Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей

Основою підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів Інтернету речей є реалізація процесорними засобами об’єктних систем безпровідних мереж комплексу алгоритмів оброблення, компактного кодування та захисту вибірок сигналів, кадрів відеоданих і вимірювальних величин, криптостійкого та завад...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2019
1. Verfasser:	Шевчук, Б.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Schriftenreihe:	Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168584
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей / Б.М. Шевчук // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 138-144. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-168584
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1685842020-05-05T01:27:11Z Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей Шевчук, Б.М. Основою підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів Інтернету речей є реалізація процесорними засобами об’єктних систем безпровідних мереж комплексу алгоритмів оброблення, компактного кодування та захисту вибірок сигналів, кадрів відеоданих і вимірювальних величин, криптостійкого та завадостійкого передавання пакетів моніторингової інформації безпосередньо в місцях виникнення мережевих потоків. Алгоритми стиску та захисту моніторингових даних повинні бути оптимізовані за швидкодією і точністю кодування даних з урахуванням мінімізації обчислювальних операцій мікропотужними процесорами та мікроконтролерами об’єктних систем мереж Інтернету речей. The basis of the information efficiency increasing of networks and means of Internet of Things is the implementation by processor means of object systems of wireless networks of complex algorithms of processing, compact coding and protection of signal samples, video data frames and measuring values, crypto-proof and noise-proof transmission of monitoring information packets directly in the places of origin of network streams. The algorithms of compression and monitoring data protection should be optimized for the speed and accuracy of data encoding, taking into account the minimization of computing operations by micro power microprocessors and microcontrollers of object systems of the Internet of Things. 2019 Article Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей / Б.М. Шевчук // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 138-144. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 2308-5916 DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.138-144 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168584 551.568.85;621.391 uk Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Основою підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів Інтернету речей є реалізація процесорними засобами об’єктних систем безпровідних мереж комплексу алгоритмів оброблення, компактного кодування та захисту вибірок сигналів, кадрів відеоданих і вимірювальних величин, криптостійкого та завадостійкого передавання пакетів моніторингової інформації безпосередньо в місцях виникнення мережевих потоків. Алгоритми стиску та захисту моніторингових даних повинні бути оптимізовані за швидкодією і точністю кодування даних з урахуванням мінімізації обчислювальних операцій мікропотужними процесорами та мікроконтролерами об’єктних систем мереж Інтернету речей.
format	Article
author	Шевчук, Б.М.
spellingShingle	Шевчук, Б.М. Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки
author_facet	Шевчук, Б.М.
author_sort	Шевчук, Б.М.
title	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей
title_short	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей
title_full	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей
title_fullStr	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей
title_full_unstemmed	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей
title_sort	підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2019
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168584
citation_txt	Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей / Б.М. Шевчук // Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки: зб. наук. пр. — Кам’янець-Подільський: Кам'янець-Подільськ. нац. ун-т, 2019. — Вип. 19. — С. 138-144. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
series	Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки
work_keys_str_mv	AT ševčukbm pídviŝennâínformacíjnoíefektivnostímerežtazasobívínterneturečej
first_indexed	2025-07-15T03:23:37Z
last_indexed	2025-07-15T03:23:37Z
_version_	1837681677626769408
fulltext	Математичне та комп’ютерне моделювання 138 It shows examples of formation of dialog data (DD), which occur on dif- ferent levels of distributive computer systems. The article phrases require- ments for algorithms of monitoring data processing in structures of interac- tive data exchange, which consists of different dialog nodes, and it phrases structural order of interaction and subordination of the algorithms. It deals with an informational technology of creation of the system of logicaly- statistical informational states of management objects and building of im- age-cluster models. Key words: interactive computer system, image-cluster model, algo- rithm of monitoring data processing. Одержано 04.03.2019 УДК 551.568.85;621.391 DOI: 10.32626/2308-5916.2019-19.138-144 Б. М. Шевчук, д-р техн. наук Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова НАН України, м. Київ ПІДВИЩЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ МЕРЕЖ ТА ЗАСОБІВ ІНТЕРНЕТУ РЕЧЕЙ Основою підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів Інтернету речей є реалізація процесорними засобами об’єктних систем безпровідних мереж комплексу алгоритмів об- роблення, компактного кодування та захисту вибірок сигналів, кадрів відеоданих і вимірювальних величин, криптостійкого та завадостійкого передавання пакетів моніторингової інформації безпосередньо в місцях виникнення мережевих потоків. Алгори- тми стиску та захисту моніторингових даних повинні бути опти- мізовані за швидкодією і точністю кодування даних з урахуван- ням мінімізації обчислювальних операцій мікропотужними про- цесорами та мікроконтролерами об’єктних систем мереж Інтерне- ту речей. Зменшення інформаційних потоків у місцях встанов- лення об’єктних систем мереж Інтернету речей досягається на ос- нові адаптації алгоритмів кодування даних в залежності від умов введення і точності представлення моніторингових даних та фор- муванням кодово-сигнальних послідовностей пакетів моніторин- гової інформації з підвищеною інформаційною ємністю. Параме- три завадостійкого передавання криптозахищених пакетів інфор- мації вибираються в залежності від поточного рівня шумів у ра- діоканалі. Ключова характеристика ефективності функціонування об’єктних систем мереж Інтернету речей — поточна швидкість передачі стислої та захищеної моніторингової інформації. При наявних обчислювальних і канальних ресурсах об’єктних систем з урахуванням поточних умов введення і передавання моніторин- © Б. М. Шевчук, 2019 Серія: Технічні науки. Випуск 19 139 гових даних, які є змінними, реалізація надійної та захищеної пе- редачі даних у мережах Інтернету речей здійснюється постійною підтримкою процесорними засобами об’єктних систем максима- льної швидкості передачі пакетів стислих та зашифрованих моні- торингових даних. На практиці передача таких пакетів — це пе- редача по радіоканалу псевдохаотичної беззбиткової інформації. Ключові слова: мережі Інтернету речей, об’єктні сис- теми, алгоритми оброблення, стиску та захисту сигналів і кадрів відеоданих. Вступ. Мережі Інтернету речей (Internet of Things, скорочено IoT) — основа для прискореного впровадження новітніх інформаційно- комунікаційних технологій і засобів штучного інтелекту в різноманітні галузі людської діяльності. В результаті широкого проникнення та за- стосування засобів і мереж IoT у різноманітні галузі людської діяльності забезпечуються умови для ефективної перебудови економічних та суспі- льних процесів, звільнення працюючих людей від рутинних операцій, мінімізації впливу людського фактора в технологічних, економічних, політичних та суспільних процесах. Важливими пристроями безпровід- них мереж IoT є об’єктні системи (ОС), які разом із сенсорами і відеосе- нсорами встановлюються на об’єктах моніторингу і керування (ОМіК) та перетворюють вихідні потоки даних від сенсорів на вихідні потоки пакетів даних. Невирішеними завданнями при побудові пристроїв і ме- реж IoT є мінімізація та формування захищених потоків пакетів моніто- рингових даних у місцях встановлення ОС мереж IoT. Мета роботи — підвищення ефективності функціонування про- цесорів ОС мереж IoT на основі адаптації алгоритмів оброблення, кодування сигналів і відеоданих до рівня шумів введених моніторин- гових даних, стиску-захисту визначених достовірних масивів даних, формування та передавання захищених пакетів даних з підвищеною інформативністю. Підвищення ефективності функціонування мереж IoT. Техно- логія IoT стартувала на початку 2000-х років як технологія міжмашин- ної взаємодії (machine-to-machine, M2M) для вирішення завдань диста- нційного моніторингу об’єктів з використанням різноманітних радіот- рактів сенсорних, локально-регіональних та мобільних мереж [1]. На даному етапі розвитку пристроїв і мереж IoT для обміну інформацією між абонентськими системами мереж IoT (ОС, центральною станцією (ЦС), роутерами (стаціонарними і мобільними ретрансляторами, безпі- лотними апаратами, високо піднятими платформами, дирижаблями, мікро- та нано-супутниками) широкого розповсюдження отримали різноманітні технології безпровідної передачі даних [2]. Враховуючи, що інтеграція різноманітних пристроїв, об’єктів та речей з Інтернетом Математичне та комп’ютерне моделювання 140 вимагає присвоєння їм IP-адрес (унікальних ідентифікаторів), най- більш ефективним є використання засобів мобільних мереж 3G, 4G, 5G, сенсорних мереж (ZigBee, 6LoWPAN, Bluetooth і ін.), локальних мереж Wi-Fi, а також діючих мереж передачі даних. Перспективним є застосування в пристроях IoT сучасних радіомодулів LTE NB-IoT, на- приклад, SIM7020E компанії SIMCom Wireless Solutions, для побудови мереж IoT з використанням розповсюдженої в Європі технології LoRaWAN [3]. Підвищення ефективності функціонування діючих та перспективних пристроїв та мереж IoT досягається за рахунок змен- шення вихідних інформаційних потоків на об’єктах контролю і управ- ління з використання енергоефективних мікроконтролерів широкого застосування без залучення спеціалізованих кодеків, відеокодеків та енерговитратних процесорів. В результаті при мінімальних енергетич- них та апаратурних витратах в процесі виконання завдань тривалого моніторингу станів ОМіК кожною ОС мережі IoT зменшується кіль- кість інформаційних пакетів (ІП), які передаються і ретранслюються в загальному радіоканалі. Ефективність передачі ІП досягається змен- шенням інформаційних потоків у місцях встановлення ОС шляхом адаптації алгоритмів кодування даних у залежності від умов введення і точності представлення моніторингових даних засобами ОС та форму- ванням кодово-сигнальних послідовностей послідовностей (КСП) па- кетів з підвищеною інформаційною ємністю, параметри завадостійкого передавання яких вибираються в залежності від поточного рівня шумів у радіоканалі [4, 5]. Первинними даними для ефективної реалізації передачі моніто- рингової інформації в мережах IoT є величина робочої смуги частот F радіоканалу, максимальна та мінімальна кількість біт АЦП maxq і minq для точного та менш точного кодування амплітудних значень відліків сигналів та яскравості пікселів відеоданих, максимальне зна- чення кількості елементів шумоподібних сигналів (ШПС) BN , від яких залежить максимальна тривалість КСП-ШПС та значення бази ШПС B . ОС є перетворювачами вхідних моніторингових даних у вихідні дані ІП, при цьому процесор (процесори) ОС виконує узага- льнений алгоритм оброблення, кодування та передавання моніторин- гових даних max( , , , , , ) N pct d p nP F f q P  , який суттєво залежить від параметрів введення, оброблення та передавання даних, де F — вели- чина робочої смуги частот радіоканалу, Гц, maxf — максимальна ча- стота спектру вхідних даних, q — кількість біт для кодування даних, N d — оцінка величини рівня вхідних шумів в околиці найбільш ін- формативних (суттєвих) відліків обвідної сигналів, 2048 2pP  — ве- Серія: Технічні науки. Випуск 19 141 личина ступеня захисту даних засобами ОС радіомережі, 0( / )n is nE J  — необхідне енергетичне співвідношення сигнал/шум в радіоканалі, яке забезпечує умови для передачі пактів даних у ра- діоканалах з шумами з високою величиною безпомилкової передачі даних nP , наприклад, 6 12 10 10nP     . В процесі виконання послідо- вності обчислювальних операцій зменшуються об’єми введених, від- фільтрованих та стислих моніторингових даних, які, після криптоза- хисту та завадостійкого кодування, є основою для формування і пе- редачі КСП пакетів відповідної тривалості, як правило, змінної. Узагальнений алгоритм max( , , , , , ) N pct d p nP P F f q P  виконує послідовність взаємодоповнених операцій оброблення, кодування і формування даних, що підлягають передаванню з використанням радіоканалу з шумами, тобто max( , , , , , ) N pct d p nP F f q P   2 1 ,( , , , , , ) c F c p ni isP p p p p p p , де Fp — алгоритм фільтрації даних, 1cp — алгоритм стиску даних з допустимими втратами інформації, 2cp — алгоритм стиску даних без втрат, pp — алгоритм криптозахисту моніторингових даних з заданою величиною 2048 2pP  ступеня захисту даних засобами ОС радіомережі, nip — алгоритм завадостійкого кодування даних з заданою величиною безпомилкової передачі даних nP , isp — алгоритм формування КСП ІП з урахуванням оцінки енергетичного співвідношення сигнал/шум в ра- діоканалі. Відповідно КСП ІП часто є збитковими і характеризуються характеризується базою B поточних канальних сигналів, що переда- ються в радіоканалі. З практичних міркувань базу канальних сигналів доцільно вибирати в таких діапазонах [4]: 1B  , 1B  , 10B  . Ключова характеристика ефективності функціонування ОС ме- реж IoT — поточна швидкість передачі стислої та захищеної інфор- мації iR . Для реалізації інформаційно-ефективної передачі монітори- нгових даних у радіомережах показник інформаційної ефективності системи передачі інформації max/iR R  повинен максимально на- ближається до одиниці ( 1  , 1  ), де maxiR — максимальна шви- дкість передачі даних. Відповідно, суть інформаційно-ефективної передачі даних у мережах IoT полягає у тому, що при наявних обчис- лювальних і канальних ресурсах ОС з урахуванням поточних умов введення і передавання моніторингових даних, які є змінними, досяг- нення надійної та захищеної передачі даних в мережах IoT здійсню- ється постійною підтримкою засобами ОС максимальної швидкості Математичне та комп’ютерне моделювання 142 передачі даних maxiR . З урахуванням досягнення заданої ймовірності помилкового прийому даних інформаційних кадрів пакетів nP , що відповідає ймовірності помилкового відновлення кодових послідов- ностей ІП абонентськими приймачами, поточна швидкість передачі інформації iR є змінною і залежить від вибору ключових параметрів процесів введення, кодування та передавання даних: iR  1 2 3 min 2( , , ( ), , , ( ), , ( , ), log ), N n c d n pc CPU j scf F P k k k B L t P Ea M  де 1 ( ) N c dk  — коефіцієнт стиску сигналів і відеоданих з допустимими (контрольованими) втратами інформації, який суттєво залежить від оці- нки допустимої величини рівня вхідних шумів N d в околиці найбільш інформативних (суттєвих) відліків обвідної сигналів, 2k — коефіцієнт стиску даних без втрат, min ( )nB  — мінімально необхідна база КСП ІП для реалізації успішної та завадостійкої передачі даних у радіоканалі з шумами, яка вибирається в залежності від необхідного енергетичного співвідношення у радіоканалі 0( / )n is nE J  , L — кількість ортогона- льних моноканалів передачі інформації з кодовим розділенням каналів у робочій смузі частот F , pct — тривалість часу обробки і кодування да- них, який залежить від продуктивності абонентського процесора CPUP та ефективності j -х алгоритмів обробки і кодування даних jEa , 1,j p , p — кількість взаємодоповнюючих алгоритмів кодування да- них засобами АС, scM  кількість станів канальних сигналів (видів сиг- налів, рівнів та позицій маніпуляції або модуляції несучої). При обмеженій величині робочої смуги частот F максимальна канальна швидкість передачі інформації max 2 / 1/c s s bv F k k T   , де 1 /F T , 2 bT T — період повторення послідовностей бітових даних, bT — тривалість бітової послідовності, 1.4sk  — коефіцієнт, що вра- ховує якість відновлення фронтів цифрових (імпульсних) сигналів. Враховуючи обмеження на мінімальну тривалість кодової послідовно- сті minis bT T суттєве підвищення інформаційної швидкості передачі даних maxi cR r досягається за рахунок реалізації абонентськими процесорами стиску даних з втратами і без втрат, що враховується ко- ефіцієнтом стиску даних c iK на інформаційному рівні засобів АС. Та- кож iR збільшується шляхом використання радіотехнічних засобів багатоканальної передачі інформації з частотним, кодовим і просторо- Серія: Технічні науки. Випуск 19 143 вим розділення каналів передачі, що для простоти аналізу можна вра- ховувати коефіцієнтом стиску даних c rtK на радіотехнічному рівні засобів АС. В результаті /i c s bR K k T  , де c c i c rtK K K  — сумар- ний коефіцієнт стиску даних. При використанні спрощених радіотехні- чних засобів (радіомодулів ISM діапазону частот, наприклад, з частот- ною модуляцієї або маніпуляцією несучої), що характерно для розпо- всюджених засобів сенсорних мереж, 1c rtK  . Висновки. Для підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів Інтернету речей у місцях встановлення об’єктних систем безпровідних мереж необхідна реалізація процесорними засобами комплексу алгоритмів оброблення, компактного кодування та захисту вибірок сигналів і кадрів відеоданих, криптостійкого та завадостійко- го передавання пакетів моніторингової інформації. Такі алгоритми повинні бути оптимізовані за швидкодією і точністю кодування да- них з урахуванням мінімізації обчислювальних операцій процесора- ми об’єктних систем мереж Інтернету речей. Основою для зменшен- ня інформаційних потоків у місцях встановлення об’єктних систем мереж є адаптація алгоритмів кодування даних у залежності від умов введення і точності представлення моніторингових даних та форму- ванням кодово-сигнальних послідовностей пакетів моніторингової інформації з підвищеною інформаційною ємністю. Важлива умова ефективної передачі захищених пакетів моніторингової інформації — підтримка об’єктними системами мереж Інтернету речей поточної максимальної швидкості передачі пакетів. Список використаних джерел: 1. URL: http:// www. everest.ua/ai-platform/analystics. 2. Огірко І. В. Технології мереж для Інтернету речей. Матеріали науково- практичної конференції «Інтернет речей: проблеми правового регулю- вання та впровадження», Україна, Київ, 24 жовтня 2017 року, Київ : На- ціональний технічний університет України «Київський політехнічний ін- ститут імені Ігоря Сікорського», 2017. С. 44–52. 3. URL: http:// www.biz.liga.net/all/telecom. 4. Shevchuk B. M., Zadiraka V. K., Fraier S. V. Data Transfer Optimization in the Information Efficient Sensory, Local-Regional and Microsatellite Wireless Networks. Optimization Methods and Applications. In Honor of Ivan V. Ser- gienko’s 80th Birthday. Editor: Butenko S., Pardalos P. M., Shylo V., Springer, 2017. P. 465–480. 5. Shevchuk B. M. Speed-Efficient Algorithms for Transmitting and Receiving High-Informative Packets in Radio Networks. Cybernetics and Systems Analy- sis. 2016, March, Vol. 52, Issue 2. P. 330–337. Математичне та комп’ютерне моделювання 144 THE INFORMATION EFFICIENCY INCREASING OF THE MEANS AND NETWORKS The basis of the information efficiency increasing of networks and means of Internet of Things is the implementation by processor means of object systems of wireless networks of complex algorithms of processing, compact coding and protection of signal samples, video data frames and measuring values, crypto- proof and noise-proof transmission of monitor- ing information packets directly in the places of origin of network streams. The algorithms of compression and monitoring data protection should be optimized for the speed and accuracy of data encoding, taking into account the minimization of computing operations by micro power microprocessors and microcontrollers of object systems of the Internet of Things. The re- duction of information flows in places of installation of object systems of Internet networks of things is achieved on the basis of adaptation of data coding algorithms, depending on the conditions of input and the accuracy of the presentation of monitoring data and the formation of code-signal se- quences of monitoring information packets with increased information ca- pacity. Parameters of noise-proof transmission of crypto-proof information packets are selected depending on the current level of noise in the radio channel. The key characteristic of the operation efficiency of object sys- tems of Internet of things networks is the current speed of the transmission of the compressed and protected monitoring information. With existing computing and channel resources of object systems taking into account the current conditions of input and transfer of monitoring data that are varia- bles, the implementation of reliable and secure data transmission in net- works of Internet of Things is carried out by constant support of processor means of object systems the maximum speed of packets of compressed and encrypted monitoring data. In practice, the transmission of such packets is the transmission of pseudo-chaotic break-even information. Key words: Internet things, object systems, algorithms for processing, compressing and protecting signals and video frames. Одержано 14.02.2019

Підвищення інформаційної ефективності мереж та засобів інтернету речей

Institution

Ähnliche Einträge