Введение

В настоящее время большое значение приобретают вопросы повышения качества передачи данных в сетях интернета вещей (Internet of Things, IoT), активно применяемых для контроля производственных процессов [1–3]. Эти вопросы актуальны, в частности, для решения задач автоматизации технологических процессов и управления цифровыми медицинскими сервисами [4–6]. На промышленных предприятиях развернуты беспроводные сети, функционирующие на основе различных IoT-стандартов [7–9]. В сфере добычи газа мониторинг работы оборудования осуществляется с помощью систем связи, основанных, в частности, на использовании протокола узкополосного интернета вещей (Narrowband Internet of Things, NB-IoT) [10, 11]. В таких системах одним из ключевых параметров, значения которого влияют на качество доставки телеметрических данных, является число повторений (repetitions) передаваемых информационных блоков [12, 13]. Увеличение этих значений, с одной стороны, позволяет повысить отношение «сигнал/шум» в сложных условиях использования радиоканалов, а с другой стороны, приводит к нежелательному росту времени доставки сообщений.

В соответствии со стандартным NB-IoT-алгоритмом число повторений удваивается до тех пор, пока вероятность обнаружения ошибок в переданных информационных блоках (Block Error Rate, BLER) станет не больше 10 % [14, 15]. Опыт применения NB-IoT-сетей на газодобывающих предприятиях показал необходимость совершенствования алгоритма выбора числа повторений информационных блоков с учетом возникновения на газодобывающем оборудовании предаварийных ситуаций, когда резко повышается интенсивность передачи данных и ужесточаются требования к характеристикам качества доставки сообщений.

Цель исследования – обеспечение требуемых характеристик доставки сообщений в беспроводной сети мониторинга газовой добычи на основе разработки алгоритма выбора числа повторений информационных блоков в условиях возникновения предаварийных ситуаций на контролируемом оборудовании.

Материалы и методы исследования

В целях обеспечения требуемых вероятностно-временных характеристик доставки телеметрических сообщений в процессе контроля работы газодобывающего оборудования разработан алгоритм выбора числа повторений информационных блоков в сети узкополосного интернета вещей. Блок-схема алгоритма предоставлена на рис. 1.

Предлагаемый алгоритм предписывает выполнение следующих шагов:

Шаг 1. Ввод исходных данных: NSc – число используемых поднесущих в канале случайного доступа; TTP – продолжительность передачи преамбулы; Tatt – пауза между попытками связаться с базовой станцией; NAtt – разрешенное число попыток связаться оконечному устройству с базовой станцией; TDCI1 – продолжительность передачи DCI без повторений; LDCI – битовая длина DCI; TTB1 – продолжительность передачи транспортного блока без повторений; LTB – битовая длина транспортного блока; MDL – размерность модуляции для нисходящего канала; RDL – скорость кодирования для нисходящего канала; MUL – размерность модуляции для восходящего канала; RUL – скорость кодирования для восходящего канала; GPMess и GTMess – требуемые значения вероятности и среднего времени доставки телеметрических сообщений. Устанавливаются начальные значения NRDCI (число повторений DCI) и NRTB (число повторений транспортного блока).

Шаг 2. Выполняется процедура измерения начального отношения «сигнал/шум» SNR и подсчета числа корректно принятых преамбул NRP в окне канала случайного доступа.

Шаг 3. Выполняется процедура вычисления числа оконечных устройств, пытающихся связаться с базовой станцией, по формуле

, (1)

где W0(…) – главная ветвь функции Ламберта.

Шаг 4. Значение NRDCI увеличивается в 2 раза. Если текущее значение NRDCI превышает значение 1024, то осуществляется переход к шагу 9.

Шаг 5. Значение NRTB увеличивается в 2 раза. Если текущее значение NRTB превышает значение 1024, то осуществляется переход к шагу 4.

Шаг 6. Выполняется процедура вычисления значений вероятности PMess и среднего времени TMess доставки телеметрических сообщений в нижеуказанном порядке.

Оценивается вероятность отсутствия коллизии при передаче преамбулы по классической формуле попадания шара в пустую урну:

. (2)

Рис. 1. Блок-схема предлагаемого алгоритма Примечание: составлена автором по результатам данного исследования

Вычисляется отношение «сигнал/шум» для нисходящего канала после NRDCI повторений DCI:

. (3)

С использованием Q-функции оценивается вероятность отсутствия ошибок в DCI на стороне оконечного устройства после применения NRDCI повторений и исправляющего турбокода [16]:

. (4)

Вычисляется отношение «сигнал/шум» для восходящего канала после NRTB повторений транспортного блока:

. (5)

С использованием Q-функции оценивается вероятность отсутствия ошибок в транспортном блоке на стороне базовой станции после применения NRTB повторений и исправляющего турбокода [16]:

. (6)

Вычисляется значение производящей функции процесса доставки телеметрических сообщений при параметре z = 1:

(7)

где функция Х(i, j) может принимать значения 1 или 0:

(8)

Оцениваются значения вероятности и среднего времени доставки сообщения [17, 18]:

, (9)

, (10)

Шаг 7. Проверяется выполнение критериев эффективности доставки сообщений:

, (11)

. (12)

Если условия (11) и (12) выполняются, то осуществляется переход к шагу 8. В противном случае выполнение алгоритма переходит к шагу 5.

Шаг 8. Осуществляется вывод текущих NRDCI и NRTB в качестве рекомендуемых значений числа повторений информационных блоков. Выполняется переход к шагу 10.

Шаг 9. Осуществляется вывод информации о том, что рекомендуемые значения числа повторений информационных блоков не найдены.

Шаг 10. Конец алгоритма.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе применения логики предложенного алгоритма проведены вычислительные эксперименты с использованием выражений (1)–(10) и следующих исходных данных: NSc = 24; TTP = 0,716 с; Tatt = 1,28 с; NAtt = 8; TDCI1 = 0,002 с; LDCI = 39; TTB1 = 0,032 с; LTB = 88; MDL = 4; RDL = 1/3; MUL = 4; RUL = 1/3; GPMess = 0,99; GTMess = 10 с. Полученные результаты представлены в виде диаграмм на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Выбираемое число повторений информационных блоков при SNR = –11…–15 дБ Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Рис. 3. Выбираемое число повторений информационных блоков при SNR = –16…–20 дБ Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Результаты вычислительных экспериментов

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Диаграммы показывают, что с ухудшением условий доставки данных (уменьшением отношения «сигнал/шум») растут значения повторений передаваемых блоков при реализации стандартного алгоритма, обозначенные столбцами NRDCI (NB-IoT) и NRTB (NB-IoT). При этом увеличиваются и значения повторений информационных блоков, выбираемые на основе использования предложенного (модифицированного) алгоритма. На рассматриваемых диаграммах эти значения обозначены столбцами NRDCI (mod) и NRTB (mod). Видно, что в отдельных случаях (при SNR = – 13 дБ, SNR = – 16 дБ и SNR = – 19 дБ) при выполнении модифицированного алгоритма применяется большее число повторений транспортных блоков, чем при реализации стандартного NB-IoT-решения. Это объясняется тем, что за счет использования повышенных значений параметров NRDCI и NRTB можно обеспечить высокую вероятность доставки сообщений, требуемую в условиях предаварийных ситуаций.

В таблице представлены значения PMess и TMess, которые по данным вычислительных экспериментов обеспечиваются на основе применения стандартного и модифицированного алгоритмов при различных значениях отношения «сигнал/шум».

Будем считать, что правильные решения о выборе числа повторений информационных блоков принимаются в тех случаях, когда выполняются условия (11) и (12). Эти случаи в столбцах «Правильность решения» обозначены плюсами. Тогда результаты проведенных вычислительных экспериментов показывают, что применение модифицированного алгоритма позволяет на 30 % повысить обоснованность принятия решений о выборе значений параметров NRDCI и NRTB по сравнению с использованием стандартного алгоритма узкополосного интернета вещей. Следует также отметить, что предложенный алгоритм не может быть применен в сетях широкополосного интернета вещей, так как в их стандартных версиях практически не используется многократное повторение информационных блоков на физическом уровне для повышения суммарной мощности принятых сигналов.

Заключение

Таким образом, предложен алгоритм выбора числа повторений информационных блоков в беспроводной сети мониторинга газодобывающего оборудования, функционирующей на основе протокола узкополосного интернета вещей. Новизна алгоритма состоит в использовании оригинальных моделей, учитывающих текущие характеристики используемых радиоканалов и передаваемых сигналов в условиях возникновения предаварийных ситуаций при оценивании значений вероятности и среднего времени доставки сообщений. Применение предложенного алгоритма позволяет существенно повысить обоснованность принятия решений при управлении параметрами передачи данных в процессе контроля газовой добычи по сравнению с реализацией стандартного NB-IoT-алгоритма.