RU2789978C1 - Method for parallel data transmission in self-organizing radio networks of groups of robotics - Google Patents
Method for parallel data transmission in self-organizing radio networks of groups of robotics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789978C1 RU2789978C1 RU2022116188A RU2022116188A RU2789978C1 RU 2789978 C1 RU2789978 C1 RU 2789978C1 RU 2022116188 A RU2022116188 A RU 2022116188A RU 2022116188 A RU2022116188 A RU 2022116188A RU 2789978 C1 RU2789978 C1 RU 2789978C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cluster
- symbols
- data
- code
- target data
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к области сетевых информационных технологий и может быть использовано в системах передачи данных робототехнических комплексов.The invention relates to the field of network information technology and can be used in data transmission systems of robotic complexes.
Тенденция развития робототехники связана с переходом от использования отдельных робототехнических комплексов (наземный пункт управления и одно робототехническое средство) к групповым (наземный пункт управления, два и более робототехнических средств (РТС), объединенных в радиосеть связи) [Половко С.А. Перспективы применения гибридных групп мобильных роботов специального назначения / С.А. Половко, А.В. Попов. // Труды Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника и конверсионные тенденции». - 2018. - С. 25-33]. В свою очередь, динамика изменения топологии радиосети связи группы РТС накладывает определенные ограничения на процедуры маршрутизации данных, для борьбы с которыми предлагается использование технологии построения самоорганизующихся MANET (Mobile Ad-Hoc Networks) [Кучерявый A.E. Интернет вещей // Электросвязь. - 2013. - №1 - С. 21-24] и FANET (Flying Ad-Hoc Networks) сетей [Bekmezci I. Flying ad-hoc networks (FANETs): A survey / I. Bekmezci, О.K. Sahingoz, and, S. Temel // Ad Hoc Networks, vol. 11, no. 3, pp. 1254-1270, May 2013]. При этом увеличение числа РТС в группе и наличие дестабилизирующих факторов (случайных и преднамеренных) приводит к необходимости решения задач: управления РТС и борьбы с последствиями дестабилизирующих факторов. Так согласно [ГОСТ Р 53111 - 2008. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования] под дестабилизирующим фактором понимается воздействие на сеть электросвязи, источником которого является физический или технологический процесс внутреннего или внешнего по отношению к сети электросвязи характера, приводящее к выходу из строя элементов сети.The trend in the development of robotics is associated with the transition from the use of individual robotic systems (ground control station and one robotic tool) to group ones (ground control point, two or more robotic tools (RTS) combined into a radio communication network) [Polovko S.A. Prospects for the use of hybrid groups of mobile robots for special purposes / S.A. Polovko, A.V. Popov. // Proceedings of the International Scientific and Technical Conference "Extreme Robotics and Conversion Trends". - 2018. - S. 25-33]. In turn, the dynamics of changes in the topology of the radio communication network of the RTS group imposes certain restrictions on the data routing procedures, to combat which it is proposed to use the technology of building self-organizing MANET (Mobile Ad-Hoc Networks) [Kucheryavy A.E. Internet of things // Electrosvyaz. - 2013. - No. 1 - S. 21-24] and FANET (Flying Ad-Hoc Networks) networks [Bekmezci I. Flying ad-hoc networks (FANETs): A survey / I. Bekmezci, O.K. Sahingoz, and, S. Temel // Ad Hoc Networks, vol. 11, no. 3, pp. 1254-1270, May 2013]. At the same time, an increase in the number of RTS in a group and the presence of destabilizing factors (accidental and intentional) lead to the need to solve problems: managing RTS and combating the consequences of destabilizing factors. So, according to [GOST R 53111 - 2008. Stability of the operation of a public communication network], a destabilizing factor is understood as an impact on the telecommunication network, the source of which is a physical or technological process of an internal or external nature in relation to the telecommunication network, leading to failure of the network elements.
Одним из известных подходов решения указанных задач являются: кластеризация РТС в подсети радиосвязи, применение методов распределенного хранения и избыточного кодирования данных.One of the well-known approaches to solving these problems is: RTS clustering in a radio communication subnetwork, application of methods of distributed storage and redundant data coding.
Кластером РТС будем называть два и более РТС с размещенными на них накопителями данных, объединенные в подсеть связи по общему признаку. Тогда кластер РТС может рассматриваться как отдельный самостоятельный элемент (узел) радиосети группы РТС.A RTS cluster will mean two or more RTSs with data storage devices located on them, united in a communication subnet according to a common feature. Then the RTS cluster can be considered as a separate independent element (node) of the radio network of the RTS group.
Уровень техникиState of the art
а) описание аналоговa) description of analogues
Известен способ построения сети связи для летающих устройств Интернета вещей для системного мониторинга в здравоохранении и спорте с использованием маршрутизации Ant-Enabled Energy-Aware [Inam Ullah Khan etc Monitoring System-Based Flying IoT in Public Health and Sports Using Ant-Enabled Energy-Aware Routing, Journal of Healthcare Engineering Volume 2021, Article ID 1686946, 11 pages, https://doi.org/10.l155/2021/1686946 (дата обращения: 18.04.2022)], заключающийся в построении летающей радиосети связи Интернета вещей в интересах здравоохранения и спорта, реализующей процедуры маршрутизации данных на основе гибридного алгоритма AntHocNet (концепция оптимизации муравьиной колонии).There is a known method of building a communication network for flying devices of the Internet of Things for system monitoring in healthcare and sports using Ant-Enabled Energy-Aware Routing [Inam Ullah Khan etc Monitoring System-Based Flying IoT in Public Health and Sports Using Ant-Enabled Energy-Aware Routing , Journal of Healthcare Engineering Volume 2021, Article ID 1686946, 11 pages, https://doi.org/10.l155/2021/1686946 (Accessed 04/18/2022)], which consists in building a flying radio network for the Internet of Things in the interests of health care and sports, which implements data routing procedures based on the AntHocNet hybrid algorithm (ant colony optimization concept).
Недостатком аналога является низкая помехоустойчивость радиосети для летающих устройств Интернета вещей в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, которые могут привести к потере летающего устройства с хранимой на нем информацией, а также к ошибкам в передаваемых данных и/или утрате части (пакетов) данных.The disadvantage of the analog is the low noise immunity of the radio network for flying devices of the Internet of things under the influence of destabilizing factors that can lead to the loss of a flying device with information stored on it, as well as errors in transmitted data and / or loss of part (packets) of data.
Известен протокол связи для сетей FANET [W. Zafar, В.М. Khan A reliable, delay bounded and less complex communication protocol for multicluster FANETs, Digital Communications and Networks (2016), https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2352864816300256?token=4E4F4F01 8E5A62758A8207A84743F17C324CA46AD3D79F61C46C292F7AC86B73FC 785B62C7BFAD59DC89DBEFC8CAA3FA&originRegion=eu-west-l&originCreation=20220418165535 (дата обращения: 18.04.2022)], заключающийся в построении многокластерных сетей FANET, использующих протокол IEEE 802.15.4 для связи между БпЛА.Known communication protocol for networks FANET [W. Zafar, V.M. Khan A reliable, delay bounded and less complex communication protocol for multicluster FANETs, Digital Communications and Networks (2016), https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2352864816300256?token=4E4F4F01 8E5A62758A8207A84743F17C324CA46AD3D79F61C46C292F7AC86B73FC 785B62C7BFAD59DC89DBEFC8CAA3FA&originRegion=eu-west -l&originCreation=20220418165535 (date of access: 04/18/2022)], which consists in building multi-cluster FANET networks using the IEEE 802.15.4 protocol for communication between UAVs.
Недостатком является низкий уровень помехоустойчивости воздушной сети связи при передаче целевой информации в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.The disadvantage is the low level of noise immunity of the air communication network when transmitting target information under the influence of destabilizing factors.
б) описание ближайшего аналога (прототипа)b) description of the closest analogue (prototype)
Известен способ динамической кластеризации воздушных одноранговых сетей с балансировкой нагрузки [G. Asaamoning, P. Mendes, N. Magaia A Dynamic Clustering Mechanism With Load-Balancing for Flying Ad Hoc Networks. IEEE Access. PP(99). 1-1. 10.1109/ACCESS.2021.3130417 https://www.researchgate.net/publication/356485778_A_Dynamic_Clustering_Mechanism_With_Load-Balancing_for_Flying_Ad_Hoc_Networks (дата обращения: 18.04.2022)], принятый за прототип и заключающийся в том, что группы БПЛА, функционирующие в определенной географической зоне, группируются в кластеры. В каждом кластере с помощью алгоритма «Политической оптимизации» выбираются два лидера (основной и запасной). Они выступают в роли шлюза в своем кластере, а также разделяют нагрузку трафика с помощью энтропийной функции Шеннона. Обмен данными между кластерами реализуется через лидеров. Они же взаимодействуют с наземными базовыми станциями и с БпЛА в их собственных кластерах.A known method of dynamic clustering of air peer-to-peer networks with load balancing [G. Asaamoning, P. Mendes, N. Magaia A Dynamic Clustering Mechanism With Load-Balancing for Flying Ad Hoc Networks. IEEE Access. PP(99). 1-1. 10.1109/ACCESS.2021.3130417 https://www.researchgate.net/publication/356485778_A_Dynamic_Clustering_Mechanism_With_Load-Balancing_for_Flying_Ad_Hoc_Networks (date of access: 04/18/2022)], taken as a prototype and consisting in the fact that groups of UAVs operating in a certain, grouping clusters. In each cluster, using the "Political Optimization" algorithm, two leaders are selected (primary and alternate). They act as a gateway in their cluster and also share the traffic load using the Shannon entropy function. Data exchange between clusters is implemented through leaders. They also interact with ground base stations and UAVs in their own clusters.
Недостатком прототипа является: низкая помехоустойчивость воздушной одноранговой сети в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, которые могут привести к потере БпЛА с хранимой на нем информацией, к ошибкам и/или утрате части (пакетов) передаваемых данных; а также низкая скорость передачи данных в воздушной одноранговой сетей. Скорость передачи данных ограниченна скоростью в каналах связи между лидерами в смежных кластерах. К тому же передача данных через общий шлюз (лидер кластера) предусматривает последовательную передачу данных по каналам связи между лидерами, это может привести к задержкам в передаче данных.The disadvantage of the prototype is: low noise immunity of the air peer-to-peer network under the influence of destabilizing factors that can lead to the loss of the UAV with the information stored on it, to errors and/or loss of part (packets) of transmitted data; as well as the low data rate of overhead peer-to-peer networks. The data rate is limited by the rate in the communication channels between leaders in adjacent clusters. In addition, data transmission through a common gateway (cluster leader) provides for serial data transmission over communication channels between leaders, which can lead to delays in data transmission.
Раскрытие изобретения (его сущность)Disclosure of the invention (its essence)
а) технический результат, на достижение которого направлено изобретениеa) the technical result to which the invention is directed
Техническим результатом данного изобретения является повышение: скорости передачи данных и помехоустойчивости радиосети группы РТС в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.The technical result of this invention is to increase: data transfer rate and noise immunity of the radio network of the RTS group under the influence of destabilizing factors.
б) совокупность существенных признаковb) a set of essential features
Технический результат изобретения достигается тем, что способ параллельной передачи данных в самоорганизующихся радиосетях групп робототехнических средств, заключающийся в том, что группы робототехнических средств фрагментируются на кластеры. В каждом кластере одно из робототехнических средств назначается лидером управления связью, которое вычисляет маршрут передачи данных от своего кластера до кластера-получателя. Кластеры, для одного сеанса связи могут выступать в роли: источника или получателя, или ретранслятора данных. Новым является то, что в каждом кластере содержится не менее k+r робототехнических средств. В смежных кластерах «а» и «b» каждому i-му робототехническому средству кластера «а» ставится в соответствие i-ое робототехническое средство кластера «b», формируя таким образом параллельный канал связи между смежными кластерами «а» и «b». Каждым i-м робототехническим средством кластера «а» собранные целевые данные представляются вектором и разбиваются на части таким образом, что Эти части кодируются на представительском уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем многозначным избыточным кодом. Символы кода равномерно распределяются между запоминающими устройствами, размещенными на бортах робототехнических средств, кластера «а» для хранения и, при необходимости, передачи. При выполнении процедуры передачи хранимых символов кода, данные о маршруте, который построил лидер, передаются всем робототехническим средствам кластера «а». Далее, символы кода, подлежащие передаче, всеми робототехническими средствами кластера «а» передаются получателю по параллельным одномерным маршрутам между одноименными робототехническими средствами в других кластерах. На приемной стороне, на представительском уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем, выполняют декодирование многозначного избыточного кода, при необходимости восстанавливают ошибочные или стертые символы кода, получая Затем, отбросив проверочные символы, выполняют конкатенацию восстанавливая переданные целевые данные The technical result of the invention is achieved by the fact that the method of parallel data transmission in self-organizing radio networks of groups of robotic means, which consists in the fact that groups of robotic means are fragmented into clusters. In each cluster, one of the robotic means is appointed as the leader of the communication control, which calculates the data transmission route from its cluster to the recipient cluster. Clusters, for one communication session, can act as: a source or recipient, or a data relay. What is new is that each cluster contains at least k+r robotics. In adjacent clusters "a" and "b", each i-th robotic tool of cluster "a" is associated with the i-th robotic tool of cluster "b", thus forming a parallel communication channel between adjacent clusters "a" and "b". Each i-th robotic tool of cluster "a" collected target data are represented by the vector and break into pieces so that These parts are encoded at the representational level of the reference model of open systems interaction with a multivalued redundant code. Code symbols are evenly distributed between the storage devices placed on the sides of the robotic means, cluster "a" for storage and, if necessary, transmission. When performing the procedure for transmitting stored code symbols, data about the route that the leader built is transmitted to all robotic means of cluster "a". Further, the code symbols to be transmitted are transmitted by all robotic means of cluster "a" to the recipient along parallel one-dimensional routes between robotic means of the same name in other clusters. On the receiving side, at the representative level of the reference model of interaction of open systems, the multi-valued redundant code is decoded, if necessary, erroneous or erased code characters are restored, obtaining Then, discarding the check characters, perform the concatenation restoring the transmitted target data
При этом в случае отказа не более Dmin-1 робототехнических средств одного кластера, лидер кластера выполняет запрос о передаче символов многозначного избыточного кода от работоспособных робототехнических средств кластера в запоминающее устройство, размещенное на его борту. После получения символов многозначного избыточного кода, лидер кластера выполняет процедуру восстановления ошибочных или стертых символов. Восстанавливает целевые данные в целом. Далее заново кодирует целевые данные многозначным избыточным кодом и перераспределяет полученные символы кода между запоминающими устройствами, размещенными на бортах работоспособных робототехнических средств кластера.In this case, in case of failure of no more than D min -1 robotic means of one cluster, the cluster leader fulfills a request for the transfer of symbols of a multi-valued redundant code from operable robotic means of the cluster to a storage device placed on its board. After receiving the multivalued redundancy code symbols, the cluster leader performs a procedure for recovering erroneous or erased symbols. Restores the target data as a whole. Further, it re-encodes the target data with a multi-valued redundant code and redistributes the received code symbols between the storage devices located on the sides of the operable robotic means of the cluster.
При этом, процедура передачи целевых данных может осуществляться в двух режимах: в режиме с ретрансляцией целевых данных только на физическом уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем или в режиме с ретрансляцией целевых данных и промежуточной коррекцией ошибок в целевых данных на представительском уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем.At the same time, the target data transmission procedure can be carried out in two modes: in the mode with target data relaying only at the physical level of the reference model of open systems interaction or in the mode with target data relaying and intermediate error correction in the target data at the representative level of the reference model of open systems interaction .
в) причинно-следственная связь между признаками и техническим результатомc) causal relationship between features and technical result
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность параллельной передачи целевых данных (далее, по тексту - «данные») по многомерному (многопутевому) маршруту с возможностью восстановления части данных, утерянных (принятых с ошибкой) при их передаче и/или хранении.Thanks to a new set of essential features, the method implements the possibility of parallel transmission of target data (hereinafter referred to as "data") along a multidimensional (multipath) route with the possibility of restoring part of the data lost (accepted with an error) during their transmission and/or storage.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».The analysis of the prior art made it possible to establish that there are no analogues characterized by a set of features identical to all the features of the claimed technical solution, which indicates the compliance of the claimed method with the condition of patentability "novelty".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.The results of the search for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinguishing features of the prototype of the claimed object showed that they do not follow explicitly from the prior art.
Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».From the prior art, the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the specified technical result has not been revealed either. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показано: фиг. 1 - пример радиосети связи группы РТС, фрагментированной на кластеры, представленной в виде неориентированного графа;The claimed invention is illustrated by drawings, which show: Fig. 1 shows an example of a radio communication network of an RTS group, fragmented into clusters, represented as an undirected graph;
фиг. 2 - пример, поясняющий принцип построения параллельных каналов связи в смежных кластерах группы робототехнических средств (для частного случая);fig. 2 - an example explaining the principle of constructing parallel communication channels in adjacent clusters of a group of robotic tools (for a particular case);
фиг. 3 - пояснение области функционирования рассматриваемого способа в рамках эталонной модели взаимодействия открытых систем;fig. 3 - an explanation of the area of operation of the considered method within the framework of the reference model of the interaction of open systems;
фиг. 4 - пояснение процедуры распределения частей данных, представленных символами многозначного избыточного кода, между узлами кластера (для частного случая: k=3 и n=5);fig. 4 - explanation of the procedure for distributing data parts, represented by multivalued redundant code symbols, between cluster nodes (for a particular case: k=3 and n=5);
фиг. 5 - пример, поясняющий принцип построения многомерного маршрута;fig. 5 is an example explaining the principle of constructing a multidimensional route;
фиг. 6 - пояснение порядка реализации рассматриваемого способа на передающей и приемной сторонах (для частного случая);fig. 6 - explanation of the implementation of the considered method on the transmitting and receiving sides (for a particular case);
фиг. 7 - пример передачи данных по многомерному маршруту (для частного случая);fig. 7 - an example of data transmission along a multidimensional route (for a particular case);
фиг. 8 - пояснение порядка выполнения процедур декодирования и кодирования данных, на узле-ретрансляторе в режиме с промежуточной коррекцией ошибок (для частного случая).fig. 8 - explanation of the procedure for performing the procedures for decoding and encoding data, on the relay node in the mode with intermediate error correction (for a particular case).
Основная идея заявляемого технического решения заключается в следующем. Данные, собранные РТС кластера и предназначенные для последующей передачи по радиосети группы РТС, подвергаются процедуре кодирования многозначным избыточным кодом и, затем, равномерно распределяются между элементами кластера для их временного хранения и далее подвергаются передаче по многомерному маршруту в сети.The main idea of the proposed technical solution is as follows. The data collected by the cluster RTS and intended for subsequent transmission over the radio network of the RTS group is subjected to a multi-valued redundancy code coding procedure and then evenly distributed among the cluster elements for temporary storage and then transmitted along a multidimensional route in the network.
Под одномерным маршрутом понимают совокупность последовательно соединенных каналов связи в соединении «точка-точка» между узлом-источником и узлом-получателем сообщений.A one-dimensional route is understood as a set of serially connected communication channels in a point-to-point connection between a source node and a message recipient node.
Множество параллельно соединенных независимых одномерных маршрутов, по которым передают данные, называют многомерным маршрутом.A plurality of parallel-connected independent one-dimensional paths over which data is transmitted is called a multidimensional path.
Примером многозначного избыточного кода может быть расширенный модулярный код (РМК). Расширение модулярного кода (МК) выполняется для наделения МК способностью к коррекции искаженных или утраченных символов МК.An example of a multivalued redundant code would be an extended modular code (ECC). Modular code (MC) spreading is performed to enable the MC to correct corrupted or lost MC symbols.
Для пояснения сути предлагаемого способа рассмотрим следующие положения теории чисел и теории кодирования:To clarify the essence of the proposed method, consider the following provisions of number theory and coding theory:
Согласно [Бояринов И.М. Помехоустойчивое кодирование числовой информации. - М.: Наука, 1983. Стр. 48-49] любое целое Mi≥0, i=1, 2, …, V; может быть однозначно представлено в МК последовательностью Mi=(mi,1, mi,2, …, mi,k)MK,According to [Boyarinov I.M. Noise-immune coding of numerical information. - M.: Nauka, 1983. Pp. 48-49] any integer Mi≥0, i=1, 2, …, V; can be uniquely represented in MK by the sequence Mi=(m i,1 , m i,2 , …, m i,k ) MK ,
где j=1, 2, …, k; k - количество информационных символов МК. Основаниями (модулями) служат попарно простые числа pi,1, pi,2, …, pi,k, такие что Mi<Pi, где Where j=1, 2, …, k; k - the number of information symbols MK. The bases (modules) are pairwise prime numbers p i,1 , p i,2 , …, p i,k , such that Mi<P i , where
Числа mi,j представляются любым способом, например, в двоичнойThe numbers m i,j are represented in any way, for example, in binary
системе счисления.number system.
Представим Mi вектором:Let's represent M i as a vector:
для цифр For numbers
Пусть mi,1, mi,2, …, mi,k - целые неотрицательные числа:Let m i,1 , m i,2 , …, m i,k be non-negative integers:
Примем набор попарно простых модулей pi,1, pi,2, …, pi,k, таких что Mi<Pi, где Тогда числа mi,1, mi,2, …, mi,k можно объявить символами МК некоторого, заранее неизвестного числа Xi≥0, которое изоморфно Mi. Следовательно Xi=(mi,1, mi,2, …, mi,k)MK, где j=1, 2, …, k.Let us take a set of pairwise simple modules p i,1 , p i,2 , …, p i,k such that M i <P i , where Then the numbers m i,1 , m i,2 , …, m i,k can be declared as MC symbols of some unknown number X i ≥0, which is isomorphic to Mi. Hence X i =(m i,1 , m i,2 , …, m i,k ) MK , where j=1, 2, …, k.
На основании Китайской теоремы об остатках [Бухштаб А.А. Теория чисел. - М.: Лань, 2015. Стр. 123] система сравнений:On the basis of the Chinese remainder theorem [Bukhshtab A.A. Number theory. - M.: Lan, 2015. Pp. 123] comparison system:
имеет единственное решение Xi, если выполнены вышеуказанные условия. Единственное решение данной системы дает выражение:has a unique solution X i if the above conditions are met. The only solution to this system gives the expression:
где Where
Согласно [Бояринов И.М. Помехоустойчивое кодирование числовой информации. - М.: Наука, 1983. Стр. 50-51; Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Модулярная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. Стр. 158-160] операция расширения модулярного кода путем введения r избыточных оснований pi,k+1, …, pi,k+r и получения r проверочных символов:According to [Boyarinov I.M. Noise-immune coding of numerical information. - M.: Nauka, 1983. Pp. 50-51; Akushsky I.Ya., Yuditsky D.I. Modular arithmetic in residual classes. - M.: Sov. Radio, 1968. Pp. 158-160] the operation of expanding the modular code by introducing r redundant bases p i,k+1 , …, p i,k+r and obtaining r check symbols:
предполагая, чтоassuming that
Расширение МК позволяет сформировать код, способный к обнаружению и коррекции искаженных символов кода. Наличие (отсутствие) обнаруживаемых ошибок в принятой последовательности определяется условием [Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Модулярная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. Стр. 158-160]:The MK extension makes it possible to generate a code capable of detecting and correcting corrupted code symbols. The presence (absence) of detectable errors in the received sequence is determined by the condition [Akushsky I.Ya., Yuditsky D.I. Modular arithmetic in residual classes. - M.: Sov. Radio, 1968. Pp. 158-160]:
где - число, которое было получено на приемной стороне после передачи числа Xi по каналу с помехами; Where - the number that was received on the receiving side after the transmission of the number X i through the channel with noise;
Метрика МК - минимальное кодовое расстояние Dmin - вес разности между двумя кодовыми комбинациями (КК) МК. Способность МК гарантированно обнаруживать и/или исправлять q-кратные ошибки определяется соответственно:MK metric - minimum code distance Dmin - weight of the difference between two code combinations (KK) MK. The ability of the MC to reliably detect and/or correct q-fold errors is determined accordingly:
qобнар≤Dmin-1 и qиспр≤2-1 (Dmin-1)q detect ≤D min -1 and q correct ≤2 -1 (D min -1)
под q-кратной ошибкой понимается произвольное искажение q символов МК.q-fold error is understood as an arbitrary distortion of q MC symbols.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Рассмотрим группу РТС, фрагментированную на кластеры и объединенную в радиосеть (фиг. 1). При этом в каждом кластере не менее n=k+r РТС и все РТС в смежных кластерах имеют симметричную адресацию, отличающуюся только общим адресом кластера. Так, например, в двух смежных кластерах а и b, а a≠b каждому i-му робототехническому средству кластера а ставится однозначно в соответствие i-ое робототехническое средство кластера b. Таким образом между РТС кластеров а и b образуется параллельный канал связи (фиг. 2).Consider a group of RTSs fragmented into clusters and combined into a radio network (Fig. 1). At the same time, at least n=k+r RTSs in each cluster and all RTSs in adjacent clusters have symmetrical addressing, which differs only in the common cluster address. So, for example, in two adjacent clusters a and b, and a≠b, each i-th robotic tool of cluster a is uniquely associated with the i-th robotic tool of cluster b. Thus, a parallel communication channel is formed between the RTSs of clusters a and b (Fig. 2).
В кластере назначается лидер управления связью. Предполагается, что все РТС по своим аппаратно-программным возможностям равны, и каждый способен выполнять функции лидера (алгоритмы кластеризации и выбора лидера не рассматриваются и предполагаются заданными). При существенном изменении условий функционирования РТС или отказе лидера кластера запускается алгоритм выбора лидера и назначается новый лидер.A link control leader is appointed in the cluster. It is assumed that all RTSs are equal in terms of their hardware and software capabilities, and each is capable of performing the functions of a leader (clustering and leader selection algorithms are not considered and are assumed to be given). With a significant change in the conditions for the functioning of the RTS or the failure of the cluster leader, the leader selection algorithm is launched and a new leader is appointed.
i-й РТС в составе а-го кластера выполняет функцию по сбору данных (фото-, видеоданные). Размер может ограничиваться, например, временным интервалом (временем сбора данных) или территориально (выход за рамки указанного квадрата местности, в границах которого функционирует данный кластер в настоящий момент времени). кодируют многозначным избыточным кодом на представительском уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем (фиг. 3).The i-th RTS in the a-th cluster performs the function of collecting data (photo-, video data). Size may be limited, for example, by a time interval (time of data collection) or territorially (going beyond the specified square of the area within the boundaries of which this cluster operates at the present time). encoded with a multivalued redundant code at the representative level of the reference model of open systems interaction (Fig. 3).
Рассмотрим процедуру кодирования данных многозначным избыточным кодом на примере МК.Consider the data encoding procedure multi-valued redundant code on the example of MK.
представляется вектором и декомпозируется на k частей которые принимаются целыми неотрицательными числами (1) и рассматриваются, как символы МК некоторого по системе попарно простых модулей р1, p2, …, pk, «⎟” - символ конкатенации. Далее выполняют операцию расширения МК, вводя избыточные основания pk+1, …, pk+r по правилу (3) и получая проверочные символы: represented as a vector and decomposed into k parts which are accepted as non-negative integers (1) and are considered as symbols of the MC of some according to the system of pairwise simple modules р 1 , p 2 , …, p k , “⎟” - concatenation symbol. Next, the MC expansion operation is performed by introducing redundant bases p k+1 , …, p k+r according to rule (3) and obtaining check symbols:
Сформировав символы РМК РТС кластера распределяет их между остальными РТС кластера, где они хранятся до получения команды на их передачу.Having formed the RMC symbols, the RTS of the cluster distributes them among the rest of the RTS of the cluster, where they are stored until the command for their transmission is received.
Пример для пяти РТС в кластере продемонстрирован на фиг. 4, где данные представляются в РМК с длиной КК n=k+r: с тремя информационными (k=3) и двумя проверочными символами (r=2).An example for five RTSs in a cluster is shown in FIG. 4, where the data are presented in the RMC with a length of CC n=k+r: with three information (k=3) and two check symbols (r=2).
Таким образом, распределенные данные в виде частей сохраняются в запоминающих устройствах (ЗУ) робототехнических средств кластера. При этом потеря одного из РТС (вследствие воздействия внутренних или внешних дестабилизирующих факторов) приводит к потере символов РМК на известных позициях в КК. Следовательно, исправляющая способность кода возрастает до: qиспр≤Dmin-1.Thus distributed data in the form of parts are stored in the storage devices (memory) of the cluster robotic facilities. In this case, the loss of one of the RTSs (due to the influence of internal or external destabilizing factors) leads to the loss of RMC symbols at known positions in the spacecraft. Therefore, the corrective ability of the code increases to: q correct ≤D min -1.
Рассмотрим ряд сценариев возможных развитий событий при отказе одного из РТС кластера.Let's consider a number of scenarios of possible developments in case of failure of one of the RTS cluster.
Сценарий 1. Отказ РТС, хранящего проверочные символы РМК, и замена его на другое РТС не предусмотрена.
В этом случае лидер кластера истребует в ЗУ, размещенное на его борту, от РТС, хранящих информационные символы, данные:In this case, the cluster leader requests in the memory located on its board, from the RTS that store information symbols, the following data:
Вычисляет и заново представив его в РМК с оптимальными характеристиками (зависит от интенсивности воздействия дестабилизирующих факторов), перераспределяет символы РМК между оставшимися РТС кластера. Calculates and re-presenting it in the RCM with optimal characteristics (depending on the intensity of the impact of destabilizing factors), redistributes the RCM symbols among the remaining RTCs of the cluster.
Сценарий 2. Отказ РТС, хранящего проверочные символы РМК, и предусмотрена его замена на другое РТС.
В этом случае лидер запрашивает в ЗУ, размещенное на его борту, копии символов: Вычисляет по правилу (2), рассчитывает утраченный символ РМК d - номер потерянного РТС, d=k+1, …, k+r. По включении в состав кластера нового РТС передает ему для хранения полученный символ In this case, the leader requests copies of the symbols from the memory located on his board: Calculates according to rule (2), calculates the lost RMC symbol d - number of the lost RTS, d=k+1, …, k+r. Upon inclusion in the cluster of a new RTS, it transfers the received symbol to it for storage
Сценарий 3. Отказ РТС, хранящего информационные символы РМК, и замена его на другое РТС не предусмотрена.
При реализации данного сценария лидер истребует в ЗУ, размещенное на его борту, от работоспособных РТС символы: Выполняет процедуру восстановления утраченного символа РМК согласно [Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Модулярная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. Стр. 161-166]. Вычисляет и заново представив его в РМК с оптимальными характеристиками (зависит от интенсивности воздействия дестабилизирующих факторов), перераспределяет символы РМК между работоспособными РТС кластера.When this scenario is implemented, the leader requests the following symbols from the operational RTS in the memory located on its board: Performs the procedure for restoring the lost RMK symbol according to [Akushsky I.Ya., Yuditsky D.I. Modular arithmetic in residual classes. - M.: Sov. Radio, 1968. Pp. 161-166]. Calculates and re-presenting it in the RCM with optimal characteristics (depending on the intensity of the impact of destabilizing factors), redistributes the RCM symbols between the efficient RTS of the cluster.
Сценарий 4. Отказ РТС, хранящего информационные символы РМК, и предусмотрена его замена на другое РТС.
В этом случае лидер истребует на ЗУ, размещенное на его борту, от работоспособных РТС копии символов: Выполняет процедуру восстановления утраченного символа РМК согласно [Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Модулярная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. Стр. 161-166]. По прибытии в состав кластера нового РТС передает ему для хранения восстановленный символ.In this case, the leader requests copies of symbols from the working RTS on the memory placed on its board: Performs the procedure for restoring the lost RMK symbol according to [Akushsky I.Ya., Yuditsky D.I. Modular arithmetic in residual classes. - M.: Sov. Radio, 1968. Pp. 161-166]. Upon arrival to the cluster, the new RS transfers the restored symbol to it for storage.
Сценарий 5. Отказ РТС-лидера, хранящего проверочные символы РМК.
Запускается процедура выбора нового лидера. После чего, в зависимости от условий, выполняются сценарии 1 или 2.The procedure for selecting a new leader is launched. Then, depending on the conditions,
Сценарий 6. Отказ РТС-лидера, хранящего информационные символы РМК.Scenario 6. Failure of the RTS leader, which stores RMC information symbols.
В этом случае запускается процедура выбора нового лидера. После чего, в зависимости от условий, выполняются сценарии 3 или 4.In this case, the procedure for selecting a new leader is launched. Then, depending on the conditions,
Таким образом, представление данных многозначным избыточным кодом и их распределенное хранения в кластере позволяет обеспечить защищенность данных на этапе их хранения, при утрате не более Dmin-1 РТС кластера.Thus, the representation of data by a multi-valued redundant code and their distributed storage in a cluster makes it possible to ensure the security of data at the stage of their storage, with the loss of no more than D min -1 RTS of the cluster.
При поступлении команды на передачу хранимых данных другому кластеру или на пункт управления через другие кластеры, лидером инициализируется процедура выбора одномерного маршрута (протоколы маршрутизации предполагаются заданными и не рассматриваются в данном способе).When a command is received to transfer the stored data to another cluster or to the control point through other clusters, the leader initializes the procedure for choosing a one-dimensional route (routing protocols are assumed to be specified and are not considered in this method).
Построив одномерный маршрут, лидер передает его всем РТС кластера и дает команду на отправку запрашиваемых данных. Одномерный маршрут представляет собой, например, перечисление адресов (номеров) кластеров-ретрансляторов и кластера-получателя, например: 1→2→7→10, как представлено на фиг. 5. Тогда, каждый РТС кластера источника передает данные по указанному маршруту, адресуя их РТС с симметричным адресом в следующем кластере. Например, i-й РТС первого кластера транслирует свою часть запрашиваемых данных i-му РТС второго кластера, потом седьмого кластера и т.д. Таким образом формируется многомерный маршрут с параллельной передачей запрашиваемых данных.Having built a one-dimensional route, the leader sends it to all RTSs of the cluster and gives the command to send the requested data. The one-dimensional route is, for example, an enumeration of the addresses (numbers) of the relay clusters and the destination cluster, for example: 1→2→7→10, as shown in FIG. 5. Then, each PTC of the source cluster transmits data along the specified route, addressing them to the PTC with a symmetric address in the next cluster. For example, the i-th RTS of the first cluster broadcasts its part of the requested data to the i-th RTS of the second cluster, then the seventh cluster, and so on. Thus, a multidimensional route is formed with parallel transmission of the requested data.
Перед отправкой своей части данных РТС кластера, на канальном уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем, данные кодируют кодом канального уровня:Before sending its part of the RTS cluster data, at the link layer of the reference model of open systems interaction, the data is encoded with the link layer code:
где j=1, 2, …, k+r; G - порождающая матрица помехоустойчивого кода канального уровня; N - длина кодовой комбинации кода канального уровня.where j=1, 2, …, k+r; G is the generating matrix of the noise-correcting code of the link layer; N is the length of the codeword of the link layer code.
Далее, кодовые комбинации последовательно предаются по одномерным маршрутам (фиг. 6).Further, code combinations sequentially transmitted along one-dimensional routes (Fig. 6).
Таким образом, кластер за один интервал времени параллельно передает одно слово РМК (по многомерному маршруту), каждый символ которого представлен помехоустойчивым кодом канального уровня (фиг. 7).Thus, the cluster in one time interval transmits one RMK word in parallel (along the multidimensional route), each symbol of which is represented by a link layer error-correcting code (Fig. 7).
На приемной стороне (фиг. 6), получив кодовые комбинации выполняют процедуру декодирования кода канального уровня, при необходимости восстанавливают искаженные символы, получая последовательность символов РМК: Декодируют РМК согласно (2), вычисляют и проверяют правило (4). Символы «*» и «**» означают вероятностный характер возникновения ошибки в принятой последовательности и получения неверного символа кода при декодировании соответственно. Если неравенство (4) не выполнено, то приступают к поиску и исправлению искаженных символов [Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Модулярная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. Стр. 161-166]. Выполнение неравенства означает, что последовательность принята верно.On the receiving side (Fig. 6), having received code combinations perform the procedure for decoding the code of the link layer, if necessary, restore the distorted symbols, obtaining a sequence of RMK symbols: Decode RMK according to (2), calculate and check the rule (4). The symbols "*" and "**" mean the probabilistic nature of the occurrence of an error in the received sequence and the receipt of an incorrect code symbol during decoding, respectively. If inequality (4) is not met, then they start searching for and correcting distorted characters [Akushsky I.Ya., Yuditsky D.I. Modular arithmetic in residual classes. - M.: Sov. Radio, 1968. Pp. 161-166]. The fulfillment of the inequality means that the sequence is accepted correctly.
Далее, отбросив избыточные символы получатель выполняет конкатенацию информационных символов МК, вычисляя запрошенные данные:Further, discarding redundant characters the receiver performs the concatenation of the MK information symbols, calculating the requested data:
Предлагаемый способ может функционировать в двух режимах: в режиме с ретрансляцией данных только на физическом уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем или в режиме с ретрансляцией данных и промежуточной коррекцией ошибок в данных на представительском уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем.The proposed method can operate in two modes: in the mode with data relaying only at the physical level of the reference model of open systems interaction or in the mode with data relaying and intermediate error correction in data at the representative level of the reference model of open systems interaction.
В режиме с ретрансляцией данных только на физическом уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем промежуточные кластеры-ретрансляторы получают данные и переадресуют их дальше по маршруту. В этом случае только конечный получатель, получив кодовые комбинации выполняет процедуру декодирования кода канального уровня, при необходимости восстанавливает искаженные символы, получая последовательность символов РМК: Декодирует РМК согласно (2), вычисляет и проверяет правило (4). Если (4) не выполнено, то получатель приступает к поиску и исправлению искаженных символов [Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Модулярная арифметика в остаточных классах. - М.: Сов. Радио, 1968. Стр. 161-166]. Выполнение неравенства означает, что последовательность принята верно.In the mode with data relaying only at the physical layer of the reference model of open systems interaction, intermediate relay clusters receive data and forward them further along the route. In this case, only the final recipient, having received the code combinations performs the procedure for decoding the code of the link layer, if necessary, restores distorted symbols, receiving a sequence of RMK symbols: Decodes RMK according to (2), calculates and checks the rule (4). If (4) is not satisfied, then the recipient proceeds to search for and correct distorted characters [Akushsky I.Ya., Yuditsky D.I. Modular arithmetic in residual classes. - M.: Sov. Radio, 1968. Pp. 161-166]. The fulfillment of the inequality means that the sequence is accepted correctly.
Далее, отбросив избыточные символы получатель выполняет конкатенацию информационных символов МК, вычисляя запрошенные данные:Further, discarding redundant symbols the receiver performs the concatenation of the MK information symbols, calculating the requested data:
В режиме с ретрансляцией данных и промежуточной коррекцией ошибок в данных на представительском уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем этапы декодирования и коррекции символов многомерного избыточного кода, описанные выше, выполняются на всех кластерах-ретрансляции. После чего, данные заново кодируются РМК и кодом канального уровня, и передаются далее по маршруту (фиг. 8). При этом окончательное восстановление путем конкатенации выполняется только на узле-получателе (фиг. 6).In the mode with data relaying and intermediate error correction in data at the representative level of the reference model of open systems interaction, the stages of decoding and correction of MRC symbols described above are performed on all relay clusters. After that, the data is re-encoded by the RMK and the link layer code, and transmitted further along the route (Fig. 8). However, the final recovery by concatenation is performed only on the receiving node (Fig. 6).
Таким образом, избыточное кодирование и распределенное хранение данных в кластере может повысить уровень помехоустойчивости радиосети группы РТС в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, а передача данных по параллельным маршрутам - повысить скорость передачи данных.Thus, redundant coding and distributed data storage in a cluster can increase the level of noise immunity of the radio network of the RTS group under the influence of destabilizing factors, and data transmission along parallel routes can increase the data transfer rate.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2789978C1 true RU2789978C1 (en) | 2023-02-15 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040003111A1 (en) * | 2001-04-20 | 2004-01-01 | Masahiro Maeda | Protocol and structure for self-organizing network |
US20060198346A1 (en) * | 2005-03-04 | 2006-09-07 | Yu-Jih Liu | Method and apparatus for dynamic neighbor discovery within wireless networks using time division multiple access (TDMA) |
RU2690514C2 (en) * | 2015-03-25 | 2019-06-04 | Траксенс | Method for communication within a cluster of dynamic depth of electronic devices exchanging data, corresponding to an electronic device communicating with said device, and a corresponding system |
US20190372744A1 (en) * | 2012-03-16 | 2019-12-05 | Intel Corporation | Scheduling timing design for a tdd system |
RU2744591C2 (en) * | 2019-05-31 | 2021-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method and system for controlling computer communications in multilevel composite computer cluster |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040003111A1 (en) * | 2001-04-20 | 2004-01-01 | Masahiro Maeda | Protocol and structure for self-organizing network |
US20060198346A1 (en) * | 2005-03-04 | 2006-09-07 | Yu-Jih Liu | Method and apparatus for dynamic neighbor discovery within wireless networks using time division multiple access (TDMA) |
US20190372744A1 (en) * | 2012-03-16 | 2019-12-05 | Intel Corporation | Scheduling timing design for a tdd system |
RU2690514C2 (en) * | 2015-03-25 | 2019-06-04 | Траксенс | Method for communication within a cluster of dynamic depth of electronic devices exchanging data, corresponding to an electronic device communicating with said device, and a corresponding system |
RU2744591C2 (en) * | 2019-05-31 | 2021-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method and system for controlling computer communications in multilevel composite computer cluster |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Clementi et al. | Distributed broadcast in radio networks of unknown topology | |
Kim et al. | Reliable transfer on wireless sensor networks | |
US8102837B2 (en) | Network coding approach to rapid information dissemination | |
WO2012068969A1 (en) | Subset coding for communication systems | |
Inan et al. | A group testing approach to random access for short-packet communication | |
WO2017161148A1 (en) | Method for congestion relief with network coding | |
Vellambi et al. | Reliable and efficient message delivery in delay tolerant networks using rateless codes | |
EP2664113A2 (en) | System and method for high throughput communication in a mesh hybrid network | |
Garrido et al. | Role of intermediate nodes in sparse network coding: characterization and practical recoding | |
RU2789978C1 (en) | Method for parallel data transmission in self-organizing radio networks of groups of robotics | |
Khodabakhshi et al. | An energy efficient network coding model for wireless sensor networks | |
Xu et al. | Collaborative data collection with opportunistic network erasure coding | |
Sulieman et al. | Ultra-reliable and energy efficient wireless sensor networks | |
US9930145B2 (en) | System and method of header compression for online network codes | |
Valentini et al. | A joint PHY and MAC layer design for coded random access with massive MIMO | |
Wan et al. | A hybrid multiple copy routing algorithm in space delay-tolerant networks | |
Paolini et al. | Random access on graphs: A survey and new results | |
Chen et al. | On the tradeoffs of implementing randomized network coding in multicast networks | |
CN112118316B (en) | Distributed storage data migration method and device | |
Liang et al. | A low-cost flooding algorithm for wireless sensor networks | |
Xu et al. | Opportunistic network erasure coding in disruptive sensor networks | |
Soljanin | Reducing delay with coding in (mobile) multi-agent information transfer | |
Qiu et al. | Cedar: An optimal and distributed strategy for packet recovery in wireless networks | |
Jeyasekar et al. | Reliable multicast using rateless forward error correction and orthogonal-scheduling in MANET | |
Fragouli | Network coding for sensor networks |