Енергоефективний протокол маршрутизації для бездротових сенсорних мереж у системах IoT

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКлятченко, Ярослав Михайлович
dc.contributor.authorКатюха, Богдан Миколайович
dc.date.accessioned2026-06-08T12:05:02Z
dc.date.available2026-06-08T12:05:02Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractАктуальність теми. Розвиток технологій Інтернету речей супроводжується зростанням вимог до надійності протоколів маршрутизації. Однією з основних проблем для довгострокового функціонування таких систем залишається швидке виснаження автономних джерел живлення під час радіообміну між пристроями, оскільки витрати енергії на зв'язок перевищують витрати на обчислення. Зважаючи на це, актуальною задачею є розробка алгоритмів маршрутизації, здатних забезпечувати адаптивне балансування навантаження та запобігати передчасному виснаженню вузлів. Об’єкт дослідження. Інфраструктура бездротових сенсорних мереж, що функціонують в середовищі IoT. Предмет дослідження. Предмет дослідження – енергоефективні методи та алгоритми маршрутизації в IoT для передачі інформації між автономними вузлами. Мета роботи. Підвищення енергоефективності та подовження життєвого циклу бездротових сенсорних мереж в інфраструктурі Інтернету речей шляхом розробки, математичного обґрунтування та імітаційного моделювання нового протоколу маршрутизації, що забезпечує адаптивну кластеризацію, предиктивну оптимізацію мережевого навантаження на основі нечіткої логіки, алгоритму рою частинок і Mesh-магістралі. Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано комплексний підхід до організації мережевої топології, реалізований у гібридному протоколі ASMPLEACH. Наукова новизна полягає розробці комплексного гібридного підходу на основі поєднання ройового інтелекту, апарату нечіткої логіки та машинного навчання для системної мінімізації енерговитрат. До цільової функції оптимізації інтегровано предиктивний фактор стабільності, який забезпечує механізм завчасного виявлення перевантажених ділянок завдяки оцінці дисперсії споживання заряду. Це дозволяє динамічно перерозподіляти потоки та формувати Mesh-магістраль. Практичне значення одержаних результатів. Розроблений метод збільшує період стабільності мережі та зводить до мінімуму втрати інформаційних пакетів. Запропоноване рішення може бути використано в реальних проектах, де важливо забезпечити тривалу автономну роботу датчиків на значних площах. Особистий внесок. Особистий внесок при виконанні роботи полягає у проведенні аналізу області та створенні математичної моделі алгоритму. Розроблено імітаційну модель бездротової мережі IoT. Проведено порівняння різних алгоритмів маршрутизації за різними показниками. Апробація результатів роботи. Ключові ідеї та результати дослідження були описані у статті «Підвищення енергоефективності маршрутизації в IoT шляхом впровадження багатокритеріальної оптимізації та Mesh-структур» Публікації. Основні наукові здобутки висвітлено у двох працях: - Клятченко Я. М., Катюха Б. М., Методи, структури та алгоритми підвищення енергоефективності бездротових IoT мереж // Матеріали конф. ПМК-2025 (м. Київ, 19-21 листопада 2025 р.). - Катюха Б. М., Клятченко Я. М., Підвищення енергоефективності маршрутизації в IoT шляхом впровадження багатокритеріальної оптимізації та Mesh-структур // Науковий журнал «Компʼютерно-інтегровані технології: освіта, наука, виробництво», 2026 р. Структура та обсяг роботи. Матеріали дисертації викладені на 102 сторінках. У роботі наведено 3 таблиці та 7 рисунків. Документ включає вступну частину, чотири розділи, загальні підсумки, список використаних джерел із 49 найменувань та додатки. - Перший розділ розглядає теоретичні аспекти проблеми енергоспоживання у сенсорних мережах, містить огляд сучасних протоколів передачі даних та аналізує їхні вразливості, що призводять до передчасного виснаження батарей в умовах IoT. - Другий розділ присвячений математичному опису гібридного алгоритму та формалізації багатокритеріальної задачі оптимізації, де ключовим пріоритетом є рівномірне збереження заряду завдяки кластеризації та гнучким Mesh-зв'язкам. - Третій розділ описує хід симуляції мережі та експериментів і на базі цього аналізує отримані показники мережі. Досліджується динаміка життєвого циклу, пропускна здатність, обгрунтовується, що накладні витрати на інтелектуальні обчислення виправдовуються економією енергії на трансляції даних. - Четвертий розділ оцінює доцільність застосування протоколу в розрізі різних профілів трафіку, аналізує компроміс між енергозбереженням і часовими затримками. Досліджує недоліки алгоритму та визначає перспективи подальшого зниження ресурсоємності мережі.
dc.description.abstractotherTopic relevance. The rapid spread of Internet of Things technologies requires reliable spatial data collection tools. The main obstacle to the long-term functioning of such distributed systems remains the rapid depletion of autonomous power sources during radio exchange between devices, since the energy costs for communication exceed the computing costs. Given this, there is an urgent need to create innovative algorithmic routing solutions that can intelligently balance the load, avoid the depletion of transit nodes, and maximize the operating time of the entire infrastructure without the need for human intervention. Object of research. The infrastructure of wireless sensor networks operating in the IoT environment. Subject of research. Energy-efficient routing methods and algorithms in IoT for data transmission between autonomous nodes. Research goal. Creation and mathematical substantiation of a new routing algorithm capable of reducing the energy consumption of network elements and improving the reliability of data exchange in IoT networks. Scientific contribution. A comprehensive approach to the organization of network topology, implemented in the hybrid ASMPLEACH protocol, is proposed. Its scientific novelty lies in the synergistic combination of swarm intelligence tools, fuzzy logic, and machine learning for the systemic minimization of energy consumption. A predictive stability factor has been integrated into the optimization objective function, providing a mechanism for the early detection of overloaded areas by evaluating the variance of charge consumption. This allows for the dynamic redistribution of flows and the formation of a Mesh backbone. Practical value of obtained results. The developed method increases the period of network stability and minimizes the loss of information packets. The proposed solution can be used in real projects where it is important to ensure the long-term autonomous operation of sensors over large areas. Personal contribution. The personal contribution during the execution of the work consists of analyzing the domain and creating the mathematical model of the algorithm. A simulation model of the wireless IoT network was developed. A comparison of various routing algorithms across different indicators was conducted. Approbation of the thesis results. The key ideas and research results were described in the article "Improving the energy efficiency of IoT routing by implementing multi-objective optimization and Mesh structures". Publications. The main scientific achievements are highlighted in two works: - Klyatchenko Ya. M., Katiukha B. M., Methods, structures and algorithms for improving the energy efficiency of wireless IoT networks // Proceedings of the conf. PMC-2025 (Kyiv, November 19-21, 2025). - Katiukha B. M., Klyatchenko Ya. M., Improving the energy efficiency of IoT routing by implementing multi-objective optimization and Mesh structures // Scientific journal "Computer-integrated technologies: education, science, production", 2026. Structure and scope of the work. The thesis materials are presented on 102 pages. The work contains 3 tables and 7 figures. The document includes an introduction, four chapters, general conclusions, a list of references with 49 items, and appendices. - The first chapter considers the theoretical aspects of the energy consumption problem in sensor networks, provides an overview of modern data transmission protocols, and analyzes their vulnerabilities that lead to premature battery depletion in IoT conditions. - The second chapter is devoted to the mathematical description of the hybrid algorithm and the formalization of the multi-objective optimization problem, where the key priority is the uniform conservation of charge through clustering and flexible Mesh links. - The third chapter describes the course of network simulation and experiments, and based on this, analyzes the obtained network indicators. The dynamics of the life cycle and throughput are investigated, and it is justified that the overhead costs of intellectual computations are compensated by the energy savings on data transmission. - The fourth chapter evaluates the feasibility of applying the protocol across different traffic profiles, analyzing the trade-off between energy savings and time delays. It investigates the shortcomings of the algorithm and determines the prospects for further reduction of the network's resource consumption.
dc.format.extent102 с.
dc.identifier.citationКатюха, Б. М. Енергоефективний протокол маршрутизації для бездротових сенсорних мереж у системах IoT : 123 Комп'ютерна інженерія / Катюха Богдан Миколайович. – Київ, 2026. – 102 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/81529
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectенергозбереження
dc.subjectенергоефективна маршрутизація
dc.subjectройовий інтелект
dc.subjectнечітка логіка
dc.subjectбездротові сенсорні мережі
dc.subjectІнтернет речей
dc.subjectMesh-магістраль
dc.subjectкластерна ієрархія.
dc.subjectenergy saving
dc.subjectenergy-efficient routing
dc.subjectswarm intelligence
dc.subjectfuzzy logic
dc.subjectwireless sensor networks
dc.subjectInternet of Things
dc.subjectMesh backbone
dc.subjectcluster hierarchy.
dc.subject.udc004.72
dc.titleЕнергоефективний протокол маршрутизації для бездротових сенсорних мереж у системах IoT
dc.typeMaster Thesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Katiukha_magistr.pdf
Розмір:
1.99 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 (СПСКС)
Магістерські роботи