Адаптивний MQTT-шлюз для вузьких IoT-каналів (NB-IoT/LoRa)

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorПоперешняк, Світлана Володимирівна
dc.contributor.authorНіконоров, Андрій Олексійович
dc.date.accessioned2026-04-02T11:00:36Z
dc.date.available2026-04-02T11:00:36Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractРозмір пояснювальної записки – 110 аркушів, містить 9 ілюстрацій, 34 таблиці, 4 додатки, 25 посилань на джерела. Актуальність теми. У роботі розглянуто проблему ефективної доставки IoT-телеметрії у вузькосмугових каналах зв’язку NB-IoT та LoRaWAN з використанням брокерної моделі MQTT, показано основні особливості існуючих протоколів і підходів до телеметрії в LPWAN-мережах, їх переваги та недоліки щодо затримок, втрат і використання ресурсу каналу. Виявлено потребу в розробці адаптивного MQTT-шлюзу, який у реальному часі підлаштовує формат, частоту та надійність передавання під стан каналу без модифікації брокера. Мета дослідження. Основною метою є підвищити ефективність і надійність доставки IoT-телеметрії у вузькосмугових каналах (NB-IoT/LoRa) шляхом адаптації параметрів передавання в реальному часі та використання можливостей MQTT v5 без змін у брокері. Об’єкт дослідження: програмне забезпечення для збору, трансформації та транспортування IoT‑телеметрії (NB‑IoT/LoRa) у вузькосмугових LPWAN‑мережах. Предмет дослідження: процеси розроблення, модифікації та забезпечення якості програмного забезпечення адаптивної телеметрії, а також методи побудови й експериментальної оцінки політик адаптації для MQTT-шлюзу, орієнтованих на досягнення цільових показників якості обслуговування. Для реалізації поставленої мети сформульовані наступні завдання: − проаналізувати існуючі протоколи та підходи до телеметрії в NB‑IoT/LoRa та вимоги до якості доставки даних; − сформулювати вимоги до адаптивного MQTT‑шлюзу й побудувати модель SLO/SLI для вузьких IoT‑каналів; − розробити функціональну алгебру політик та FRP‑модель оцінювання стану каналу для опису адаптації телеметрії; − реалізувати адаптивний MQTT-шлюз на основі розробленої моделі без внесення змін до брокера; − провести експериментальні дослідження із емуляцією умов NB-IoT/LoRaWAN та порівняти адаптивну схему зі статичною за критеріями трафіку, затримки, втрат та стабільності. Наукова новизна результатів магістерської дисертації полягає в тому, що запропоновано формальну функціональну алгебру політик і FRP-модель для побудови адаптивного MQTT-шлюзу у вузькосмугових IoT-мережах, яка на відміну від існуючих рішень розглядає формат, батчинг, швидкість і рівень надійності як єдиний конвеєр чистих перетворень над потоком телеметрії, забезпечує формальні інваріанти стабільності (обмежені черги, відсутність осциляцій) та має операційне відображення на механізми MQTT v5 без модифікації брокера. Результат досягнутий шляхом побудови алгебри операторів Encode/Delta/Batch/Throttle/QoS/Timeout, використання FRP-сигналів для оцінювання стану каналу та інтеграції цих механізмів із можливостями MQTT v5. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблено референсну архітектуру і програмну реалізацію адаптивного MQTT-шлюзу, у якій політики Encode, Delta, Batch, Throttle, QoS та Timeout об’єднані в межах одного застосунку й інтегровані з системою моніторингу на основі Prometheus та Grafana. Дана система може використовуватися як проміжний програмний компонент між IoT-пристроями та наявним MQTT-брокером без змін у брокері та впроваджуватися в системах розумних міст, аграрного сектору, промислової телеметрії, моніторингу довкілля й інфраструктурної безпеки. Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі інформатики та програмної інженерії Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського". Апробація. Наукові положення дисертації пройшли апробацію у доповідях на VI Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції «Інформаційні технології: моделі, алгоритми, системи (ITMAS–2025)» та XVIII Міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні технології і автоматизація – 2025», де окремо представлено прикладну реалізацію алгебри політик і FRP-керування для MQTT v5 у NB-IoT/LoRaWAN. Публікації. Наукові положення дисертації опубліковані в: 1) Ніконоров А.О., Поперешняк С.В. Функціональні алгебри політик та реактивні моделі для адаптивної телеметрії в мережах з обмеженими ресурсами // Наука і техніка сьогодні (Серія «Техніка»). – 2025. – № 10(51). – С.1844–1861. (Категорія «Б», спеціальність 122 «Комп’ютерні науки»). 2) Ніконоров А.О. SLODRIFT: прикладна реалізація алгебри політик і FRP-керування для MQTT v5 у NB-IoT/LoRaWAN // Інформаційні технології: моделі, алгоритми, системи (ITMAS–2025): Матеріали VI Міжнар. наук.-практ. інтернет-конф. – Миколаїв: НУК ім. адмірала Макарова, 2025. – С. 385–387. 3) Ніконоров А.О. Функціональна алгебра політик і FRP для стабільної адаптивної телеметрії в NB-IoT та LoRaWAN // XVIII Міжнар. наук.-практ. конф. «Інформаційні технології і автоматизація – 2025». – Одеса: ОНТУ, 2025. – С. 854–856.
dc.description.abstractotherExplanatory note size – 110 pages, contains 9 illustrations, 34 tables, 4 applications, 25 references. Topicality. The thesis examines the problem of reliable and efficient telemetry delivery in narrowband IoT networks NB-IoT and LoRaWAN, with the object being software for collecting, transforming and transporting IoT telemetry through an MQTT gateway. The main features of existing solutions based on MQTT/MQTT-SN/CoAP and ADR mechanisms are analysed, together with their advantages and limitations in constrained channels. The need is identified for developing a formally grounded adaptive MQTT gateway which tunes message rate, format and reliability to the actual channel state without any modifications to the broker. The aim of the study. The main target is to increase the efficiency and reliability of IoT telemetry delivery over narrowband NB-IoT/LoRa channels by adapting message encoding, batching and QoS parameters in real time without changing the MQTT broker. The object of research: software for collection, transformation and transportation of IoT telemetry in narrowband networks (NB-IoT/LoRa). The subject of research: processes of design, modification and quality assurance of adaptive telemetry software, as well as methods for building and experimentally evaluating adaptive MQTT-gateway policies based on a functional policy algebra and functional reactive programming. To achieve this goal, the following tasks were formulated: − to analyse existing protocols and approaches to telemetry in NB-IoT/LoRa and the requirements to data-delivery quality; − to define requirements, SLO/SLI and a model of network profiles for the new solution; to develop a functional policy algebra and an FRP-based channel-state model; − to implement an adaptive MQTT gateway with MQTT v5 integration and without broker changes; − to design an experimental methodology, emulate NB-IoT/LoRa channels and compare the adaptive scheme with a static one by efficiency and reliability criteria. The scientific novelty of the results of the master's dissertation is that a compact functional policy algebra for adaptive telemetry in NB-IoT/LoRa and an SLO-driven FRP control model for an MQTT gateway are proposed. In contrast to existing approaches, they treat encoding, delta encoding, batching, rate limiting, reliability level and data freshness as a single formal processing pipeline with clear denotational semantics, rewriting laws and flow-stability invariants. The result was achieved by constructing an FRP-based channel-state model, introducing contractive policy updates and providing an operational mapping of the algebra onto MQTT v5 mechanisms (Receive Maximum, Maximum Packet Size, Topic Alias, Message Expiry) without broker modification. The practical value of the obtained results is that a prototype adaptive MQTT gateway based on Scala/ZIO has been implemented, in which compression, delta encoding, batching and SLO-oriented flow control methods are combined inside a single application and remain fully compatible with standard MQTT v5 brokers without any changes on their side. A Prometheus/Grafana-based monitoring stack and a reproducible NB-IoT/LoRa testbed using tc netem have also been built, so the proposed gateway can be used as an intermediate software component in smart-city, agriculture, industrial telemetry, environmental monitoring and infrastructure-safety systems. Relationship with working with scientific programs, plans, topics. Work was performed at the Department of Computer Science and Software Engineering of the National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute». Approbation. The scientific provisions of the dissertation were tested at the The scientific results of the dissertation were presented and discussed at the VI International Scientific and Practical Internet Conference “Information Technologies: Models, Algorithms, Systems (ITMAS–2025)” and the XVIII International Scientific and Practical Conference “Information Technologies and Automation – 2025”, where an applied implementation of the policy algebra and FRP-based control for MQTT v5 in NB-IoT/LoRaWAN was demonstrated. Publications. The scientific provisions of the dissertation were published in: 1) Nikonorov A.O., Popereshnyak S.V. Functional policy algebras and reactive models for adaptive telemetry in resource-constrained networks // Science and Technology Today (Series “Engineering”). 2025, no. 10(51), pp. 1844–1861. 2) Nikonorov A.O. SLODRIFT: applied implementation of policy algebra and FRP-based control for MQTT v5 in NB-IoT/LoRaWAN // Information Technologies: Models, Algorithms, Systems (ITMAS–2025): Proc. of the VI Int. Sci.-Pract. Internet Conf. – Mykolaiv, Admiral Makarov NUS, 2025, pp. 385–387. 3) Nikonorov A.O. Functional policy algebra and FRP for stable adaptive telemetry in NB-IoT and LoRaWAN // XVIII Int. Sci.-Pract. Conf. “Information Technologies and Automation – 2025”. – Odesa: ONTU, 2025, pp. 854–856.
dc.format.extent155 с.
dc.identifier.citationНіконоров, А. О. Адаптивний MQTT-шлюз для вузьких IoT-каналів (NB-IoT/LoRa) : магістерська дис. : 121 Інженерія програмного забезпечення / Ніконоров Андрій Олексійович. - Київ, 2025. - 155 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/79936
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectадаптивний MQTT-шлюз
dc.subjectінтернет речей
dc.subjectNB-IoT
dc.subjectLoRaWAN
dc.subjectалгебра політик
dc.subjectтелеметрія
dc.subjectadaptive MQTT gateway
dc.subjectinternet of things
dc.subjectpolicy algebra
dc.subjecttelemetry
dc.subject.udc004.4:004.7:621.391
dc.titleАдаптивний MQTT-шлюз для вузьких IoT-каналів (NB-IoT/LoRa)
dc.title.alternativeAdaptive MQTT Gateway for Narrowband IoT Channels (NB-IoT/LoRa)
dc.typeMaster Thesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Nikonorov_magistr.pdf
Розмір:
2.87 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Магістерські роботи (ІПІ)
Магістерські роботи