Аннотация проекта 

Основным ограничениями в IoRT являются низкая пропускная способность гетерогенных сетей удаленного интернета вещей, низкая энергоэффективность гетерогенных сетей удаленного интернета вещей, и как следствие высокая стоимость передачи пакетов данных с использованием спутниковых каналов связи в гетерогенных сетях. Во многих практических задачах описанные выше ограничения коррелируют.
Для интернета удаленных вещей использование традиционных моделей и методов по оценке экономической стоимости передачи данных, пропускной способности сетей, энергоэффективности сетей может приводить к неэффективному расходованию ресурсов и отказу от использования спутниковых технологий связи (сужается область применения данных технологий), поэтому актуальной является задача разработка новых моделей, методов и алгоритмов, направленных повышение энергоэффективности, увеличению пропускной способности, позволяющие снизить стоимость передачи данных от датчиков в удаленном интернете вещей (в том числе с использованием методов машинного обучения).

---

Научная проблема

Необходимо выработать комплексный подход к преодолению ограничений взаимодействия киберфизических систем в гетерогенных сетях удаленного интернета вещей и киберфизических систем с неразвитой сетевой инфраструктурой с использованием методов машинного обучения, разработать модели и методы, позволяющие увеличить пропускную способность гетерогенных сетей, повысить энергоэффективность киберфизических систем и сетей, снизить стоимость передачи пакета данных по используемым каналам связи.

---

 

• Цели и задачи проекта

Цель: Разработка теоретических основ по преодолению ограничений взаимодействия киберфизических систем в гетерогенных сетях удаленного интернета вещей с использованием машинного обучения.

Для достижения данной цели необходимо поэтапно решить следующие задачи:

1. Обзор и анализ подходов к преодолению ограничений взаимодействия киберфизических систем в гетерогенных сетях удаленного интернета вещей.
2. Разработка моделей оценки пропускной способности канала и энергоэффективности в гетерогенных сетях удаленного интернета вещей и методов ее повышения для устройств удаленного интернета вещей, взаимодействующих с глобальной информационной инфраструктурой через спутниковые каналы связи и посреднические платформы данных. Планируется исследование нескольких новейших технологий: беспроводные сенсорные сети городского масштаба, LPWAN, NB-IoT, кластерные сети и ряда других. 
3. Разработка комбинированного метода сериализации, упаковки и сжатия данных на базе аппаратного шлюза LoRa-Iridium (Gateway Data Encoding, Packaging and Compression method, GDEPC method) с использованием алгоритмов активного слежения за положением спутников, позволяющего снизить стоимость передачи пакета данных в 10-12 раз и повысить энергоэффективность взаимодействия киберфизических систем в гетерогенных сетях удаленного интернета вещей с использованием методов машинного обучения.
4. Разработка математической модели, позволяющей оценить стоимость передачи пакета данных в гетерогенной сети LoRa-Iridium и изучить влияние разрабатываемых и уже существующих подходов и методов сериализации, упаковки и сжатия различных типов данных на стоимость передачи конечного пакета данных согласно сценариям взаимодействия киберфизических систем в условиях удаленного интернета вещей.
5. Разработка моделей и методов энергоэффективной передачи графической информации, аудио- и видео-данных по низкоскоростным сетям согласно различным сценариям удаленного интернета вещей с использованием машинного обучения и граничных вычислений.
6. Оценка разработанных моделей и методов на примерах систем сбора и передачи как данных от датчиков, так и потоковых данных, взаимодействующих в рамках глобальной сети интернета удаленных вещей и киберфизических систем через спутниковые каналы связи и посреднические платформы данных.
7. Имитационное и натурное моделирование разработанных моделей и методов, позволяющих преодолеть существующие ограничения на энергоэффективность, пропускную способность канала связи и стоимость передачи данных.

---

Описание планируемых научных результатов исследования, их новизна и практическая значимость 

Описание планируемых научных результатов исследования, их новизна:

1. Комплексный подход к преодолению ограничений взаимодействия автономных устройств в рамках глобальной инфраструктуры интернета удаленных вещей и киберфизических систем с неразвитой инфраструктурой, позволяющий решать проблемы низкой энергоэффективности автономных устройств, низкой пропускной способности канала связи и высокой стоимости передачи пакета данных различных типов.
2. Модели взаимодействия автономных устройств в рамках глобальной инфраструктуры интернета удаленных вещей и киберфизических систем с неразвитой инфраструктурой, позволяющие исследовать и разрабатывать методы преодоления возникающих ограничений.
3. Комплексный метод снижения стоимости передачи пакета данных на базе аппаратного шлюза LoRa-Iridium (Gateway Data Encoding, Packaging and Compression method, GDEPC method) с использованием алгоритмов проактивного отслеживания положения спутников, позволяющий снизить стоимость передачи пакета данных в 10-12 раз и повысить энергоэффективность взаимодействия киберфизических систем в гетерогенных сетях удаленного интернета вещей за счет комбинированного применения методов сериализации, упаковки, сжатия данных и машинного обучения.
4. Математическая модель, позволяющая оценить стоимость передачи пакета данных в гетерогенной сети LoRa-Iridium и изучить влияние разрабатываемых и уже существующих подходов и методов сериализации, упаковки и сжатия различных типов данных на стоимость передачи конечного пакета данных в соответствии со сценариями взаимодействия киберфизических систем в условиях удаленного интернета вещей.
5. Модели и методы энергоэффективной передачи графической информации, аудио- и видео-данных по низкоскоростным сетям согласно различным сценариям удаленного интернета вещей с использованием машинного обучения и граничных вычислений, учитывающие особенности различных типов данных, поступающих от IoT-устройств (датчиков и сенсорных систем).
6. Экспериментальное исследование предлагаемого комплексного подхода к преодолению ограничений взаимодействия автономных устройств в рамках глобальной инфраструктуры интернета удаленных вещей и киберфизических систем с неразвитой инфраструктурой, предлагаемых моделей и методов, позволяющих преодолеть существующие ограничения на энергоэффективность, пропускную способность канала связи и стоимость передачи данных.

Практическая значимость предполагаемых результатов данного исследования, их значение для конкретных прикладных областей деятельности:

1. Программная посредническая мультипротокольная (connectivity) платформа для гетерогенной сети интернета вещей и киберфизических систем, позволяющая подключать и организовывать взаимодействие разнотипных автономных устройств сбора данных для проведения экспериментальных исследований.
2. Предложенный подход, модели, методы и алгоритмы будут использованы в промышленности для снижения стоимости передачи сообщений по спутниковому каналу Iridium коммерческими компаниями, предоставляющими услуги спутниковой связи в условиях удаленного интернета вещей (заказчик СТЭККОМ)
3. Экспериментальная программно-аппаратная установка, включающая в себя оконечные устройства сбора и передачи данных с LoRa/Bluetooth/Wi-Fi, базовые станции LoRa, терминалы спутниковой связи Iridium на базе модемов 9523, 9602, 9770, антенны спутниковой связи Hiirshman ITAS, арендованный спутниковый канал связи Iridium, позволяющая подтвердить теоретические результаты по преодолению ограничений взаимодействия киберфизических систем и позволяющая проводить дальнейшие научные исследования, реализовывать студенческие и аспирантские проекты по следующим направлениям: