Методологія забезпечення якості обслуговування IoT в мережі 5G

Abstract

У дисертаційній роботі вирішується актуальна науково-прикладна проблема забезпечення якості обслуговування Інтернету речей в мережі стандарту LTE/5G шляхом розробки та вдосконалення методів та моделей маршрутизації та управління організацією доставки повідомлень в мережах Інтернету речей. У роботі вперше розроблена концептуальна модель мережі стандарту 5G з наданням сервісів Інтернету речей, яка враховує особливості пристроїв ІоТ щодо автономного зв'язку між великою кількістю розумних пристроїв, які одночасно надсилають невеликі пакети даних та використовуючи широкий спектр програм, що вимагає інфраструктури, різної з точки зору розміру пакетів, щільності трафіку та якості обслуговування. У роботі вперше наданий алгоритм адаптації параметрів мережі стандарту 5G з мережею Інтернету речей, який передбачає розрахунок скінченної множини альтернативних варіантів структури мережі, що дозволяє особі, яка приймає рішення, приймати найкращі альтернативні варіанти структури мережі ІоТ за критерієм якості обслуговування в мережі 5G. Вдосконалена математична модель обслуговування агрегованого трафіку в мережі 5G, яка враховує характеристики по кожному з дев’яти класів запитів по пріоритетам, що дозволяє визначити усереднені для всіх класів запитів показники ефективності функціонування мережі 5G. Вдосконалена модель взаємодії БПЛА з вузлами БСС, яка відрізняється від відомих тим, що може бути описана як система масового обслуговування, характеристики якої залежать від розподілу вузлів по території, часу взаємодії з вузлами мережі, радіуса обслуговування і швидкості руху БПЛА. Вдосконалена модель детермінованого потоку запитів за відомими координатами вузлів ЛСМ, оптимізація обслуговування якої може бути досягнута шляхом планування обслуговування вузлів мережі. Вдосконалена модель для рою безпілотних літальних апаратів, що відрізняється від відомих тим, що рій БПЛА представлений у вигляді мережі черги, а основною характеристикою моделі є середня тривалість передачі інформації між елементами рою. Розроблений алгоритм роботи координатору польоту ЛСМ щодо зміни маршрутизатора, який відрізняється від відомих тим, що враховує необхідність своєчасної заміни маршрутизатора для забезпечення збереження отриманих даних та для продовження польоту за маршрутом. Удосконалено типовий алгоритм білінгової системи, якій полягає в введенні поняття «одиниця обміну інформації», де одиницею може бути як блок інформації визначеного розміру (одна транзакція), так і кількість таких блоків, що дозволяє використовувати білінгові системи для тарифікації обслуговування ІоТ як з великим, так і з малим трафіком. Новизною алгоритму є, по-перше, врахування особливостей пристроїв Інтернету речей як користувачів, по-друге, уточнена взаємодія самої білінгової системи щодо ІоТ та комутатором мобільної мережі, за допомогою якого спроможне обслуговувати пристрої ІоТ, які підключені до мобільної мережі 5G.

The dissertation solves the actual scientific and applied problem of ensuring the quality of Internet of Things service in the LTE/5G standard network by developing and improving methods and models of routing and managing the organization of message delivery in Internet of Things networks. The work presents for the first time an algorithm for adapting network parameters of the 5G standard with the Internet of Things network, which involves the calculation of a finite set of alternative options for the network structure, which allows the decisionmaker to adopt the best alternative options for the structure of the IoT network based on the criterion of the quality of service in the 5G network. The paper first developed a conceptual model of the 5G standard network with the provision of Internet of Things services, which takes into account the features of IoT devices in terms of autonomous communication between a large number of smart devices that simultaneously send small data packets and using a wide range of applications, which requires an infrastructure different from the point of view in terms of packet size, traffic density and quality of service. An improved mathematical model of aggregated traffic service in the 5G network, which takes into account the characteristics of each of the nine classes of requests by priority, which allows you to determine the performance indicators of the 5G network averaged for all classes of requests. An improved model of UAV interaction with FSU nodes, which differs from the known ones in that it can be described as a mass service system, the characteristics of which depend on the distribution of nodes on the territory, the time of interaction with network nodes, the service radius and the speed of UAV movement. An improved model of the deterministic flow of requests based on the known coordinates of LSM nodes, the optimization of which service can be achieved by planning the service of network nodes. An improved model for a swarm of unmanned aerial vehicles, which differs from known ones in that the UAV swarm is represented in the form of a queue network, and the main characteristic of the model is the average duration of information transmission between swarm elements. The LSM flight coordinator's work algorithm for changing the router has been developed, which differs from the known ones in that it takes into account the need for timely replacement of the router to ensure the preservation of the received data and to continue the flight along the route. The typical algorithm of the billing system has been improved, which consists in the introduction of the concept of "unit of information exchange", where the unit can be both a block of information of a certain size (one transaction) and the number of such blocks, which allows the use of billing systems for charging IoT services both with large, and with low traffic. The novelty of the algorithm is, firstly, taking into account the peculiarities of Internet of Things devices as users, and secondly, the interaction of the billing system itself with regard to IoT and the mobile network switch, which is able to serve IoT devices connected to the 5G mobile network, is clarified.