Метод адаптивного керування параметрами радіопротоколу для підвищення надійності передачі даних у low-power IoT системах
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Актуальність теми. Стрімкий розвиток технологій Інтернету речей (IoT) призвів до масового впровадження бездротових пристроїв, що функціонують у складі мереж класу LPWAN (Low-Power Wide Area Networks). Одним із найпоширеніших рішень є технологія LoRa, яка забезпечує передавання даних на великі відстані за низького енергоспоживання. Ефективність функціонування таких систем напряму залежить від параметрів передавання даних, а саме: коефіцієнта розширення спектра (SF), потужності сигналу (TxPower) та частоти виходу в ефір. У реальних умовах експлуатації стан радіоканалу та навантаження мережі можуть швидко змінюватися, що породжує конфлікт між надійністю передачі даних та енергоефективністю системи. Стандартний механізм адаптації Adaptive Data Rate (ADR), який реалізований в протоколі LoRaWAN є прикладом спроби вирішити дану проблему. Однак через відсутність урахування комплексного стану мережі та загальну інертність він лише частково вирішує проблему. Це створює передумови для розроблення методу контекстно-залежної адаптації, який забезпечує одночасне врахування рівня сигналу, надійності доставки та стабільності каналу.
Мета роботи. Підвищення надійності передавання даних з урахуванням енергоефективності функціонування low-power IoT систем шляхом розроблення методу адаптивного керування параметрами радіопротоколу на основі багатокритеріальної оцінки якості зв'язку.
Об'єкт дослідження. Процес обміну даними між вузлами low-power IoT мережі в умовах змінного стану радіоканалу.
Предмет дослідження. Контекстно-залежні методи адаптації параметрів радіопротоколу на основі функції оцінки якості зв'язку Q(t).
Методи дослідження. У роботі застосовано методи системного та порівняльного аналізу для узагальнення сучасних підходів адаптації параметрів LoRa-мереж. Для формалізації багатокритеріальної функції оцінки якості зв'язку Q(t) застосовано методи математичного моделювання. Реалізацію запропонованого методу на платформі STM32WL55 виконано з використанням модульного програмування мовою C та підходів проєктування вбудованих систем. Ефективність розроблених алгоритмів оцінено за допомогою натурних експериментів і обробки результатів за критеріями PDR та енергоефективності.
Наукова новизна. У результаті виконання роботи отримано такі наукові результати. Удосконалено метод адаптації параметрів передавання у LoRa-системах. На відміну від стандартного механізму ADR, розроблений алгоритм базується на багатокритеріальній функції оцінки якості зв'язку Q(t), що враховує одночасно рівень сигналу (RSSI, SNR), надійність доставки (PDR) та стабільність якості каналу (дисперсію SNR за вікно спостереження) з ваговими коефіцієнтами, що дозволяє ефективніше реагувати на зміну стану радіоканалу та навантаження мережі. Дістала подальшого розвитку концепція контекстно-залежної адаптації параметрів радіопротоколу, яка, на відміну від відомих рішень, забезпечує одночасну узгоджену зміну SF і TxPower на основі інтегрованої оцінки стану мережі, що скорочує кількість повторних передач і зменшує енергоспоживання вузлів за умов динамічного радіосередовища.
Практична цінність. Отримані результати мають практичну цінність завдяки можливості застосування розробленого методу при проєктуванні енергообмежених IoT-систем на базі технології LoRa. Реалізований на платформі STM32WL55 програмно-апаратний прототип методу демонструє підвищення надійності передавання даних та зниження енергоспоживання у порівнянні зі стандартним механізмом ADR за умов динамічного радіосередовища. Запропонований підхід може бути впроваджений у системах віддаленого моніторингу довкілля, промислового IoT та масштабованих сенсорних мережах, де критичним є балансування між надійністю зв'язку та строком автономної роботи пристроїв.
Особистий внесок магістранта. Усі основні наукові та практичні результати дисертації одержані автором особисто. У спільних публікаціях здобувач брав участь в аналізі сучасних методів адаптації параметрів LoRa-мережі. Також він узагальнив обмеження існуючих підходів і сформулював концепцію контекстно-залежної адаптації параметрів передавання, яка базується на комплексній оцінці стану радіоканалу. У межах магістерської дисертації автор самостійно розробив формалізацію багатокритеріальної функції оцінки якості зв'язку Q(t) та на її основі запропонував алгоритм Q-ADR. Крім того, автор спроєктував і реалізував програмно-апаратну архітектуру цього методу на платформі STM32WL55 та провів експериментальне дослідження ефективності запропонованого методу з порівнянням із фіксованими параметрами та стандартним ADR. Науковий керівник здійснював постановку задачі, загальне керівництво дослідженням і надавав консультативну допомогу.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи були представлені та обговорювались на XVIII науковій конференції магістрантів та аспірантів «Прикладна математика та комп'ютинг – ПМК'2025» (м. Київ, 19–21 листопада 2025 р.).
Публікації. За результатами дослідження опубліковано дві наукові праці: одну статтю у фаховому науковому виданні категорії «Б» («Комп'ютерно-інтегровані технології: освіта, наука, виробництво», 2026, № 62, с. 311–320) та одні тези доповіді на XVIII науковій конференції магістрантів та аспірантів «Прикладна математика та комп'ютинг – ПМК'2025» (м. Київ, 2025, с. 334–339).
Структура та обсяг роботи. Магістерська дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків до кожного розділу та загальних висновків по роботі, списку використаних джерел та додатків.
У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність обраного напряму досліджень, сформульовано мету і задачі, визначено об'єкт і предмет дослідження, відображено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.
У першому розділі проведено аналіз сучасних методів адаптивного керування параметрами LoRa-мереж, розглянуто стандартний механізм ADR та його обмеження, проаналізовано підходи з динамічним керуванням потужністю передавання, методи на основі машинного навчання та контекстно-залежної адаптації, визначено напрям удосконалення.
У другому розділі обґрунтовано вибір метрик якості каналу зв'язку, сформульовано багатокритеріальну функцію оцінки стану зв'язку Q(t), розроблено модель контекстно-залежної адаптації параметрів передавання, визначено методику експериментального дослідження.
У третьому розділі описано програмно-апаратну реалізацію запропонованого методу на платформі STM32WL55 з використанням трьох вузлів (Master, Slave, Interferer), наведено архітектуру протоколу обміну та реалізацію трьох варіантів алгоритмів керування – фіксовані параметри (Fixed), стандартний ADR і запропонований Q-ADR.
У четвертому розділі наведено результати експериментального дослідження ефективності запропонованого методу за критеріями PDR та енергоефективності у різних сценаріях радіоумов, представлено порівняльний аналіз з існуючими рішеннями.
У висновках підсумовано результати проведеної роботи.
Робота викладена на 97 сторінках, містить 13 рисунків, 8 таблиць, посилання на список використаних джерел із 20 найменувань.
Ключові слова: LoRa, LPWAN, IoT, адаптивне керування, Adaptive Data Rate, контекстно-залежна адаптація, багатокритеріальна оптимізація, енергоефективність, надійність зв'язку, STM32WL55.
Опис
Ключові слова
LoRa, LPWAN, IoT, адаптивне керування, Adaptive Data Rate, контекстно-залежна адаптація, багатокритеріальна оптимізація, енергоефективність, надійність зв'язку, STM32WL55, adaptive control, context-aware adaptation, multi-criteria optimisation, energy efficiency, link reliability, STM32WL55.
Бібліографічний опис
Статечний, С. В. Метод адаптивного керування параметрами радіопротоколу для підвищення надійності передачі даних у low-power IoT системах : магістерська дис. : 123 Комп'ютерна інженерія / Статечний Сергій Валерійович. – Київ, 2026. – 97 с.