Введение к работе
Актуальность темы исследования. Важнейшей особенностью XXI века, в том числе, для России является стремительное развитие информационного общества. Неотъемлемой и насущно необходимой компонентой современной информационной инфраструктуры являются сети, построенные с использованием беспроводных технологий.
В последнее десятилетие получили большое развитие, информационные системы на основе беспроводных самоорганизующихся сетей (БСС). Такие системы, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором, сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир.
Концепция БСС привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике. Активное участие в исследованиях БСС принимают российские ученые А. Е. Кучерявый, Е. А. Кучерявый, А. И. Парамонов, А. В. Прокопьев, М. Н. Терентьев и зарубежные D. Culler, D. Estrin, М. Srivastava, М. Editors.
Большой интерес к изучению таких сетей обусловлен широкими возможностями их применения: мониторинг окружающей среды, сейсмический и структурный мониторинг, автоматизация, пожарная безопасность, военная техника, автомобилестроение, медицина и т. д. Использование в этих отраслях традиционных проводных соединений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по технологическим или организационным причинам, поэтому все большее применение находят БСС.
Элементы БСС взаимодействуют друг с другом и зависят друг от друга таким образом, что отказы в отдельных точках сети могут снизить информационную значимость передаваемых данных, при этом работоспособность системы сохраняется.
В реальных ситуациях существуют разнообразные естественные и техногенные помехи, воздействие которых приводят к отказам в отдельных точках БСС и к искажению передаваемой информации.
Особо стоит выделить такой вид техногенных воздействий, как преднамеренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ).
На практике ПД ЭМВ наводятся, как правило, дистанционно с использованием излучателя: специального генератора, снабженного передающей антенной. Следует отметить, что в последние годы технологии создания таких излучателей стремительно развиваются, что обусловило постоянное повышение интереса к проблеме угрозы электромагнитных нападений и защиты объектов информатизации от ПД ЭМВ.
Исследованиями ПД ЭМВ занимаются российские ученые Ю. В. Парфенов, Л. Н. Кечиев, Л. Л. Синий, Р. В. Киричек, С. А. Сухоруков, М. И. Жуковский, Т. Р. Газизов и зарубежные ученые М. Ianoz, W. Radasky, F. Sabath, D. Giri, С Baum.
Защитить БСС от ПД ЭМВ и снизить их уровень можно различными методами. Метод скачкообразной перестройки частот каналов, метод избыточного помехоустойчивого кодирования, метод экранирования отдельных элементов БСС. Анализ существующих методов показал, что они не решают в полной мере проблему защиты БСС от ПД ЭМВ. Актуальность разработки новых методов защиты БСС от ПД ЭМВ сохраняется.
Особый интерес представляют популярные в настоящее время БСС ZigBee.
В данной работе предлагается новый метод защиты БСС ZigBee от ПД ЭМВ путем целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети с целью снижения уровня воздействия помех.
Объектом исследований диссертации являются сети ZigBee, которые предназначены для сбора и передачи информации и выгодно отличаются от других типов сетей способностью к самоорганизации, гибкостью и универсальностью программного обеспечения, достаточно большим количеством потенциальных элементов - конечных устройств, доступностью частотных диапазонов, автономностью энергообеспечения.
Предметом исследований является определение электромагнитных воздействий и их влияние на информационные процессы в сети ZigBee.
Цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение помехоустойчивости в сети ZigBee в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Анализ зависимостей устойчивости сети ZigBee от ее параметров и от параметров ПД ЭМВ.
-
Разработка метода целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия помех.
-
Разработка вероятностной модели возникновения ошибок в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.
-
Разработка алгоритма изменения пространственной конфигурации элементов сети ZigBee, позволяющего минимизировать информационные потери.
-
Анализ алгоритма минимизации информационных потерь в сетях ZigBee в условиях ПД ЭМВ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработан новый метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.
-
Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать число потерянных пакетов на каждом конечном устройстве сети при заданной сетевой топологии.
-
Разработан алгоритм повышения помехоустойчивости в сети ZigBee посредством изменения её пространственной конфигурации.
-
Предложена методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.
Практическая ценность. Результаты работы могут быть применены:
при разработке стандартов и других нормативных документов, касающихся защиты автоматизированных информационных систем от ПД ЭМВ;
при оценках устойчивости реальных объектов информатизации к ПД ЭМВ;
при проектировании БСС ZigBee с учётом ПД ЭМВ.
Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, теории стохастических процессов, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Анализ зависимостей устойчивости сети ZigBee от ее параметров и от параметров ПД ЭМВ.
-
Метод целенаправленного динамического пространственного размещения элементов сети ZigBee с целью снижения уровня воздействия помех.
-
Алгоритм изменения пространственной конфигурации элементов сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.
-
Методика оценки эффективности работы алгоритма в сети ZigBee в условиях ПД ЭМВ.
Внедрение результатов диссертационного исследования. Результаты исследования использованы:
в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича;
в научно-исследовательских работах, направленных на повышение эффективности передачи данных в сети ZigBee в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий, выполняемых в ФГУП «ГосНИИПП»;
в научно-исследовательских работах Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного.
Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами внедрения.
Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Апробация результатов работы. Основные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV-m
Международном научном конгрессе «Нейробиотелеком-2010» (Санкт-
Петербург, 2010); 66-й и 67-й научно-технических конференциях студентов,
аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича
(Санкт-Петербург, 2012-2013); П-й Международной научно-технической и
научно-методической конференции «Актуальные проблемы
инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2013).
Публикации по теме диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 7 печатных и электронных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 72 наименований, 4
5 приложений. Общий объем работы составляет 124 страницы машинописного текста и включает в себя 29 рисунков и 3 таблицы.
