name: Анализ и оптимизация распределения ресурсов в беспроводных сетях для передачи информации и энергии
keyword_list: 5G коммуникации оптимизация траектории оптимизация ресурсов беспроводная сенсорная сеть возраст информации РЧ-сбор энергии
abstract: Объект. Проектирование системы, распределение ресурсов и оптимизация ресурсов для беспроводных сетей связи с использованием БПЛА и беспроводным питанием при сохранении ожидаемых параметров качества обслуживания (QoS), таких как сквозное отношение сигнал/шум (SNR), достижимая скорость передачи информации, актуальность данных и задержка информации для следующего поколения беспроводной связи 5G и выше.
  Предмет исследования. Беспроводные сети с использованием БПЛА и беспроводным питанием, а также беспроводные сенсорные сети (БСС) в системах связи следующего поколения 5G и выше. Цель. Повышение общей энергоэффективности сетей связи с использованием БПЛА за счет использования методов сбора радиочастотной энергии при сохранении ожидаемых требований к качеству будущей беспроводной связи. Научная новизна. Разработана новая унифицированная схема сбора радиочастотной энергии, состоящая из сбора энергии на основе беспроводная передача энергии (БПЭ/WPT), одновременная беспроводная передача информации и энергии (ОБПИМ/SWIPT) и самоинтерференций для полнодуплексной совместной системы связи с использованием БПЛА. Эта предлагаемая новая схема сбора энергии демонстрирует более высокую производительность с точки зрения количества собранной энергии и пропускной способности, чем существующие схемы сбора энергии, т. е. сбор урожая, а затем сотрудничество (HTC)[H. Чен, Ю. Ли, Дж. Л. Ребелатто, Б. Ф. Учоа-Фильо и Б. Вучетич], переработка собственной энергии (FD-SER)[Y. Цзэн и Р. Чжан] и традиционное переключение времени [А. Насир, Х. Чжоу, С. Дуррани и Р. А. Кеннеди,]. Эта новая схема сбора радиочастотной энергии достигла относительной энергоэффективности в размере 39,23% по сравнению с обычной РЧ-БПЭ. И это первая исследовательская работа, в которой используются самоинтерференции для сбора энергии, необходимой для коммуникационных возможностей БПЛА. Разработан новый метод сбора данных с помощью БПЛА для интегрированных беспроводных сенсорных сетей РЧ-БПЭ. Для снижения сложности текущего метода поиска методом перебора, используемого в беспроводных сенсорных сетях, разработаны новое асимптотическое решение и два эвристических алгоритма. Наш предлагаемый асимптотический метод выполняется за 24-478 секунд, эвристические алгоритмы выполняются за 15 секунд для 500 датчиков, где методу поиска методом перебора требуется 18 часов для выполнения предлагаемой настройки беспроводной сенсорной сети. По сравнению с обычными беспроводными сенсорными сетями, наши асимптотические и эвристические методы, реализованные в беспроводных сенсорных сетях, показывают увеличение производительности на 35,90% и 34,02% с точки зрения достижимой пропускной способности в центре обработки данных соответственно. Разработана новая одновременная беспроводная передача информации и мощности (ОБПИМ/SWIPT), интегрированная с помощью беспилотного летательного аппарата, двусторонняя совместная беспроводная сеть связи. Для обеспечения свежести данных у конечного пользователя разрабатывается и проверяется новая математическая модель для показателя производительности возраст информации (англ. Age of Information-AoI). Затем разрабатывается новый алгоритм последовательной выпуклой оптимизации, основанный на решении задачи оптимизации траектории БПЛА. Предлагаемый алгоритм траектории значительно повышает производительность возраст информации до 22%. Для решения проблем, связанных с отсутствием обратной связи по фиксированной линии и увеличением трафика данных, разработана сеть совместной связи ОБПИМ с интегрированным кэшем, оснащенная БПЛА. Когда коэффициент кэширования нашей системы превышает 0,5, пользователи нашей системы связи всегда получали более высокую скорость передачи данных, чем они запрашивали, независимо от трафика данных. Для предлагаемой сети связи разработан новый алгоритм оптимизации траектории. Предлагаемый алгоритм обеспечивает среднее увеличение скорости передачи данных на 40, 63% по сравнению с прямой траекторией БПЛА. Теоретическая значимость. Предлагаемые модели систем связи с оптимальными схемами распределения ресурсов составляют теоретическую основу, которая будут использоваться в беспроводных системах с использованием БПЛА, удовлетворяющих требованиям 5G и последующих поколений. Полученные теоретические данные могут быть использованы для практической реализации использования сбора РЧ энергии для последующих версий 3GPP технологии. Практическая значимость. Предлагаемые схемы сбора энергии могут быть использованы для создания системы управления энергопотреблением для БПЛА в системах беспроводной связи для повышения энергетической эффективности и времени работы. Простые алгоритмы, разработанные в рамках выполнения данной диссертационной работы, могут применяться в существующих инфраструктурах беспроводных сенсорных сетей в приложениях Интернета вещей (англ. Internet-of-Things), таких как интеллектуальные транспортные системы, приложения связи, операции по спасению в условиях стихийных бедствий и т. д. для увеличения общей энергоэффективности при сохранении ожидаемого качества обслуживания. Наконец, математические алгоритмы, разработанные для оценки задержки информации, могут быть использованы в качестве базы для будущих исследований по оптимизации получения данных в сверхнадежных беспрододных коммуникационных сетях с низкой задержкой (англ. Ultra-reliable low latency communications - URLLC) следующего поколения с использованием БПЛА. Методы: оптимизации: метод множителей Лагранжа, двойственная функция Лагранжа, методы выпуклой оптимизации, условия ККТ, последовательные алгоритмы итерации, метод золотого сечения и итеративной жесткой пороговой обработки. Для симуляции использовались методы моделирования Монте-Карло, применение функций в C, MATLAB и Wolfram Mathematica. Для получения математических выражений были использованы следующие математические методы: линейная алгебра, частные производные, дифференцирование, интегрирование, функции плотности вероятности, распределения Гаусса, экспоненциальное, геометрическое, Релея, М-распределение Накагами, Райса, гамма-функция и неполные гамма-функция, аппроксимация Лапласа, Функции Бесселя Первого и второго рода. Область применения. Результат этой диссертации будет теоретически использован для будущих исследований Лабораторией передачи Исследовательского центра телекоммуникаций, Технологический кампус Шри-Ланки, Шри-Ланка. Результат этой диссертации будет практически использован INERGE - Бразильским институтом науки и техники в области электроэнергетики, Бразилия.
chairman_dissertation_council.name: Александр
chairman_dissertation_council.surname: Гоголь
chairman_dissertation_council.patronymic: Александрович
chairman_dissertation_council.position: заведующий кафедрой
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: U-7879-2018
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 57203165898
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Василий
organization_supervisor.surname: Елагин
organization_supervisor.patronymic: Сергеевич
organization_supervisor.position: Начальник Управления НРПНК
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 47.05.11
rubrics.name: Теоретико-информационные аспекты радиотехнических систем
oecds.code: 02.02.EU
oecds.name: COMMUNICATION
speciality_codes.name: Системы, сети и устройства телекоммуникаций
speciality_codes.code: 05.12.13
supervisors.fio: Джаякоди Арачшиладж Душанта Налин Кумара
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Системы, сети и устройства телекоммуникаций
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Фланаган Марк
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Системы, сети и устройства телекоммуникаций
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Кучерявый Евгений Андреевич
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Системы, сети и устройства телекоммуникаций
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: СПБГУТ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА"
protection_organization.ogrn: 1027809197635
protection_organization.supervisor_name: СЕРГЕЙ
protection_organization.supervisor_surname: БАЧЕВСКИЙ
protection_organization.supervisor_patronymic: ВИКТОРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФГАОУ ВО НИ ТПУ, ТПУ, НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
author_organization.ogrn: 1027000890168
author_organization.supervisor_name: АНДРЕЙ
author_organization.supervisor_surname: ЯКОВЛЕВ
author_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения