Имитационно-аналитическая модель надежности с возможной репликацией передач в реконфигурируемой многопутевой беспроводной сети

   Введение. Рассмотрены методы обеспечения и оценки надежности беспроводных реконфигурируемых многопутевых сетей. Отказоустойчивость многопутевых беспроводных сетей поддерживается с помощью
ограниченного 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. 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. 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. 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.

1. Liu 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.2019.2931394

2. Njah 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.2019.2931394

3. Hashim 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.2015.09.013

4. Duraipandian 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.2019.1.003

5. Zonouz 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.2014.2332296

6. Netes V. Modern network technologies and dependability // Proc. of the 3^rd International Scientific and Technical Conference Modern Computer Network Technologies (MoNeTeC). 2020. P. 104–113. doi: 10.1109/monetec49726.2020.9258328

7. Chun 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.2018.06.006

8. Rhim 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/s13673-018-0153-6

9. Астахова 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-2024-10-4-100-109

10. Татарникова 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.138.222-228

11. 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. V. 12. N 11. P. 481–491.

12. 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: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-294-301

13. Величко В.В., Попков Г.В., Попков В.К. Модели и методы повышения живучести современных систем связи. М.: Горячая линия–Телеком, 2014. 270 с.

14. Нетес В.А. Основы теории надежности. М.: Горячая линия–Телеком, 2024. 102 с.

15. Шувалов В.П., Егунов М.М., Минина Е.А. Обеспечение показателей надежности телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия - Телеком, 2016. 168 с.

16. 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.

17. 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_9

18. Bogatyrev 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^th International Scientific Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). 2022. P. 1–5. doi: 10.1109/icct56057.2022.9976839

19. Bogatyrev 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/weconf51603.2021.9470640

20. Bogatyrev 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/weconf48837.2020.9131517

21. Bogatyrev 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/RusAutoCon54946.2022.9896286

22. Bogatyrev 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/smartindustrycon57312.2023.10110818

23. Хабаров С.П. Основы моделирования беспроводных сетей в среде OMNeT++. СПб: Лань, 2021. 260 с.