МЕТОДИКА ПРОЄКТУВАННЯ РОЗПОДІЛЕНОЇ ЕЛЕКТРОННОЇ КОМУНІКАЦІЙНОЇ МЕРЕЖІ МОНІТОРИНГУ НА БАЗІ ТЕХНОЛОГІЇ LORA

Анотація

У роботі розглядається задача проєктування розподіленої електронної комунікаційної мережі моніторингу протяжних територій на базі технології LoRa. Актуальність задачі зумовлена необхідністю забезпечення надійного контролю великих ділянок місцевості за умов відсутності розвиненої інфраструктури зв’язку, обмежених енергетичних ресурсів сенсорних вузлів і складних умов поширення сигналів.
Проаналізовано існуючі підходи до побудови LoRa-мереж, зокрема архітектури LoRaWAN та багатохопові рішення для безпровідних сенсорних мереж. Встановлено, що більшість відомих підходів не враховує взаємозв’язок між параметрами сенсорного покриття та обмеженнями пропускної здатності мережі.
Запропоновано методику проєктування розподіленої LoRa-мережі, що поєднує ймовірнісну модель сенсорного виявлення з моделлю багатохопової передачі даних та оцінкою навантаження каналу. Сенсорна підсистема описується узагальненою ймовірнісною моделлю (Elfes-подібною), що дозволяє перейти від заданої ймовірності виявлення до еквівалентного радіуса сенсорного вузла. Комунікаційна підсистема враховує обмеження фізичного рівня LoRa, зокрема коефіцієнт розширення спектра (spreading factor), час передачі пакета (time-on-air) та надійність передачі на одному хопі.
У результаті отримано залежності для визначення мінімальної кількості сенсорних вузлів, максимальної довжини багатохопового ланцюга та граничної кількості вузлів у мережі за умов обмеженої пропускної здатності. Показано, що використання багатоешелонної структури сенсорного покриття дозволяє підвищити сумарну ймовірність виявлення завдяки комбінуванню результатів декількох незалежних спостережень. При цьому досягнення заданого рівня ймовірності виявлення може бути забезпечене різними комбінаціями кількості ешелонів та щільності розміщення вузлів, що дозволяє оптимізувати структуру мережі з урахуванням обмежень системи.
Наукова новизна полягає в удосконаленні методики проєктування розподіленої сенсорної мережі, що поєднує ймовірнісну модель сенсорного виявлення з моделлю багатохопової передачі даних, а також у встановленні впливу багатоешелонної структури сенсорного покриття на сумарну ймовірність виявлення.
Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні систем моніторингу протяжних об’єктів, зокрема в умовах обмеженої інфраструктури та підвищених вимог до енергоефективності.