ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-4-762-770ntv-502Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONИмитационно-аналитическая модель надежности с возможной репликацией передач в реконфигурируемой многопутевой беспроводной сетиSimulation and analytical model of reliability with possible replication of transmissions in a reconfigurable multipath wireless networkhttps://orcid.org/0000-0002-5637-7427АбрамоваЕ. А.AbramovaE. A.

Евгения Александровна Абрамова, аспирант

197101; Санкт-Петербург

sc 57221663902

Evgeniya A. Abramova, PhD Student

197101; Saint Petersburg

sc 57221663902

Vectra4444@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0213-0223БогатыревВ. А.BogatyrevV. A.

Владимир Анатольевич Богатырев, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры

197101; 190000; Санкт-Петербург

sc 7006571069

Vladimir A. Bogatyrev, D.Sc., Professor, Professor at the Department

197101; 190000; Saint Petersburg

sc 7006571069

vladimir.bogatyrev@gmail.comУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУниверситет ИТМО; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроенияРоссияITMO University; Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation (SUAI)Russian Federation202529082025254762770Copyright © Абрамова Е.А., Богатырев В.А., 20252025Абрамова Е.А., Богатырев В.А.Abramova E.A., Bogatyrev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/502   Введение

   Введение. Рассмотрены методы обеспечения и оценки надежности беспроводных реконфигурируемых многопутевых сетей. Отказоустойчивость многопутевых беспроводных сетей поддерживается с помощьюограниченного числа связанных между собой коммутационных узлов-переключателей, позволяющих проводить реконфигурацию при перераспределении трафика через сохранившие связанность сегменты путей.

   Целью работы является повышение надежности передачи данных в многопутевых беспроводных сетях.

   Надежность достигается в результате обоснования выбора места расположения переключателей маршрутов с учетом влияния на вероятности доставки пакетов отказов коммутационных узлов и комбинаций различных препятствий распространения сигналов по совокупности путей связи с адресуемым узлом. Для сравнения решений построения сети предлагается модель, отражающая влияние на надежность передач месторасположения узлов переключателей путей.

   Метод

   Метод. Исследование надежности беспроводной многопутевой сети основывается на сочетании аналитического и имитационного моделирований. Оценка надежности сети предполагает ее декомпозицию с учетом возможных комбинаций отказов узлов переключателей путей и их влияния на возможности реконфигурации в результате переключения сегментов путей, сохранивших после отказов связанность входящих в их состав узлов. Оценка вероятности потери пакетов при передаче по беспроводным каналам осуществляется в результате имитационного моделирования с использованием инструментальных средств OMNeT++. Предлагаемый подход позволяет совместить оценки надежности структуры сети и процесса передачи данных (доставки пакетов) через нее с учетом отказов узлов, а также постоянных и меняющихся препятствий (условий) распространения сигналов между узлами.

   Основные результаты

   Основные результаты. Проанализированы возможности повышения надежности беспроводных сетей с многопутевой маршрутизацией в результате оптимизации размещения ограниченного числа узлов межпутевого переключения передач. Предложена имитационно-аналитическая модель надежности беспроводных реконфигурируемых многопутевых сетей, которая учитывает при оценке вероятности доставки пакетов, отказы коммуникационных узлов и потери пакетов при вариациях расположения физических препятствий прохождения сигналов между узлами. Показано, что выбор размещения узлов межпутевого переключения существенно влияет на надежность доставки пакетов. При этом существует оптимальное размещение переключателей, обеспечивающее в зависимости от распределения по путям препятствий передачи сигналов максимум надежности передач.

   Обсуждение

   Обсуждение. Результаты исследования могут быть применены при прогнозировании надежности и обосновании проектных решений построения отказоустойчивых многопутевых реконфигурируемых беспроводных сетей. В дальнейшем предполагается рассмотреть более сложные топологии сетей с учетом влияния реконфигурации на надежность и на задержки доставки пакетов.

   Methods for ensuring and evaluating the reliability of wireless reconfigurable multipath networks are considered. The fault tolerance of multipath wireless networks is maintained using a limited number of interconnected switching nodes which allow reconfiguration when traffic is redistributed through the connected path segments.

   The aim of the work is to increase the reliability of transmissions in multipath wireless networks as a result of justifying the choice of route switches, taking into account the impact on the probability of packet delivery of both failures of switching nodes and combinations of various obstacles to signal propagation along a set of communication paths with the addressable node.

   To compare network construction solutions, a model is proposed that reflects the influence of the location of path switch nodes on transmission reliability. The study of the reliability of a wireless multipath network is based on a combination of analytical and simulation modeling. An assessment of network reliability involves its decomposition, taking into account possible combinations of failures of path switch nodes and their impact on reconfiguration capabilities as a result of switching path segments that have retained the connectivity of their constituent nodes after failures. The probability of packet loss during transmission over wireless channels is estimated as a result of simulation using OMNeT++ tools. The proposed approach makes it possible to combine estimates of the reliability of the network structure and the process of data transmission (packet delivery) through it, taking into account node failures as well as constant and changing obstacles (conditions) of signal propagation between nodes. The possibilities of increasing the reliability of wireless networks with multipath routing are analyzed as a result of optimizing the placement of a limited number of inter-path gearshift nodes. A simulation and analytical model of the reliability of wireless reconfigurable multipath networks is proposed, which takes into account failures of communication nodes and packet losses with variations in the location of physical obstacles to signal transmission between nodes when assessing the probability of packet delivery. It is shown that the choice of the location of the inter-path switching nodes significantly affects the reliability of packet delivery, while there is an optimal placement of switches, which ensures maximum transmission reliability depending on the distribution of signal transmission obstacles along the paths. The results of the study can be applied in predicting reliability and substantiating design solutions for building fault-tolerant multipath reconfigurable wireless networks. In the future, it is expected to consider more complex network topologies, taking into account the impact of reconfiguration on both reliability and packet delivery delays.

надежностьмногопутевая маршрутизацияотказоустойчивостьреконфигурацияOMNeT++беспроводная сетьreliabilitymultipath routingfault tolerancereconfigurationOMNeT++wireless networkReferencesLiu Y., Liu A., Liu X., Ma M. A trust-based active detection for cyber-physical security in industrial environments // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2019. V. 15. N 12. P. 6593–6603. doi: 10.1109/tii.2019.2931394Liu Y., Liu A., Liu X., Ma M. A trust-based active detection for cyber-physical security in industrial environments. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, vol. 15, no. 12, pp. 6593–6603. doi: 10.1109/tii.2019.2931394Njah Y., Cheriet M. Parallel route optimization and service assurance in energy-efficient software-defined industrial IoT networks // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 24682–24696. doi: 10.1109/tii.2019.2931394Njah Y., Cheriet M. Parallel route optimization and service assurance in energy-efficient software-defined industrial IoT networks. IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 24682–24696. doi: 10.1109/tii.2019.2931394Hashim A., Ayinde B.O., Abido M.A. Optimal placement of relay nodes in wireless sensor network using artificial bee colony algorithm // Journal of Network and Computer Applications. 2016. V. 64. P. 239–248. doi: 10.1016/j.jnca.2015.09.013Hashim A., Ayinde B.O., Abido M.A. Optimal placement of relay nodes in wireless sensor network using artificial bee colony algorithm. Journal of Network and Computer Applications, 2016, vol. 64, pp. 239–248. doi: 10.1016/j.jnca.2015.09.013Duraipandian M. Performance evaluation of routing algorithm for MANET based on the machine learning techniques // Journal of Trends in Computer Science and Smart Technology. 2019. V. 1. N 1. P. 24–35. doi: 10.36548/jtcsst.2019.1.003Duraipandian M. Performance evaluation of routing algorithm for MANET based on the machine learning techniques. Journal of Trends in Computer Science and Smart Technology, 2019, vol. 1, no. 1, pp. 24–35. doi: 10.36548/jtcsst.2019.1.003Zonouz A.E., Xing L., Vokkarane V.M., Sun Y.L. Reliability-oriented single-path routing protocols in wireless sensor networks // IEEE Sensors Journal. 2014. V. 14. N 11. P. 4059–4068. doi: 10.1109/JSEN.2014.2332296Zonouz A.E., Xing L., Vokkarane V.M., Sun Y.L. Reliability-oriented single-path routing protocols in wireless sensor networks. IEEE Sensors Journal, 2014, vol. 14, no. 11, pp. 4059–4068. doi: 10.1109/JSEN.2014.2332296Netes V. Modern network technologies and dependability // Proc. of the 3<sup>rd</sup> International Scientific and Technical Conference Modern Computer Network Technologies (MoNeTeC). 2020. P. 104–113. doi: 10.1109/monetec49726.2020.9258328Netes V. Modern network technologies and dependability. Proc. of the 3<sup>rd</sup> International Scientific and Technical Conference Modern Computer Network Technologies (MoNeTeC), 2020, pp. 104–113. doi: 10.1109/monetec49726.2020.9258328Chun J., Song J., Paulino G. System-reliability-based design and topology optimization of structures under constraints on first-passage probability // Structural Safety. 2019. V. 76. P. 81–94. doi: 10.1016/j.strusafe.2018.06.006Chun J., Song J., Paulino G. System-reliability-based design and topology optimization of structures under constraints on first-passage probability. Structural Safety, 2019, vol. 76, pp. 81–94. doi: 10.1016/j.strusafe.2018.06.006Rhim H., Tamine K., Abassi R., Sauveron D., Guemara S. A multi-hop graph-based approach for an energy-efficient routing protocol in wireless sensor networks // Human-centric Computing and Information Sciences. 2018. V. 8. P. 30. doi: 10.1186/s13673-018-0153-6Rhim H., Tamine K., Abassi R., Sauveron D., Guemara S. A multi-hop graph-based approach for an energy-efficient routing protocol in wireless sensor networks. Human-centric Computing and Information Sciences, 2018, vol. 8, pp. 30. doi: 10.1186/s13673-018-0153-6Астахова Т.Н., Колбанёв М.О., Лямин А.С., Маслов Н.С., Маслова Д.А. Энергоэффективный алгоритм выбора маршрута передачи данных в беспроводных сенсорных сетях высокой плотности. Труды учебных заведений связи. 2024. Т. 10. № 4. С. 100–109. doi: 10.31854/1813-324X-2024-10-4-100-109Astakhova T.N., Kolbanev M.O., Lyamin A.S., Maslov N.S., Maslova D.A. Energy-efficient algorithm for data path selection in high-density wireless sensor networks. Proceedings of Telecommunication Universities, 2024, vol. 10, no.4, pp. 100-109. (in Russian) doi: 10.31854/1813-324X-2024-10-4-100-109Татарникова Т.М., Бимбетов Ф., Горина Е.В. Дополнение к алгоритму кластеризации беспроводной сенсорной сети // Программные продукты и системы. 2022. № 2. С. 222–228. doi: 10.15827/0236-235X.138.222-228Tatarnikova T.M., Bimbetov F., Gorina E.V. An addition to the clustering algorithm of a wireless sensor network. Software and Systems, 2022, no. 2, pp. 222-228. (in Russian). doi: 10.15827/0236-235X.138.222-228Sadek R.A., Abd-alazeem D.M., Abbassy M.M. A new energy-efficient multi-hop routing protocol for heterogeneous wireless sensor networks // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2021. V. 12. N 11. P. 481–491.Sadek R.A., Abd-alazeem D.M., Abbassy M.M. A new energy-efficient multi-hop routing protocol for heterogeneous wireless sensor networks. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 2021, vol. 12, no. 11, pp. 481–491.Татарникова Т.М., Бимбетов Ф., Горина Е.В. Алгоритм энергоэффективного взаимодействия узлов беспроводной сенсорной сети // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 2. С. 294–301. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-294-301Tatarnikova T.M., Bimbetov F., Gorina E.V. Algorithm for energy-efficient interaction of wireless sensor network nodes. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 2, pp. 294–301. (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-294-301Величко В.В., Попков Г.В., Попков В.К. Модели и методы повышения живучести современных систем связи. М.: Горячая линия–Телеком, 2014. 270 с.Velichko V.V., Popkov G.V., Popkov V.K. Models and Methods of Increasing the Survivability of Modern Communication Systems. Moscow: Hotline–Telecom Publ., 2014, 270 p. (in Russian)Нетес В.А. Основы теории надежности. М.: Горячая линия–Телеком, 2024. 102 с.Netes V.A. Fundamentals of Reliability Theory. Moscow: Hotline–Telecom Publ., 2024, 102 p. (in Russian)Шувалов В.П., Егунов М.М., Минина Е.А. Обеспечение показателей надежности телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия - Телеком, 2016. 168 с.Shuvalov V.P., Egunov M.M., Minina E.A. Ensuring Reliability Indicators of Telecommunication Systems and Networks. Moscow: Hotline–Telecom Publ., 2016, 167 p. (in Russian)Bogatyrev V.A. Protocols for dynamic distribution of requests through a bus with variable logic ring for reception authority transfer // Automatic Control and Computer Sciences.1999. V. 33. N 1. P. 57–63.Bogatyrev V.A. Protocols for dynamic distribution of requests through a bus with variable logic ring for reception authority transfer. Automatic Control and Computer Sciences,1999, vol. 33, no. 1, pp. 57–63.Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V., Bogatyrev S.V. Multipath transmission of heterogeneous traffic in acceptable delays with packet replication and destruction of expired replicas in the nodes that make up the path // Communications in Computer and Information Science. 2023. V. 1748. P. 104–121. doi: 10.1007/978-3-031-30648-8_9Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V., Bogatyrev S.V. Multipath transmission of heterogeneous traffic in acceptable delays with packet replication and destruction of expired replicas in the nodes that make up the path. Communications in Computer and Information Science, 2023, vol. 1748, pp. 104–121. doi: 10.1007/978-3-031-30648-8_9Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V. Control of multipath transmissions in the nodes of switching segments of reserved paths // Proc. of the 6<sup>th</sup> International Scientific Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). 2022. P. 1–5. doi: 10.1109/icct56057.2022.9976839Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V. Control of multipath transmissions in the nodes of switching segments of reserved paths. Proc. of the 6<sup>th</sup> International Scientific Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT), 2022, pp. 1–5. doi: 10.1109/icct56057.2022.9976839Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V., Bogatyrev V.A. Priority Maintenance with Replication of Wait-Critical Requests // Proc. of the Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). 2021. P. 9470640. doi: 10.1109/weconf51603.2021.9470640Bogatyrev A.V., Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. The probability of timely fully connected exchange in redundant real-time communication system. Proc. of the Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2020, pp. 9131517. doi: 10.1109/weconf48837.2020.9131517Bogatyrev A.V., Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. The probability of timely fully connected exchange in redundant real-time communication system // Proc. of the Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). 2020. P. 9131517. doi: 10.1109/weconf48837.2020.9131517Bogatyrev A.V., Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. The probability of timely fully connected exchange in redundant real-time communication system. Proc. of the Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2020, pp. 9131517. doi: 10.1109/weconf48837.2020.9131517Bogatyrev V.A., Le A.T., Abramova E.A. Structural reliability of a multipath routing network with reconfigurations when switching routes // Proc. of the International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 2022. P. 414–418. doi: 10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896286Bogatyrev V.A., Le A.T., Abramova E.A. Structural reliability of a multipath routing network with reconfigurations when switching routes. Proc. of the International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 2022, pp. 414–418. doi: 10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896286Bogatyrev V.A., Le A.T., Abramova E.A. Reliability of multipath networks with optimization of the location of inter-path communication nodes // Proc. of the International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon). 2023. P. 449–453. doi: 10.1109/smartindustrycon57312.2023.10110818Bogatyrev V.A., Le A.T., Abramova E.A. Reliability of multipath networks with optimization of the location of inter-path communication nodes. Proc. of the International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon), 2023, pp. 449–453. doi: 10.1109/smartindustrycon57312.2023.10110818Хабаров С.П. Основы моделирования беспроводных сетей в среде OMNeT++. СПб: Лань, 2021. 260 с.Khabarov S.P. Fundamentals of Modeling Wireless Networks in the OMNeT++ Environment. St. Petersburg: Lan Publishing House, 2021, 260 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.