Техніка та енергетика

МЕТОД ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПОКРИТТЯ БЕЗПРОВІДНИХ СЕНСОРНИХ МЕРЕЖ НА БАЗІ БПЛА

Дмитро Михалевський, Володимир Василишин, Владислав Рябков, Руслан Мироненко, Дмитро Бриль
Завантажити статтю
Анотація

Дане дослідження спрямоване на адаптивну оптимізацію сенсорних мереж із використанням безпілотних літальних апаратів для зменшення інформаційних втрат і забезпечення мінімально можливих технічних показників каналів передачі інформації в умовах значної кількості архітектурних перешкод. В ході роботи було проведено експерименти з передачі даних через безпровідний канал за допомогою технології Wi-Fi, де точка доступу була розміщена на безпілотному літальному апараті. Дослідження проводилися в умовах складної архітектурної забудови, з використанням частотних діапазонів 2.4 ГГц та 5 ГГц, щоб детально вивчити поведінку радіоканалів та оцінити їх ефективність у реальних умовах. В результаті дослідження було запропоновано новий метод оцінювання та оптимізації енергетичних параметрів радіоканалів, який враховує вплив різних факторів для підвищення ефективності покриття безпровідних сенсорних мереж на основі безпілотних літальних апаратів. Даний метод дозволив частково вирішити проблему інформаційних втрат через адаптивну оптимізацію покриття мережі під час виникнення впливових факторів. Експериментальні моделі, розроблені в ході дослідження, дають можливість оцінювати розподіл сигналу в просторі для сенсорних мереж на базі безпілотних летальних апаратів із врахуванням впливу зовнішніх факторів, завдяки використанню коефіцієнтів флуктуацій. Також в роботі було розроблено механізм використання контрольного пристрою, що дозволяє вимірювати потужність сигналу на будь-якій відстані від базової станції, забезпечуючи гнучкість та точність оцінювання. Отримані результати показали високий рівень точності вимірювань, з достовірністю 95% для періоду спостереження в 20 секунд і похибкою до ±0.5 дБм. Загальна похибка методики не перевищує 5%, що підтверджує високу надійність результатів та їх відповідність реальним умовам експлуатації. Таким чином, результати дослідження сприяють підвищенню ефективності та надійності безпровідних сенсорних мереж на базі безпілотних летальних апаратів, забезпечуючи стабільний і якісний зв’язок у різних умовах експлуатації

Ключові слова

безпровідні сенсорні мережі, безпровідний канал, енергетичні параметри, пропускна здатність, модель, БПЛА, статистичний аналіз, інформаційні втрати

ЦИТУВАТИ
Mykhalevskiy, D., Vasylyshyn, V., Riabkov, V., Myronenko, R., & Bryl, D. (2024). Method for improving the coverage efficiency of wireless sensor networks based on UAVs. Machinery & Energetics, 15(2), 81-94. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2024.81
Використані джерела

[1] Abdulsahib, G.M., Hassan, H.J., & Khalaf, O.I. (2024). A modified bandwidth prediction algorithm for wireless sensor networks. Journal of Information Science and Engineering, 40(1), 177-188. doi: 10.6688/JISE.202401_40(1).0011.

[2] Akram, J., Munawar, H.S., Kouzani, A.Z., & Mahmud, M.P. (2022). Using adaptive sensors for optimised target coverage in wireless sensor networks. Sensors, 22(3), article number 1083. doi: 10.3390/s22031083.

[3] Al Aghbari, Z., Khedr, A.M., Osamy, W., Arif, I., & Agrawal, D.P. (2020). Routing in wireless sensor networks using optimization techniques: A survey. Wireless Personal Communications, 111, 2407-2434. doi: 10.1007/s11277-019-06993-9.

[4] BenSaleh, M.S., Saida, R., Kacem, Y.H., & Abid, M. (2020). Wireless sensor network design methodologies: A survey. Journal of Sensors, 2020, article number 9592836. doi: 10.1155/2020/9592836.

[5] Bhola, J., Soni, S., & Cheema, G.K. (2020). Genetic algorithm based optimized leach protocol for energy efficient wireless sensor networks. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing, 11, 1281-1288. doi: 10.1007/s12652-019-01382-3.

[6] Bloshchynskyi, B.V., & Klyatchenko, Y.M. (2023). Efficiency of computer means for automatic antennas direction in wireless data transmission systems. Information Technologies and Computer Engineering, 58(3), 33-40. doi: 10.31649/1999-9941-2023-58-3-33-40.

[7] Cai, Z., & Shi, T. (2020). Distributed query processing in the edge-assisted IoT data monitoring system. IEEE Internet of Things Journal, 8(16), 12679-12693. doi: 10.1109/JIOT.2020.3026988.

[8] Chatterjee, S., Abdel-Rahman, M.J., & MacKenzie, A.B. (2021). A joint optimization framework for network deployment and adaptive user assignment in indoor millimeter wave networks. IEEE Transactions on Wireless Communications, 20(11), 7538-7554. doi: 10.1109/TWC.2021.3085563.

[9] Chen, W., Jeong, S., & Jung, H. (2020). WiFi-Based home IoT communication system. Journal of Information and Communication Convergence Engineering, 18(1), 8-15. doi: 10.6109/jicce.2020.18.1.8.

[10] Ertam, F., Kilincer, I.F., Yaman, O., & Sengur, A. (2020). A new IoT application for dynamic WiFi based wireless sensor network. In 2020 International Conference on Electrical Engineering (ICEE) (pp. 1-4). Istanbul: IEEE. doi: 10.1109/ICEE49691.2020.9249771.

[11] Kabdoldina, A., Ualiyev, Z., Smailov, N., Malikova, F., Oralkanova, K., Baktybayev, M., Arinova, D., Khikmetov, A., Shaikulova, A., & Bazarbay, L. (2022). Development of the design and technology for manufacturing a combined fiber-optic sensor used for extreme operating conditions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5-119), 34-43. doi: 10.15587/1729-4061.2022.266359.

[12] Karlin, P.Y. (2021). A modified method of interaction between nodes of the Internet of Things network. Kyiv: National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”.

[13] Khan, H., Hassan, S.A., & Jung, H. (2020). On underwater wireless sensor networks routing protocols: A review. IEEE Sensors Journal, 20(18), 10371-10386. doi: 10.1109/JSEN.2020.2994199.

[14] Khanh, Q.V., Hoai, N.V., Manh, L.D., Le, A.N., & Jeon, G. (2022). Wireless communication technologies for IoT in 5G: Vision, applications, and challenges. Wireless Communications and Mobile Computing, 2022, article number 3229294. doi: 10.1155/2022/3229294.

[15] Kopetz, H., & Steiner, W. (2022). Internet of things. In Real-time systems: Design principles for distributed embedded applications (pp. 325-341). Cham: Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-031-11992-7_13.

[16] Kryzhanovsky, V.G., & Sergienko, S.P. (2020). Energy efficient devices of the Internet of Things (IoT). Vinnytsia: Vasyl Stus Donetsk National University.

[17] Laghari, A.A., Wu, K., Laghari, R.A., Ali, M., & Khan, A.A. (2021). A review and state of art of Internet of Things (IoT). Archives of Computational Methods in Engineering, 29, 1395-1413. doi: 10.1007/s11831-021-09622-6.

[18] Lavdanskyi, A., Faure, E., Tynymbayev, S., & Skutskyi, A. (2022). System for secure information exchange of text data through the radio channel of the ism band. Bulletin of Cherkasy State Technological University, 27(3), 41-48. doi: 10.24025/2306-4412.3.2022.267786.

[19] Malik, P.K., Sharma, R., Singh, R., Gehlot, A., Satapathy, S.C., Alnumay, W.S., Pelusi, D., Ghosh, U., Nayak, J., & Nayak, J. (2021). Industrial Internet of Things and its applications in Industry 4.0: State of the art. Computer Communications, 166, 125-139. doi: 10.1016/j.comcom.2020.11.016.

[20] Meng, K., Wu, Q., Ma, S., Chen, W., Wang, K., & Li, J. (2022). Throughput maximization for UAV-enabled integrated periodic sensing and communication. IEEE Transactions on Wireless Communications, 22(1), 671-687. doi: 10.1109/TWC.2022.3197623.

[21] Mollah, M.B., Zeadally, S., & Azad, M.A.K. (2020). Emerging wireless technologies for Internet of Things applications: Opportunities and challenges. In Encyclopedia of wireless networks (pp. 390-400). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-78262-1_328.

[22] Mykhalevskiy, D. (2020). Devising a technique to evaluate fluctuations in the main parameters of a wireless channel of the 802.11 standard. Easten-European Journal of Enterprise Technologies, 6(108), 18-24. doi: 10.15587/1729-4061.2020.218720.

[23] Nguyen, M.T., Nguyen, C.V., Do, H.T., Hua, H.T., Tran, T.A., Nguyen, A.D., Ala, G., & Viola, F. (2021). UAV-assisted data collection in wireless sensor networks: A comprehensive survey. Electronics, 10(21), article number 2603. doi: 10.3390/electronics10212603.

[24] Nomikos, N., Michailidis, E.T., Trakadas, P., Vouyioukas, D., Karl, H., Martrat, J., Zahariadis, T., Papadopoulos, K., & Voliotis, S. (2020). A UAV-based moving 5G RAN for massive connectivity of mobile users and IoT devices. Vehicular Communications, 25, article number 100250. doi: 10.1016/j.vehcom.2020.100250.

[25] Qureshi, K.N., Bashir, M.U., Lloret, J., & Leon, A. (2020). Optimized cluster-based dynamic energy-aware routing protocol for wireless sensor networks in agriculture precision. Journal of Sensors, 2020, 9040395. doi: 10.1155/2020/9040395.

[26] Routray, S.K., Javali, A., Sahoo, A., Sharmila, K.P., & Anand, S. (2020). Military applications of satellite based IoT. In 2020 Third international conference on smart systems and inventive technology (ICSSIT) (pp. 122-127). Tirunelveli: IEEE. doi: 10.1109/ICSSIT48917.2020.9214284.

[27] Sabibolda, A., Tsyporenko, V., Tsyporenko, V., Smailov, N., Zhunussov, K., Abdykadyrov, A., Baigulbayeva, M., & Duisenov, N. (2022). Improving the accuracy and performance speed of the digital spectralcorrelation method for measuring delay in radio signals and direction finding. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(9-115), 6-14. doi: 10.15587/1729-4061.2022.252561.

[28] Saeed, U., Jan, S.U., Lee, Y.D., & Koo, I. (2021). Fault diagnosis based on extremely randomized trees in wireless sensor networks. Reliability Engineering & System Safety, 205, article number 107284. doi: 10.1016/j.ress.2020.107284.

[29] Sangaiah, A.K., Hosseinabadi, A.A.R., Shareh, M.B., Bozorgi Rad, S.Y., Zolfagharian, A., & Chilamkurti, N. (2020). IoT resource allocation and optimization based on heuristic algorithm. Sensors, 20(2), article number 539. doi: 10.3390/s20020539.

[30] Seidaliyeva, U., Ilipbayeva, L., Taissariyeva, K., Smailov, N., & Matson, E.T. (2024). Advances and challenges in drone detection and classification techniques: A state-of-the-art review. Sensors, 24(1), article number 125. doi: 10.3390/s24010125.

[31] Shahraki, A., Taherkordi, A., Haugen, Ø., & Eliassen, F. (2020). Clustering objectives in wireless sensor networks: A survey and research direction analysis. Computer Networks, 180, article number 107376. doi: 10.1016/j.comnet.2020.107376.

[32] Tertyshnik, E.M., Potapov, O.I., Mishok, A.A., & Andrushko, A.M. (2024). Analysis of the possibilities of using IoT for military purposes. Collection of Scientific Works of the State Research Institute for Testing and Certification of Arms and Military Equipment, 19(1), 140-146. doi: 10.37701/dndivsovt.19.2024.17.

[33] Utsav, A., Abhishek, A., Suraj, P., & Badhai, R.K. (2021). An IoT based UAV network for military applications. In 2021 Sixth International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET) (pp. 122-125). Chennai: IEEE. doi: 10.1109/WiSPNET51692.2021.9419470.

[34] Vaiyapuri, T., Parvathy, V.S., Manikandan, V., Krishnaraj, N., Gupta, D., & Shankar, K. (2022). A novel hybrid optimization for cluster‐based routing protocol in information-centric wireless sensor networks for IoT based mobile edge computing. Wireless Personal Communications, 127(1), 39-62. doi: 10.1007/s11277-021-08088-w.

[35] Zhuang, Y., Zhang, C., Huai, J., Li, Y., Chen, L., & Chen, R. (2022). Bluetooth localization technology: Principles, applications, and future trends. IEEE Internet of Things Journal, 9(23), 23506-23524. doi: 10.1109/JIOT.2022.3203414.