонує практичні рекомендації щодо оптимізації розміщення вузлів і конфігурацій локалізації, щоб збалансувати точність і накладні витрати на систему в реальних програмах. Результати особливо актуальні для сценаріїв, де інфраструктура є обмеженою або тимчасовою, а адаптивність і стійкість до динаміки навколишнього середовища є важливими. Ця робота буде представляти значний інтерес для дослідників, інженерів і системних архітекторів, які працюють у бездротових сенсорних мережах, особливо тих, хто розробляє рішення локалізації в умовах операційних обмежень або в непередбачуваних середовищах. Він містить теоретичні знання та прикладні рекомендації для підвищення ефективності локалізації та надійності в малопотужних розподілених системах.
Посилання
P. R. Casey, K. E. Tepe, & N. Kar, “Design and implementation of a testbed for IEEE 802.15. 4 (Zigbee) performance measurements,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2010, pp. 1–11. https://doi.org/10.1155/2010/103406
L. L. Bello, & E. Toscano, “Coexistence issues of multiple co-located IEEE 802.15. 4/ZigBee networks running on adjacent radio channels in industrial environments,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 5(2), pp. 157–167, 2009. https://doi.org/10.1109/TII.2009.2018541
J. Xie, H. Wang, P. Li, & Y. Meng, Satellite navigation systems and technologies. 2021. Singapore: Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-15-4863-5
M. S. Grewal, “Global navigation satellite systems,” Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 3(4), pp. 383–384, 2011. https://doi.org/10.1002/wics.158
Jan Blumenthal, Ralf Grossmann, Frank Golatowski, Dirk Timmermann, “Weighted Centroid Localization in Zigbee-basedSensor Networks,” University of Rostock, 2012.
N. Bulusu, J. Heidemann, and D. Estrin, “GPS-less low cost outdoorlocalization for very small devices,” IEEE Personal CommunicationsMagazine, 7(5):28–34, October 2000. https://doi.org/10.1109/98.878533
V. Bondarenko, Y. Kravchenko, S. Salkutsan, and M. Tyshchenko, “Synthesis of the Structure of Multilevel Hierarchical Systems of Increased Survivability Based on a Subjective Probability Model”, IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory, ATIT`2020, Proceedings, 2000, pp. 138–142. https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349294
V. Riabtsev, Y. Kravchenko, S. Salkutsan, M. Tyshchenko, D. Sharadkin, and V. Bondarenko, “Information model of decision support in the design of information and communication systems based on the customer's profile,” IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory, ATIT`2020, Proceedings, 2000, pp. 234–237. https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349258
O. Yudin, O. Mashkov, Y. Kravchenko, A. Cherniak, S. Salkutsan, and M. Tyshchenko, “Reconfiguration of computations in multiprocessor computing system,” IEEE 3rd International Conference on Advanced Trends in Information Theory, ATIT` 2021, Proceedings, 2021, pp. 169–173. https://doi.org/10.1109/ATIT54053.2021.9678645
N. Dakhno, O. Leshchenko, Y. Kravchenko, A. Dudnik, O. Trush, and V. Khankishiev, “Dynamic model of the spread of viruses in a computer network using differential equations,” IEEE 3rd International Conference on Advanced Trends in Information Theory, ATIT` 2021, Proceedings, 2021, pp. 111–115. https://doi.org/10.1109/ATIT54053.2021.9678822
H. Khudov, K. Tahyan, V. Lishchenko, H. Misiuk, V. Bashynskyi, O. Fakadii, O. Maslenko, M. Herda, T. Lavrut, and V. Nedilskyi, “The Creation of a Hidden Radar Field for the Detection of Small Aerial Objects due to the Use of Signals from Telecommunication Systems,” International Journal of Applied Engineering and Technology, 5(3), pp. 9–17, 2023.
H. Khudov, O. Makoveichuk, V. Khudov, I. Khizhnyak, T. Kalimulin, and R. Khudov, “The Development of the Optical-Electronic Images Segmentation Method Based on the Canny Edge Detector,” 2023 IEEE 18th International Conference on Computer Science and Information Technologies (CSIT), Lviv, Ukraine, 2023, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/CSIT61576.2023.10324149
T. Domkiv, A. Dudnik, N. Dakhno, V. Kvasnikov, O. Trush, and S. Dorozhynskyi, “Development of an All-Based Method Using Blockchain Technologies and Cuda Technologies,” 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), Kyiv, Ukraine, 2020, pp. 200–205. https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349345.
N. Dakhno, O. Barabash, H. Shevchenko, O. Leshchenko, and A. Dudnik, “Integro-differential Models with a K-symmetric Operator for Controlling Unmanned Aerial Vehicles Using a Improved Gradient Method,” 2021 IEEE 6th International Conference “Actual Problems of Unmanned Aerial Vehicles Development (APUAVD), Proceedings. October 19–21, 2021, Kyiv, Ukraine. pp. 61–65. https://doi.org/10.1109/APUAVD53804.2021.9615431
A. Dudnik, O. Trush, N. Dakhno, O. Leshchenko, "Methods of Determining the Coordinates of Nodes of Wireless Computer Networks According to the Ieee 802.15.4 Standard," CEUR Workshop Proceedings, Information Technology and Implementation (IT&I-2022), November 30 – December 02, 2022, Kyiv, Ukraine, pp. 160–168, https://ceur-ws.org/Vol-3384/Short_3.pdf
A. Dudnik, D. Pokutnia, M. Kobylchuk, T. Domkiv, N. Dakhno, and O. Leshchenko, “Intrusion and Fire Detection Method by Wireless Sensor Network,” 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), Kyiv, Ukraine, 2020, pp. 211–215, https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349351.
O. Leshchenko, O. Trush, M. Trush, A. Horachuk, & O. Makhovych, “Technologies for Detecting Malicious Requests in Computer Networks Based on the DNS Protocol,” 10th International Scientific Conference "Information Technology and Implementation", IT, CEUR Workshop Proceedings, vol. 3646, 2023, pp. 230–238. ISSN 16130073. https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85187545222&origin=resultslist
O. Trush, A. Dudnik, M. Trush, O. Leshchenko, K. Shmat, & R. Mykolaichuk, “Mask Mode Monitoring Systems Using IT Technologies,” In 2022 IEEE 4th International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), 2022, December, pp. 219–224, IEEE. https://doi.org/10.1109/ATIT58178.2022.10024216
P. Prystavka, K. Dukhnovska, O. Kovtun, O. Leshchenko, O. Cholyshkina, & V. Semenov, “Recognition of aerial photography objects based on data sets with different aggregation of classes,” Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1/2 (121), 2023, pp. 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.272951
H. Hnatiienko and T. Babenko, “Quantitative Assessment of the Criticality Level of Organizational System Elements,” CEUR Workshop Proceedings, vol. 3503, 2022, pp. 62–81. Selected Papers of the XXII International Scientific and Practical Conference "Information Technologies and Security" (ITS 2022) Kyiv, Ukraine, November 16, 2022.
O. Laptiev, V. Tkachev, O. Maystrov, O. Krasikov, P. Open’ko, V. Khoroshko, and L. Parkhuts, “The method of spectral analysis of the determination of random digital signals. International,” Journal of Communication Networks and Information Security (IJCNIS), vol 13, no 2, pp. 271–277, 2021. https://doi.org/10.54039/ijcnis.v13i2.5008
V. Sobchuk, I. Kal’chuk, G. Kharkevych, O. Laptiev, Y. Kharkevych, and A. Makarchuk, “Solving the Problem of Convergence of the Results of Analog Signals Conversion in the Process of Aircraft Control,” 2021 IEEE 6 th International Conference. Actual Problems of Unmanned Aerial Vehicles development (APUAVD), October 19-21, 2021, Kyiv, Ukraine. pp. 29–33, ISBN: 978-1-6654-3821-6. IEEE Catalog Number: CFP2129V-USB https://doi.org/10.1109/APUAVD53804.2021.9615437
R. Tovkach, Yu. Kharkevych, I. Kal’chuk, andG. Kharkevych, “The saturation property of the signal restoration method,” 2022 IEEE 4th International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), Kyiv, Ukraine, 15–17 December 2022, pp. 164–167. https://doi.org/10.1109/ATIT58178.2022.10024225
V. Sobchuk, Yu. Kharkevych, I. Kal’chuk, A. Makarchuk, G. Kharkevych, and U. Hrabova, “The influence of the Fourier transform convergence on the continuous signals processing,” 2022 IEEE 4th International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), Kyiv, Ukraine, 15–17 December 2022, pp. 160–163. https://doi.org/10.1109/ATIT58178.2022.10024197
Yu. Kharkevych, O. Mukhin, U. Hrabova, A. Makarchuk, I. Kal’chuk, and G. Kharkevych, “Application of the continuous Fourier transformation in signal theory,” 2022 IEEE 3rd International Conference on System Analysis & Intelligent Computing (SAIC), Kyiv, Ukraine, 04–07 October 2022. https://doi.org/10.1109/SAIC57818.2022.9922986
N. Barannik, O. Yudin, M. Babenko, V. Manakov, and V. Yroshenko, “The method of embedding information in the noise domain based on the modification of elements in the pseudo-spatial domain,” Proceeding of the International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT 2020), Kyiv, Ukraine, 2020. IEEE Catalog Number: ISBN 978-1-7281-9799-9/20/$31.00©2020 IEEE, pp. 77–82. https://doi.org/10.1109/ATIT50783.2020.9349266
A. Dudnik, Y. Kravchenko, N. Dakhno, S. Mosov, and S. Grinenko, “A Method of Studying the Influence of the Performance of Wireless Computer Networks on Increasing the Accuracy of Distance Measurement,” CEUR Workshop Proceedings, 3646, 2023, pp. 173–184.
Y. Kravchenko, O. Leshchenko, N. Dakhno, and M. Radko, “Comparative evaluation of a universities websites quality,” CEUR Workshop Proceedingsthis link is disabled, 3132, 2022, pp. 166–175.
V. Savchenko, T. Akhramovych, S. Dzyuba, N. Laptiev, Lukova-Chuiko and T. Laptieva, “Methodology for Calculating Information Protection from Parameters of its Distribution in Social Networks,” 2021 IEEE 3rd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT), Kyiv, Ukraine, 2021, pp. 99-105, https://doi.org/10.1109/ATIT54053.2021.9678599.
V. Savchenko, V. Zaika, M. Trembovetskyi, G. Shuklin, L. Berkman, K. Storchak, and I. Rolin, “Composite Radioisotope Coating Parameters and Reflecting Characteristics Calculation Selection Method,” in International Journal of Advanced Trends in Computer Science and Engineering, vol. 8, no. 5, pp. 2246–2251, 2019. https://doi.org/10.30534/ijatcse/2019/60852019
S. Yevseiev, Yu. Khokhlachova, S. Ostapov, O. Laptiev, O. Korol, S. Milevskyi, V. Savchenko, and et. al., Models of socio-cyber-physical systems security, Kharkiv: РС Тесhnology Сеntеr, 2023, 184 p., https://doi.org/10.15587/978-617-7319-72-5
V. Savchenko, O. Matsko, O. Vorobiov, Y. Kizyak, L. Kriuchkova, Y. Tikhonov, and A. Kotenko, “Network traffic forecasting based on the canonical expansion of a random process,” in Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, vol, 3, no. 2 (93), pp. 33–41, 2018. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.131471
V. Savchenko, V. Tolubko, L. Berkman, and et al. “Model of an alternative navigation system for high-precision weapons,” in The Journal of Defense Modeling and Simulation, no. 19(3), pp. 255–262, 2022. https://doi.org/10.1177/1548512920921955
T. Hubanova, R. Shchokin, O. Hubanov, V. Antonov, P. Slobodianiuk, and S. Podolyaka, “Information technologies in improving crime prevention mechanisms in the border regions of southern Ukraine,” Journal of Information Technology Management, 13, pp. 75–90, 2021, Cited 50 times. https://doi.org/10.22059/JITM.2021.80738
F. A. F. Alazzam, H. J. M. Shakhatreh, Z. I. Y. Gharaibeh, I. Didiuk, and O. Sylkin, “Developing an Information Model for E-Commerce Platforms: A Study on Modern SocioEconomic Systems in the Context of Global Digitalization and Legal Compliance,” Ingenierie des Systemes d'Information, pp. 969–974, 2023. Cited 32 times. https://doi.org/10.18280/isi.280417
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Authors who publish with this journal agree to the following terms:
Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.
Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.
Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
