Введение

Беспроводные системы передачи данных сегодня выступают в качестве технической основы мониторинга и управления для решения различных прикладных задач [1–3]. В частности, востребованы энергоэффективные беспроводные сенсорные сети, на базе которых функционируют системы Интернета вещей [4–6]. Такие системы обеспечивают сбор данных, поступающих в виде телеметрических сообщений от многочисленных датчиков [7]. Системы Интернета вещей применяются в сельском хозяйстве [8], энергетике [9], медицине [10] и многих других сферах.

В настоящее время активно развиваются системы промышленного Интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT), позволяющие в реальном времени отслеживать техническое состояние и корректность функционирования многочисленных элементов производственного оборудования [11, 12]. Одним из наиболее распространенных стандартов, на основе которых функционируют IIoT-системы, является протокол MQTT, предусматривающий реализацию трех уровней качества передачи данных [13]. Самый низкий уровень, который именуется QoS-0, не использует повторные передачи искаженных или потерянных сообщений. Уровень QoS-1 предполагает отправку подтверждений на корректно принятые информационные пакеты, однако допускает дублирование сообщений. Наивысший уровень (QoS-2) использует двойные подтверждения и гарантирует отсутствие дубликатов доставленных сообщений. Выбор реализуемого уровня QoS существенно влияет на характеристики доставки сообщений в системе. Он должен обеспечивать вероятность доставки сообщений не ниже заданной величины, вероятность доставки дубликатов сообщений не выше заданного значения, а также минимизацию передаваемого в IIoT-системе пакетного трафика. Вопросам контроля качества передачи данных в MQTT-сетях посвящены отдельные разработки [14, 15]. Они на основе выбора уровня QoS позволяют управлять безопасностью связи, средней задержкой и количеством корректно принятых пакетов, однако напрямую не нацелены на обеспечение требуемых значений вероятности доставки и вероятности дублирования сообщений в IIoT-системе, а также не учитывают интенсивность пакетного трафика. Необходимость совершенствования процесса доставки данных в системе промышленного Интернета вещей и нехватка теоретически обоснованных средств автоматизированного управления параметрами передачи телеметрических IIoT-сообщений с учетом критериев, обусловленных спецификой контролируемого технологического процесса, определяют актуальность изложенного в статье исследования.

Целью исследования является обеспечение требуемых характеристик доставки данных в системе промышленного Интернета вещей на основе разработки алгоритма автоматизированного управления параметрами передачи телеметрических сообщений.

Материалы и методы исследования

Модели, на основе применения которых могут быть оценены значения вероятности доставки и вероятности дублирования сообщений с учетом реализуемого уровня качества передачи данных в IIoT-системе, предложены в работе [12]. С использованием этих моделей разработан алгоритм автоматизированного управления параметрами передачи телеметрических сообщений в системе промышленного Интернета вещей. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 1.

Предлагаемый алгоритм предписывает выполнение следующих шагов:

Шаг 1. Ввод исходных данных. На этом шаге задаются значения следующих величин: L1 – битовой длины информационного блока физического уровня, в который инкапсулирован пакет PUBLISH; L2 – битовой длины информационного блока физического уровня, в который инкапсулирован подтверждающий пакет PUBREC или служебный пакет PUBREL; PC – вероятности того, что подтверждающий пакет PUBREC будет принят узлом-отправителем до срабатывания таймера повторной передачи; N – максимальное значение разрешенного числа повторных передач. Затем пользователем вводятся значения следующих показателей: GPDUBL – заданная вероятность дублирования доставленных сообщений; GPD – заданная вероятность доставки сообщений.

Шаг 2. Вычисляется вероятность доставки сообщения в IIoT-системе при обеспечении уровня QoS-0 с использованием выражения, представленного в работе [12]:

PD0 = P12, (1)

где P1 – вероятность корректного приема информационного пакета PUBLISH.

Значение P1 оценивается по формуле

P1 = 1 – (L1 ∙ BER), (2)

где BER – интенсивность битовых ошибок в беспроводных каналах, используемых для передачи данных [12].

Шаг 3. Значение PD0 сравнивается с заданной вероятностью доставки сообщений. Если PD0 ≥ GPD, то выполняется переход к шагу 4. В противном случае выполнение алгоритма переходит к шагу 5.

Шаг 4. Вывод рекомендуемого уровня QoS-0. Конец алгоритма.

Шаг 5. Число разрешенных повторных передач устанавливается Nretry = 0.

Шаг 6. Значение Nretry увеличивается на 1. Если текущее значение Nretry превышает значение N, то осуществляется переход к шагу 12.

Шаг 7. Вычисляется вероятность дублирования доставленных сообщений в IIoT-системе при обеспечении уровня QoS-1 с использованием моделей, представленных в работе [12]:

PDUBL = A ∙ (2 – A), (3)

где A – величина, которая оценивается с помощью выражения

, (4)

где P2 – вероятность корректного приема подтверждающего пакета PUBREC:

P2 = 1 – (L2 ∙ BER). (5)

Рис. 1. Блок-схема предлагаемого алгоритма

Шаг 8. Значение PDUBL сравнивается с заданной вероятностью дублирования доставленных сообщений. Если PD1 ≤ GPDUBL, то выполняется переход к шагу 9. В противном случае выполнение алгоритма переходит к шагу 12.

Шаг 9. Вычисляется вероятность доставки сообщения в IIoT-системе при обеспечении уровня QoS-1 с использованием выражения, представленного в работе [12]:

. (6)

Шаг 10. Значение PD1 сравнивается с заданной вероятностью доставки сообщений. Если PD1 ≥ GPD, то выполняется переход к шагу 11.

В противном случае выполнение алгоритма возвращается к шагу 6.

Шаг 11. Вывод рекомендуемого уровня QoS-1 с текущим Nretry. Конец алгоритма.

Шаг 12. Устанавливается Nretry = 0.

Шаг 13. Значение Nretry увеличивается на 1. Если текущее значение Nretry превышает значение N, то осуществляется переход к шагу 14.

Шаг 14. Выводится сообщение о том, что при имеющихся исходных данных реализация любого уровня QoS не позволяет обеспечить требуемые характеристики доставки телеметрических сообщений. Конец алгоритма.

Шаг 15. Вычисляется вероятность доставки сообщения в IIoT-системе при обеспечении уровня QoS-2 с использованием выражения, представленного в работе [12]:

. (7)

Шаг 16. Значение PD2 сравнивается с заданной вероятностью доставки сообщений. Если PD2 ≥ GPD, то выполняется переход к шагу 17. В противном случае выполнение алгоритма переходит к шагу 13.

Шаг 17. Вывод рекомендуемого уровня QoS-2 с текущим Nretry. Конец алгоритма.

Результаты исследования и их обсуждение

Разработанный алгоритм реализован в виде программного обеспечения на языке Python версии 3.12.5, на основе применения которого проведена серия вычислительных экспериментов со следующими исходными данными: L1 = 256 бит; L2 = 128 бит; PC = 1; GPD = 0,9; GPDUBL = 0,1. В результате экспериментов установлено, что в IIoT-системе при значениях BER не выше 2×10-4 рекомендуется использовать уровень QoS-0, при значениях BER от 3×10-4 до 4×10-4 следует использовать уровень QoS-1 и Nretry = 1, а при BER от 6×10-4 до 10×10-4 следует использовать уровень QoS-2 и Nretry = 2. Эти результаты полностью совпадают с результатами моделирования, изложенными в работе [12], что подтверждает логическую корректность разработанного алгоритма.

Затем была проведена вторая серия вычислительных экспериментов, в ходе которой проверялось выполнение заданных требований к доставке данных и оценивалась величина пакетного трафика в IIoT-системе без применения предложенного алгоритма и с его применением. При этом оценивались значения величины V, то есть среднего числа пакетов, передаваемых в IIoT-системе в течение 1 ч. Предполагалось, что пакетный трафик генерировали 1000 сенсорных устройств, каждое из которых в течение 1 ч передавало по 4 телеметрических сообщения. Полученные результаты представлены в таблице.

Обработка представленных в таблице данных дала возможность построить диаграммы, изображенные на рис. 2. Анализ диаграмм показывает, что в случаях установки фиксированных уровней качества передачи данных без применения разработанного алгоритма реализация уровня QoS-0 позволяет выполнить требования по доставке данных только на 20 % и сопровождается средней интенсивностью трафика 0,8 тыс. пакетов в течение 1 ч; реализация уровня QoS-1 позволяет выполнить требования по доставке данных на 40 % при повышении средней интенсивности трафика до 17,78 тыс. пакетов в течение 1 ч; реализация уровня QoS-2 позволяет на 100 % выполнить требования по доставке данных при повышении средней интенсивности трафика до 36,06 тыс. пакетов в течение 1 ч. Применение разработанного алгоритма управления параметрами передачи сообщений позволяет на 100 % обеспечить достижение требуемых характеристик доставки данных и по сравнению с реализацией фиксированного уровня QoS-2 дает возможность снизить среднюю интенсивность трафика на 32,5 % (до 24,32 тыс. пакетов в течение 1 ч).

Результаты вычислительных экспериментов

Рис. 2. Диаграммы выполнения требований по доставке данных (а) и средней интенсивности пакетного трафика (б)

Заключение

Представленный в работе алгоритм автоматизированного управления параметрами передачи телеметрических сообщений в IIoT-системе обеспечивает теоретически обоснованный выбор уровня качества доставки сообщений и разрешенного числа повторных передач пакетов в зависимости от текущей интенсивности битовых ошибок. Применение алгоритма позволяет обеспечить заданные значения вероятности доставки и вероятности дублирования сообщений, существенно снижая при этом среднюю интенсивность трафика по сравнению с реализацией фиксированного уровня качества передачи данных с двойными подтверждениями.