Теоретичні основи створення і структурна організація компонентів безпровідних сенсорних мереж підвищеної ефективності

Abstract

У дисертації вирішено науково-прикладну проблему підвищення ефективності функціонування безпровідних сенсорних мереж, шляхом розвитку теоретичних основ та засобів перетворення, обробки і передачі даних на основі системи залишкових класів та модулярної арифметики. У дисертації розроблено методи направлені на підвищення надійності передачі даних та продуктивності безпровідних сенсорних мереж. Розроблено метод мережного кодування даних, який базується на перетворенні системи залишкових класів та забезпечує підвищення загальної пропускної здатності безпровідної сенсорної мережі. Розроблено модулярні коректуючі коди, які забезпечують високу швидкодію процесів обробки даних за рахунок паралельного виконання операцій модулярного множення, виявлення помилок при виконанні арифметичних операцій та можливість адаптивної зміни коректуючої здатності кодів без зміни принципів роботи. Розроблено метод перетворення та обробки зображень в системі залишкових класів, який забезпечує стиснення зображень без втрат. Розроблено концепцію побудови безпровідних сенсорних мереж на основі принципів колективного інтелекту та розподіленого процесора, який функціонує на основі виділеної частини обчислювальних ресурсів безпровідних сенсорів. Розроблено метод передачі даних на основі стрибкоподібної зміни частоти, який базується на перетворенні системи залишкових класів та псевдовипадковій зміні частотного каналу і забезпечує можливість виявлення помилок на фізичному рівні за рахунок використання розширеної системи модулів. В диссертации решено научно-прикладную проблему повышения эффективности функционирования беспроводных сенсорных сетей путем развития теоретических основ и средств преобразования, обработки и передачи данных на основе системы остаточных классов и модулярной арифметики. В диссертации разработаны методы, направленные на повышение общей производительности и надежности передачи данных и беспроводных сенсорных сетей. Разработан метод сетевого кодирования данных, основанный на преобразовании системы остаточных классов, обеспечивающий повышение общей пропускной способности беспроводной сенсорной сети за счет разделения пакетов данных с использованием взаимно простых модулей различной разрядности на подпакеты и дальнейшего объединения пакетов данных в общих узлах. Разработаны модулярные корректирующие коды, которые обеспечивают высокое быстродействие процессов кодирования данных за счет параллельного выполнения операций модулярного умножения, а также дают возможность адаптивного изменения корректирующей способности кодов без изменения принципов работы. Разработан метод исправления многократных ошибок на основе модулярных корректирующих кодов, основанный на решении системы модулярных уравнений и обеспечивающий высокое быстродействие и низкую вычислительную сложность процесса декодирования. Разработан метод контроля ошибок при выполнении арифметических операций сложения, вычитания и умножения данных на основе модулярных корректирующих кодов, который позволяет исправлять ошибки при выполнении указанных операций. Разработан метод сжатия изображений без потерь в системе остаточных классов, который обеспечивает повышение быстродействия процесса обработки за счет разделения изображения на части и параллельной обработки отдельных частей изображения. Разработана концепция построения беспроводных сенсорных сетей на основе принципов коллективного интеллекта и распределенного процессора, которая обеспечивает выделение части вычислительных ресурсов беспроводных сенсоров для функционирования распределенного процессора и высокую живучесть сети за счет децентрализованного управления. Разработан метод передачи данных на основе псевдослучайного изменения частоты, основанный на преобразовании системы остаточных классов и псевдослучайном выборе частотного канала для передачи остатков, и обеспечивает возможность выявления ошибок на физическом уровне беспроводных сенсорных сетях за счет использования расширенной системы модулей. Разработан метод повышения надежности передачи мультимедийных данных в беспроводных сенсорных сетях, который обеспечивает исправление пакетов ошибок за счет формирования транспонированной матрицы данных, защищенных модулярным корректирующим кодом в кодере и выполнения обратной операции в декодере. Разработаны структурные и схемотехнические решения устройств помехоустойчивой обработки данных на основе модулярных корректирующих кодов для исправления однократных символьных ошибок на ПЛИС, которые характеризуются низкой аппаратной сложностью и высоким быстродействием обработки данных. Синтезированы на ПЛИС устройства декодирования данных на основе модулярных корректирующих кодов для исправления двукратных символьных ошибок, в которых поиск мультипликативных обратных элементов реализовано в виде таблиц, что обеспечило повышение быстродействия исправления ошибок. Разработано устройство многоуровневого преобразования данных в системе остаточных классов, которое обеспечивает объединение 12-ти разрядных данных от 16 сенсоров. Преобразования входных данных сенсоров представленных в системе остаточных классов в двоичную систему счисления реализовано на основе парного объединения остатков по двум модулям, что позволило уменьшить разрядность данных в процессе выполнения промежуточных вычислений, в свою очередь уменьшило аппаратные затраты на реализацию устройства преобразования. Разработана методика тестирования канала связи беспроводной сенсорной сети, которая позволяет выбирать необходимую схему контроля ошибок и параметры корректирующего кода в зависимости от состояния канала передачи данных. The scientific and technical problem of increasing of data transmission reliability and efficiency in wireless sensor networks is solved in this work due to the development of theoretical fundamentals and tools of noise immunity of network and channel coding. The methods for the increasing reliability of data transmission and efficiency of wireless sensor networks are elaborated. Network coding method based on Residue Number System is developed. It provides increasing of general capacity of wireless sensor network. The elaborated modular corrective codes allow the high processing speed in consequence of parallel execution of modular multiplication, detection of errors in arithmetic operations and adaptive changing of the code correction capability without altering the coding principles. The lossless image compression method based on Residue Number System is designed. The elaborated wireless sensor networks conception is founded on swarm intelligence principles and distributed processor which operates on separated part of computational resources of wireless sensors. The developed frequency hopping data transmission method based on Residue Number System transformation and pseudorandom channel change provides the possibility of error detection in physical layer due to the use of expanded system of modules.