CC BY
15TECHNICAL SCIENCES
DEVELOPMENT OF ROUTING ALGORITM FOR SELF-ORGANSZED INFORMATION
NETWORKS
Sobchuk V.,
Doctor of Engineering, Associate Professor Department of Higher Mathematics State University of Telecommunications : Study in Ukraine Solomenska street, 7, Kyiv, Ukraine, 03110
Breslavsky V., State University of Telecommunications street Solomianska, 7, Kyiv, Ukraine, 03110
Laptiev S.,
State University of Telecommunications, Kyiv, street Solomianska, 7, Kyiv, Ukraine, 03110
Laptieva T.,
State University of Telecommunications, Kyiv, street Solomianska, 7, Kyiv, Ukraine, 03110
Zahynei A.,
State University of Telecommunications, Kyiv, street Solomianska, 7, Kyiv, Ukraine, 03110
Kovalenko O.
State University of Telecommunications, Kyiv, street Solomianska, 7, Kyiv, Ukraine, 03110
РОЗРОБКА АЛГОРИТМУ МАРШРУТ1ЗАЦП САМООРГАН1ЗОВАНИХ 1НФОРМАЦ1ЙНИХ
ДЖЕРЕЛ
Собчук В.В.,
Доктор техтчних наук, доцент Професор кафедри Вищог математики Державний унгверситет телекомуткацш вул. Солом'янська, 7, м. Кшв, Украша, 03110 Бреславський В.О., Державний унгверситет телекомуткацш вул. Солом'янська, 7, м. Кшв, Украша, 03110
Лаптев С.О.,
Державний унгверситет телекомунгкацт, Кшв, вул. Солом'янська, 7, м. Кшв, Украша, 03110
Лаптева Т.О.,
Державний унгверситет телекомунгкацт, Кшв, вул. Солом'янська, 7, м. Кшв, Украша, 03110
Загиней А.Ю.,
Державний унгверситет телекомунгкацт, Кшв, вул. Солом'янська, 7, м. Кшв, Украша, 03110 Коваленко Олена Вадимiвна
Державний унгверситет телекомуткацш, Кшв, вул. Солом'янська, 7, м. Кшв, Украша, 03110
Abstract
An improved routing algorithm in self-organizing radio networks is proposed, which features: reducing the redundancy of the flow of control signals in the network by transferring the function of selecting (continuing) the route of all relay nodes; fast adaptation and self-healing of the network along an alternative route in case of failure of active relay nodes. It is proved that the proposed algorithm has better characteristics in terms of the set of parameters in comparison with the known algorithms. Self-organizing routing algorithm (SRA) is designed for mobile wireless self-organizing communication networks, in which nodes have the same status. The functions of base stations are distributed among all participants in information interaction. The SRA algorithm is intelligent, it includes the ability of nodes to independently make decisions about building a route and / or restoring it.
Аннотация
Запропоновано вдосконалений алгоритм маршрутизаци в самооргашзованих шформацшних мережах, вiдмiтними особливостями якого е: зниження надмiрностi потоку керуючих сигналiв в мереж1 шляхом пе-редачi функцiï вибору (продовження) маршруту вах вузлiв ретрансляцiï; швидка адаптащя i самовщнов-лення мереж за альтернативним маршрутом при виходi з ладу активних вузлiв ретрансляцiï. Доведено, що запропонований алгоритм за сукупшстю параметрiв мае кращi характеристики в пор!внянш з вщомими алгоритмами. Самооргашзований алгоритм маршрутизацiï (САМ) призначений для моб№них бездрото-вих самоорганiзованих мереж зв'язку, в яких вузли мають однаковий статус. Функци базових станцш роз-подiленi м!ж усiма учасниками iнформацiйноï взаемодiï. Алгоритм САМ е штелектуальним, в нього закла-дена можливють вузлом самостiйно приймати ршення про участь в по6удов! маршруту та/або вiдновленнi його.
Keywords: algorithm, Self-organizing routing algorithm, routing, relaying, communication center, decision making.
Ключовi слова: алгоритм, самооргашзоваш мереж^ маршрутизацiя, ретранслящя, вузол зв'язку, прийняття рiшень.
Вступ
При проектуванш та розбудовi самооргашзованих шформацшних мереж зв'язку виникають тру-днощi органiзацii роботи мереж в умовах неперед-бачуваного перемщення вузлiв таким чином, щоб можливо було гарантувати доставлення повiдом-лення адресату в будь-якому напрямку, тобто забез-печити зв'язшсть мережi з урахуванням ретрансля-цii. Це завдання вирiшуеться в робот шляхом мо-делювання i оцiнок радiозв'язаностi вузлiв при трансформаци мережi, розробки бiльш ефектив-ного алгоритму маршрутизаци. Вiдомi свiтовi вчеш галузi телекомунiкацiй Гупта та Кумар зробили своi' оцiнки щодо граничноi' емностi для фiксованоi епiзодичнiй самооргашзованш мережi. Висока мо-бiльнiсть сучасних засобiв зв'язку, активна мшли-вють топологи локальних та iнших мереж вимага-ють розвитку нових пiдходiв до 1'х аналiзу, ство-рення нових засобiв проектування i нових алгоршшв стiйкоi роботи. В свт iснуе тенденцiя з розгортання таких мереж та використання 1'х в во-енних цiлях та в умовах надзвичайного стану, коли звичайш засоби телекомунiкацiй не можуть працю-вати в нормальному режимi.
Постановка завдання
З метою шдвищення зв'язносп i якостi обслу-говування в моб№нш самоорганiзованiй шформа-цiйноi мережi необхiдно вирiшити такi завдання:
• Визначити найбшьш ефективнi шляхи пвдви-щення зв'язностi в мобiльних самооргашзованих ш-формацiйних мережах;
• Розробити ефективний алгоритм маршрутизаци в самооргашзованш шформацшно1' мережi з елементами самоадаптаци i самоконфiгурiрованiя в умовах непередбачувано1' мобiльностi вузлiв.
Виклад основного матерiалу дослiдження
Для виконання функцш передачi повiдомлень вiд одного вузла до шшого в самоорганiзованiй ра-дiомережi необхiдний режим ретрансляци - «повто-рне пересилання». Маршрутизацiя в самооргашзованих радюмереж складаеться з двох важливих ета-пiв:
• знаходження оптимального маршруту;
• шдтримання маршруту протягом сеансу.
Забезпечення «зв'язносл» мережi вiдповiдаe за ршення пiдтримання маршруту. Знаходження оптимального маршруту без гарантовано! зв'язностi може бути не виршено. Але, навпъ якщо зв'язнiсть юнуе в мережi в початковий момент часу, через мо-бiльноcтi вузлiв i обмеженосп реcурciв приймачiв iмовiрний «розрив» встановлених зв'язкiв, так що для передачi великого повiдомлення в мережi дове-деться кiлька разiв будувати маршрути.
У найповнiшому варiантi для вибору алгоритму маршрутизаци можна видiлити наcтупнi пара-метри:
1. На мережевому рiвнi: достатня продуктив-шсть або залишкова eмнicть (бiт / с), затримка з ш-нця в кшець, eмнicть буфера у вузл^ розбiжнicть за-тримок, коефщент втрати пакетiв, витрата енергii на пакет (Дж), час життя маршруту (с),
2. На канальному (MAC) рiвнi: MAC затримка, стабшьшсть зв'язку(З'еднання) - передбачуваний час життя зв'язку; надшшсть зв'язку - коефiцieнт доставки пакепв (%), вiдноcна рухливicть / стаб№-нicть вузлiв,
3. На фiзичному рiвнi: cпiввiдношення сигнал / перешкода (SIR), швидшсть бiтових помилок (BER), залишковий заряд батаре! або показник вар-тоcтi.
В самооргашзованш радiомережi з невiдомоi топологieю оптимальним методом пошуку маршруту e метод за запитом (вимогу). Даний метод до-зволяе будувати маршрут в мережi без поcтiйного опитування, що зменшуе навантаження на мережу. Для пошуку маршруту з широкомовно! розсилкою пакетiв необхiдно вирiшити ряд складних завдань, пов'язаних з лавиноподiбним поширенням пакетiв по мережi [2,3]. Даний вид пошуку маршруту напо-внюе мережу великою кiлькicтю пакепв, i якщо не застосовувати методи скорочення кiлькоcтi пакетiв, мережа швидко досягне критично! "маси" трафiку, що призведе до ii непрацездатноcтi. На рис. 1 вка-зана схема розсилки запитiв, що призводить до ла-виноподiбного поширення трафiку при широкомо-вно! розсилки. В радiомережi через властивостей середовища передачi даних пакети досягають вciх вузлiв тшьки в зонi cтабiльного радiоприйому. Для зменшення кiлькоcтi службового трафiку в мережi cлiд перенести проблему вибору ретранcляторiв на cамi промiжнi вузли (рис.1).
Рис. 1 Запит при no6ydoei маршруту в радiомережi
Основною особливютю самооргашзованих радюмереж е мшливють топологи, змша napaMeipiB лiнiй зв'язку, непередбачувана динaмiкa вузлiв i зв'язк1в мiж ними.
Рис. 2 Взаeмодiя вузлiв в режимi запит-eidnoeidb.
Особливосп пропонованого вapiaнту маршру-тизацп можна вiдобpaзити наступною схемою. На в1дм1ну ввд пpотоколiв з побудовою дешлькох варь aнтiв шляху (часто використовуеться термш «розть кання» або «затоплення») i оцiнкою вартосп кожного, в запропонованому вapiaнтi (самооргашзова-но!) маршрутизацп кожен вузол-ретранслятор в зaлежностi вiд вихвдно! програми i умов «сам вирь шуе» - чи буде вiн ретранслювати поввдомлення су-сiдaм чи т. Таке piшення, наприклад, можуть зале-жати ввд розрядки батаре! живлення в даному при-стор!. Найбшьш близькими до aлгоpитмiв
маршрутизацп подiбного типу, можливо, слад вва-жати «епiдемiчнi» алгоритми. В остaннiх моделю-еться процес поширення захворювання (епiдемiя) в колективi. Передача шформацп ввдбуваеться з про-м1жним збеpiгaнням шформацп, якщо не можна вь дразу передати li адресату [1,6]. Розроблений само-оpгaнiзовaний алгоритм маршрутизацп (САМ) ви-користовуе дещо iнший принцип ешдемп, Залежно ввд свого стану вузол або «щдхоплюе хвороба», або т.
Рис. 3 Розбудова одного шляху
Рис. 4 Розбудова детлькох шляхгв
Рис. 5 Самооргатзац1я мереж1
Розглянемо самооргашзований алгоритм мар-шрутизацп (САМ)
• Алгоритм САМ призначений для мобшь-них бездротових самооргашзованих мереж зв'язку, в яких вузли мають однаковий статус. Функцп ба-зових cтанцiй розподшеш мiж уciма учасниками ш-формацшно! взаемодп. Алгоритм САМ е штелекту-альним, в нього закладена можливють вузлом само-cтiйно приймати ршення про участь в побудовi маршруту та / або ввдновленш його. Така можли-вicть дозволяе управляти трафiком, що проходить через вузол (Traffic Driven).
• Алгоритм виробляе пошук оптимального маршруту мiж тим що викликае та тим, кого викли-кають в cкладi самооргашзованш мережi. Особли-вicть i ушкальшсть алгоритму полягае в тому, що вш не будуе таблиць маршрутизаци на вузлi, а або-ненти не мають iнформацii про мюцезнаходження кожного учасника мережi. Але, в той же час алгоритм дозволяе знайти оптимальний маршрут мш учасниками з'еднання. Досягаеться це за рахунок наступних властивостей алгоритму.
• Для забезпечення зв'язноcтi, з урахуванням мобiльноcтi вузлiв, в алгоритм САМ застосову-еться кiлька варiантiв вiдновлення i пiдтримання маршрутiв. Один з варiантiв заснований на руйну-ваннi i побудовi маршрутiв через певний час. Такий пiдхiд дозволяе будувати актуальнi маршрути, так як маршрут буде будуватися в чиннш топологii на даний момент часу. Складшсть використання да-ного тдходу полягае в лавинно! розcилцi пакепв для побудови маршруту.
• 1ншим варiантом забезпечення зв'язноcтi е метод локального ввдновлення маршруту. На шляху поширення шформацп за обраним маршрутом зав-
жди знаходяться вузли, що не беруть участь в да-ному маршрутi, але отримують iнформацiю вiд су-сiднiх вузлiв. Найближчi вузли отримують та обро-бляють отриманi пакети. На основi отриманих да-них обчислюеться шформащя, яка необхiдна для пiдтримки маршруту. При розривi маршруту най-ближчi вузли вiдновлюють зруйнований маршрут.
• На дмнщ розриву алгоритм починае будувати новий маршрут якраз з точки розриву. Ввднов-лення маршруту ввдбуваеться на основi основного алгоритму, маршрут будуеться з використанням да-них про попереднш маршрут.
• Запит побудови маршруту викликае транс-ляцш розсилку пакетiв. Адресат приймае пакети з усiх маршрутiв i вибирае основний та додатковi маршрути. За основним маршрутом передаються даш, а по запасним передаються пакети тдтримки маршруту.
Алгоритм САМ для забезпечення зв'язносп виршуе також завдання, якi адаптують його до по-стiйно умов, що постшно змiнюються:
1. Змша числа вузлiв.
Число вузлiв впливае пльки на пропускну зда-тшсть мережi i завантаженiсть. Алгоритм побудо-ваний таким чином, щоб не прив'язуватися до кiль-костi вузлiв.
2. Навантаження на мережу, втрата пакетiв.
Алгоритм маршрутизацii намагаеться рiвномi-
рно розподiлити навантаження по мережт Для цього використовуеться рiзнi стани вузла, що до-зволяють оцшити можливiсть вузла. Доставка пакета до наступного вузла вiдстежуеться за рахунок властивостей середовища передачi даних.
Мережа, побудована ввдповщно до протоколу САМ, в разi необхiдностi вщправки пакетiв декiль-
ком вузлам, формуе piзнi сесп, що дозволяють роз-дiляти iнфоpмaцiю вiд piзних вузлiв. У paзi пере-дaчi шформацп ввд групи вузлiв одного вузла, щен-тифiкaтоp з'еднання дозволяе вузлу, що приймае, pоздiляти шформацш.
Алгоритм САМ для забезпечення зв'язносп в мереж! усувае так1 недолши пpотоколiв маршрути-заци, що притаманш ввдомим алгоритмам. (Нижче перераховуються: недолж i способи усунення)
1. Перевантажешсть мереж! через постшну передачу даних. Для тдтвердження пaкетiв ввдсила-ються пакети пiдтвеpдження, що призводять до по-двоення шлькосп пакепв в ефipi. В aлгоpитмi для щдтвердження використовуеться влaстивiсть дипо-льних антен поширювати сигнали на ва боки, що дозволяе ввдмовитися ввд пaкетiв щдтвердження або зменшити шльшсть таких пaкетiв.
2. Дуже низька надшнють, захист, тому що дат поширюються в paдiоефipi. В алгоритм САМ щ проблеми поки не розглядалися, тому що захист даних може забезпечуватися самим додатком.
3. Кожен вузол самостшно виршуе - брати участь чи m в маршрут!, а також приймати / розсилати пакети по дешлькох маршрутах. Це призводить до надм!рних затримок. В алгоритм! САМ тсля побу-дови маршруту вузли виробляють пльки пор!в-няння необхвдних пол!в i не виробляють розрахун-к1в, що дозволяе скоротити час обробки i прийняття ршення про участь в маршрут!. Ухвалення ршення про участь в маршрут! вщбуваеться на етап побу-дови маршруту та проводяться за поточним станом вузла, i в процес роботи маршруту не зм!нюються. У САМ метод! не застосовуеться адресна передача даних. Перев!ряеться тшьки шформащя - ретранс-люе вузол пакет чи т.
4. Кожен вузол «повинен вщкрити великий пакет», що вимагае б!льше часу, шж при вдарит «маленьких», службових. Для обробки пакета не потр!бно вивчати пакет щлком, досить лише перег-лянути певш поля i пор!вняти !х з шшими значен-нями. Вщмшнють маленьких i великих пакепв по-лягае в займано! пам'яп i часу поширення по еф!ру. За час, поки приймаеться останнш бгг пакета, може бути прийнято ршення про ретрансляцш.
Висновки
Доведено, що самооргашзований алгоритм ма-ршрутизацп, вдаовщае вимогам адаптацп, самоко-нф!гурування i самоввдновлення мереж! До пози-тивних особливостей алгоритму вщноситься зни-жений обсяг службового траф!ку.
Зниження службового траф!ку досягаеться за рахунок об'еднання шформацшного та службового потоков.
Виявлено, що за сукупнютю таких параметр!в, як «затримка з к1нця в к1нець», пропускна здатнють в мереж1, затримка доступу до середовища, запро-понований алгоритм ефектившше та мае переваги перед стандартними протоколами, такими як AODV, DSR, OLSR.
Розроблений алгоритм маршрутизацп самоор-гашзованих радюмереж за параметром завантаже-носп мереж1 службовим трафжом, перевищуе ос-
новш протоколи o6MiHy шформаци на 15%. Це е щ-лком спрiятнiм результатом, та доводить переваги розробленого алгоритму.
Список лггератури
1. Бахтш А.А., Баринов В.В., Тафинцев К.С., Литвинов В.В. Optimization of Digital Wireless Transceiver Embedded System Built on Xilinx FPGA // International Workshop «Networked Embedded and Control Systems Technologies: «Opportunities for US-Russia Cooperation». -2009 p.
2. Chun-Chuan Yang, Li-Pin Tseng Fisheye Zone Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks// Consumer Communications and Networking Conference. CCNC Second IEEE.-2005.
3. 1нформацшш матерiали електронного видання Thelnquirer// theinquirer.net
4. Самоорганизующиеся радиосети со сверхширокополосными сигналами:
5. Монография / [Ильченко М.Е., Бунин С.Г., Войтер А.П., Романюк В.А.] - К. НПП Издательство "Наукова думка" НАН Украины. - 2013.
6. 1нформацшш матерiали електронного видання Unstrung // unstrung.com.
7. Савченко О. , Прокопенко £. Методика оцшки ефективносп системи зв'язку органу охо-рони державного кордону. Збiрник наукових праць Нацюнально! академп Державно! прикордонно! служби Украни. 2015. № 3(65). С. 340 - 352.
8. Бабенко О. Рябуха А., Костенко I. Вибiр по-казнишв ефективностi системи зв'язку та радютех-нiчного забезпечення авiацшноl частини. Системи обробки iнформацii. 2002. № 2(18). С. 215 - 220.
9. Литвинов А.Л. Теорiя систем масового об-слуговування Х.: ХНУМГ iм.О.М.Бекетова, 2018. -142 с.
10. В.е Березовський. М.М. Гyзiй, В.М. Дя-кон, Л.£. Ковальов, М.О. Медведева. Дослiдження операцш: практичний курс- К.:, 2011. - 238 с.
11. Дьомша В.М. Ошгашзацшш методи i мо-делi Моделювання систем масового обслуго-вування: конспект лекцiй. Х.: ХНАУ iм. В. В. Докучаева, 2015. - 44 с.
12. Lubov Berkman, Oleg Barabash, Olga Tkachenko , Andri Musienko, Oleksand Laptiev, Ivanna Salanda The Intelligent Control System for in-focommunication networks. International Journal of Emerging Trends in Engineering Research (IJETER) Volume 8. No. 5, May 2020. Scopus Indexed - ISSN 2347 - 3983. pp.1920 - 1925.
References
1. Bakhtin A.A., Barinov V.V., Tafintsev K.S., Litvinov V.V. Optimization of Digital Wireless Transceiver Embedded System Built on Xilinx FPGA // International Workshop "Networked Embedded and Control Systems Technologies:" Opportunities for US-Russia Cooperation ". - 2009 p.
2. Chun-Chuan Yang, Li-Pin Tseng Fisheye Zone Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks// Consumer Communications and Networking Conference. CCNC Second IEEE.-2005.
3. Information materials of the electronic edition TheInquirer // theinquirer.net
4. Self-organizing radio networks with ultrawideband signals:
5. Monograph / [Ilchenko ME, Bunin SG, Voiter AP, Romanyuk VA] - K. NPP Publishing House "Nau-kova Dumka" NAS of Ukraine. - 2013.
6. Information materials of the electronic edition Unstrung // unstrung.com.
7. Savchenko O., Prokopenko E. Methods for assessing the effectiveness of the communication system of the state border guard. Collection of scientific works of the National Academy of the State Border Guard Service of Ukraine. 2015. № 3 (65). Pp. 340 - 352.
8. Babenko O. Ryabukha A., Kostenko I. The choice of indicators of communication system efficiency and radio technical support of the aviation part.
Information processing systems. 2002. № 2 (18). Pp. 215 - 220.
9. Litvinov AL Theory of queuing systems Kh .: KhNUMG named after OM Beketov, 2018. - 142 p.
10. V.E. Berezovsky. M.M. Guziy, VM Deacon, L.E. KoBa^bOB, M.O. Medvedev. Operations research: practical course- K .:, 2011. - 238 p.
11. Dyomina VM Optimization methods and models Modeling of queuing systems: lecture notes. H .: KhNAU them. VV Dokuchaeva, 2015. - 44 p.
12. Lubov Berkman, Oleg Barabash, Olga Tkachenko , Andri Musienko, Oleksand Laptiev, Ivanna Salanda The Intelligent Control System for in-focommunication networks. International Journal of Emerging Trends in Engineering Research (IJETER) Volume 8. No. 5, May 2020. Scopus Indexed - ISSN 2347 - 3983. pp.1920 - 1925.
PROBLEMS OF MEGACITIES IN THE MODERN WORLD
Litvinov S.,
PhD in Architecture Titov M.
The post-graduate student 630008, Novosibirsk, street Turgeneva 113, NGASU (Sibstrin)
ПРОБЛЕМЫ МЕГАПОЛИСОВ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
Литвинов С.
канд. Архитектуры Титова М.
Аспирант
630008, Новосибирск, улица Тургенева 113, НГАСУ(Сибстрин)
Abstract
Town-planning - engineering science and consequently, as well as in any engineering science, all arising problems in process of development of any such system can be resolved, only having defined that fundamental law, not which account in primary preconditions and has led to occurrence to the problem shown in practice. It is an engineering science essence. Misunderstanding of such law in town-planning activity, especially with reference to megacities, already leads mullions-strong cities to permanent collapses, first of all in the form of nonlinear growth of expenses for maintenance of their normal functioning. Attempt of search of ways to such law also contains in given article.
Аннотация
Градостроительство - техническая наука, и поэтому, как и в любой технической науке, все возникающие проблемы по мере развития любой такой системы можно разрешить, лишь определив тот фундаментальный закон, не учет которого в изначальных предпосылках и привел к возникновению проявившейся на практике проблеме. Это суть технической науки. Непонимание такого закона в градостроительной деятельности, особенно применительно к мегаполисам, уже приводит многомиллионные города к перманентным коллапсам, прежде всего в виде нелинейного роста затрат на поддержание их нормального функционирования. Попытка поиска путей к такой закономерности и содержится в данной статье.
Keywords: the architect and the investor, architecture art, town-planning, the engineering science, fundamental laws, a collapse of megacities, decision ways.
Ключевые слова: архитектор и инвестор, искусство архитектуры, градостроительство, техническая наука, фундаментальные законы, коллапс мегаполисов, пути решения.
