Ануфриенко Александр Юрьевич. Исследование протоколов для беспроводных IoT устройств и методов обработки информации

Краткое описание

Ануфриенко Александр Юрьевич. Исследование протоколов для беспроводных IoT устройств и методов обработки информации;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»], 2021

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
На правах рукописи
Ануфриенко Александр Юрьевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТОКОЛОВ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ IoT УСТРОЙСТВ И
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
Специальность 2.2.13. Радиотехника, в том числе системы и устройства
телевидения
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Кучерявый Евгений Андреевич
Москва - 2022

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Анализ методов обработки информации в системах Интернета вещей 11
1.1 Обзор систем Интернета вещей 11
1.2. Анализ архитектур и проблем систем Интернета вещей 15
1.3 Анализ методов сокращения объемов, передаваемых данных в системах
Интернета вещей 25
1.4 Цели и задачи диссертационного исследования 38
1.5 Выводы к Главе 1 39
2. Разработка метода обработки информации на конечных устройствах, для
снижения объемов данных передаваемых и хранимых в системах Интернета вещей 41
2.1 Модель системы Интернета вещей 41
2.2 Анализ подходов корреляционной обработки сигналов 43
2.3 Разработка метода и алгоритма корреляционной обработки для конечного
устройства 51
2.4 Выводы к Главе 2 69
3. Исследование способов улучшения параметров корреляционного метода
обработки информации на конечном устройстве 71
3.1 Исследование характеристик корреляционного метода в зависимости от
параметров импульсной характеристики 71
3.2 Исследование влияния разрядности и длины импульсной характеристики на
требуемые аппаратные ресурсы 74

3
3.3 Исследование способов улучшения параметров корреляционного метода
обработки на конечном устройстве как части системы Интернета вещей 85
3.4 Выводы к Главе 3 97
4. Реализация обработки данных на конечном устройстве 100
4.1 Структура коррелятора 101
4.2 Параметры коррелятора 104
4.3 Реализация коррелятора 108
4.5 Выводы к Главе 4 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
137

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, будут полезны при исследовании и реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов для конечных и промежуточных IoT-устройств различного назначения. В диссертационной работе решены следующие задачи:
- разработан метод обработки информации на конечных устройствах Интернета вещей, для снижения объемов данных передаваемых и хранимых в IoT-системах;
- разработана методика оценки характеристик метода обработки информации на конечных устройствах;
- исследованы способы улучшения параметров метода обработки информации на конечных устройствах, включая быстродействие (максимальная тактовая частота, задержка обработки данных). В рамках подхода была предложена архитектура конечного устройства, включающая процессорный модуль.
- исследовано влияние параметров метода обработки информации, включая порядок фильтра, разрядность входного потока, на требуемые аппаратные ресурсы; при увеличении порядка фильтра N в 2 раза (с N = 4 до N = 8), количество требуемых ресурсов увеличивается в 3,25 раза. А при увеличении N в 8 раз - в 14,3 раза. Максимальная тактовая частота Fmах (быстродействие системы) достигается при минимизации разрядности системы (8-бит) и минимизации порядка фильтра N (4-8). Причем данный факт можно использовать не для снижения динамического диапазона (диапазона входных данных), а для целенаправленного сужения рабочего диапазона вокруг среднего значения х последовательности входных данных.
- при проектировании IoT-системы целесообразно правильно определять баланс между требуемой точностью и потребностями в аппаратных ресурсах, нет необходимости стремиться увеличивать порядок фильтра N для повышения
точности.

121
- проведена оценка сокращения объема передаваемых данных для разработанного метода, достигающая 20-40%, в сравнении с другими методами, в частности прямым методом (bypass) и простым пороговым методом, при заданных начальных условиях. Методы, использующие для обработки промежуточные устройства (двойного предсказания и другие), в силу ограничений, не обеспечивают возможности работы с высокоскоростными потоками данных. Аналитически показано преимущество предлагаемого метода в сравнении с методом двойного предсказания в части задержки обработки данных.
- показано, что наилучший эффект по снижению объемов передаваемых данных будет достигаться при использовании комбинации корреляционной обработки на конечном устройстве и использовании пропиетарного протокола для IoT, позволяющего минимизировать объем служебных данных в передаваемом пакете.
- получено выражение для оценки границ работоспособности метода в зависимости от скорости входного потока, пропускной способности канала связи модем-гейт и разрядности входного потока данных.
- проведена оценка задержки обработки данных с учетом модели IoT-системы для корреляционного метода и метода двойного предсказания. При прочих равных задержка для корреляционного метода будет ниже за счет отсутствия обратной связи и необходимости реализации сложной обработки на уровне гейтов.
- реализация системы обработки информации на основе предлагаемого метода, на конечном устройстве позволяет для анализа высокоскоростных потоков данных использовать ресурсы сравнительно маломощных IoT-систем, построенных, например, на базе NB-IoT или BT (BT Low Energy), без замены сетевой инфраструктуры.
-