ALGORITHM FOR SELECTING THE NUMBER OF REPETITIONS OF INFORMATION BLOCKS IN A NARROWBAND INTERNET OF THINGS NETWORK FOR GAS PRODUCTION MONITORING

Polschikov K. A. 1 Terskiy M. O. 1 Shinkarev D. V. 1

1 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education “Belgorod National Research University”

1047 KB

The objective of this study is to ensure the required message delivery characteristics in a wireless gas production monitoring network by developing an algorithm for selecting the number of information block repetitions. The proposed algorithm is based on original models that allow estimating the probability and average delivery time of telemetry messages during pre-emergency situations at the monitored equipment. Key features of ensuring communication in pre-emergency situations include a sharp increase in data transmission intensity and stricter requirements for the quality of message delivery. Unlike the standard algorithm, which has a similar purpose, the proposed modified algorithm uses the required values of the probability-temporal characteristics of message delivery as the criteria for justifying the selection of the number of information block repetitions. The results of the computational experiments conducted showed that the use of the proposed algorithm facilitates the selection of data transmission parameter values that ensure the high quality of message delivery required in pre-emergency situations during gas production. The use of the modified algorithm allows for a significant improvement in the validity of decisions regarding the selection of the number of information block repetitions compared to the implementation of the standard algorithm in a narrowband Internet of Things network.

Narrowband Internet of Things

gas production monitoring

information block repetition

telemetry data

message delivery quality

pre-emergency situations

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

SNR, дБ	NB-IoT-алгоритм			Модифицированный алгоритм
SNR, дБ	PMess	TMess	Правильность решения	PMess	TMess	Правильность решения
– 11	0,9989	2,3094	+	0,9989	2,3094	+
– 12	0,9962	2,3422	+	0,9962	2,3422	+
– 13	0,9521	2,3923	–	0,9949	3,0094	+
– 14	0,9989	2,9646	+	0,9989	2,9646	+
– 15	0,9963	2,9952	+	0,9963	2,9952	+
– 16	0,9532	3,0178	–	0,9950	4,1692	+
– 17	0,9989	4,2750	+	0,9989	4,2750	+
– 18	0,9963	4,3019	+	0,9963	4,3019	+
– 19	0,9542	4,2706	–	0,9951	6,4915	+
– 20	0,9988	6,8960	+	0,9988	6,8960	+

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.

Conflict of interest

The authors declare that there is no conflict of interest.

Financing

The research was performed without external funding.

Библиографическая ссылка

Польщиков К. А., Терский М. О., Шинкарев Д. В. АЛГОРИТМ ВЫБОРА ЧИСЛА ПОВТОРЕНИЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ БЛОКОВ В СЕТИ УЗКОПОЛОСНОГО ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ КОНТРОЛЯ ГАЗОВОЙ ДОБЫЧИ // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 4. С. 104-109;
URL: https://top-technologies.ru/en/article/view?id=40735 (дата обращения: 10.05.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40735

Scientific journal
Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,279