Регистрация / Вход
Прислать материал

Коллективное поведение активных систем, взаимодействующих по сверхширокополосным беспроводным каналам связи

Докладчик: Дмитриев Александр Сергеевич

Должность: ведущий научный сотрудник

Цель проекта:
1. В последние годы началось массовое использование беспроводных сенсорных сетей (БСС), представляющих собой совокупность узлов с датчиками, объединенными в ансамбль, путем взаимодействия по радиоканалам. Кроме того появляется все большее число примеров беспроводных сетей, узлы которых, кроме приемопередатчика и датчика какого либо измеряемого процесса (нескольких таких датчиков), включают в себя актуаторы – устройства, воздействующие на окружающую среду, устройства отображения информации (например, светодиоды или экраны) или устройства обработки информации (микроконтроллеры, процессоры). Такие обобщенные беспроводные сенсорные сети, или «активные беспроводные сети» являются объектом исследования данного Проекта. Предметом исследований Проекта являются теоретические и экспериментальные исследования коллективного поведения систем, взаимодействующих по сверхширокополосным беспроводным каналам связи, разработка прототипов технических и технологических решений, реализующих результаты этих исследований. 2. На основе имеющихся у мексиканских участников фундаментальных математических результатов в области ансамблей динамических систем, большого опыта исследований в этой области российских участников, приоритетных работ российских участников в области сверхши-рокополосных беспроводных средств связи, а также с учетом уже налаженного научного взаимодействия участники проекта сформулировали цель совместных научных исследований: раз-работка основ теории коллективного поведения активных сетей, ее экспериментальная провер-ка и создание на основе полученных результатов опытного макета активной сети размером до 100 элементов.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения проекта.
1) Будут построены основы общей теории сложных динамических (СД) сетей и разрабо-таны новые методы их исследования. Будет достигнут существенный прогресс в создании об-щей теории сложности СД-сетей, развита теория гетероклинических каналов и теория устойчи-вости стационарных режимов, изучены примеры СД-сетей с неавтономными связями, с исче-зающими в процессе эволюции узлами и (или) связями и др.
2) Эти результаты составят основу рабочего аппарата исследования СД-сетей, который в проекте будет применен к осцилляторным и адаптивным сетям и СД-сетям, моделирующим динамику энергосетей. Для них будут установлены закономерности влияния топологии связей, динамики узлов на характеристики и режимы сетей.
3) Будет исследована возможность реализации связей между элементами ансамбля (сети) с помощью радиоканалов, образуемых сверхширокополосными приемопередатчиками, распо-ложенными в элементах ансамбля. Будут определены условия, при которых радиоканалы будут обеспечивать необходимые характеристики связи;
4) Будут разработаны программные средства управления для элементов и сети в целом, обеспечивающие реализацию взаимодействия элементов и функционирования сети. Будет про-изведена разработка структуры пакетов, протоколов передачи и программы обмена данными по радиоканалам в сетях с требуемыми топологиями.
5) Будет разработана специальная плата для элемента активной сети, включающая в себя процессорное устройство (микроконтроллер) и устройство отображения информации (цветной светодиод).
6) Будет создан и экспериментально исследован опытный макет активной беспроводной сети размером до 100 элементов.
Для решения перечисленных задач предлагаются следующие пути.
Будет введен класс многоэлементных модельных систем, взаимодействие между элементами которых соответствует как типичным топологиям активных сетей, так и интенсивности информационного обмена между ними, требуемого для получения и поддержания определенного типа поведения. В качестве такого класса систем будут использованы ансамбли из одинаковых динамических элементов, в том числе со сложным поведением этих элементов и различными топологиями связи.
Будет развит и обобщен аппарат теории сложности и качественной теории многомерных динамических систем на этот новый класс многоэлементных динамических систем. На основе этого аппарата будут построены математические модели ряда актуальных прикладных задач: энергосетей, осцилляторных и адаптивных динамических сетей и проведено исследование их динамики.
Для введенного класса систем теоретически и с помощью компьютерного моделирования будут определены требования по характеру и скорости обмена данными по радиоканалам.
Будет произведена разработка структуры пакетов, протоколов передачи и программы об-мена данными по радиоканалам в сетях с требуемыми топологиями.
Для проведения экспериментов и создания опытного макета активной сети будет разработана специальная плата для элемента сети, включающая в себя процессорное устройство (микроконтроллер) и устройство отображения информации (цветной светодиод). Парциальные эле-менты будут реализованы на этих процессорных устройствах и связаны между собой в ансамбль радиоканалами, а цвет диода будет отображать состояние одной из переменных парциального элемента. Совокупная цветовая картина по всем элементам ансамбля позволит отслеживать поведение ансамбля во времени как единого целого.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Активные беспроводные сети – потенциально мощная многопроцессорная платформа, которая может быть использована для:
- распределенных систем контроля и управления;
- организации работы групп мобильных роботов;
- систем активных радиометок, в том числе на подводных объектах;
- для реализации нейроподобных систем с произвольной топологией связей;
- сенсорно-актуаторные узлах медицинских беспроводных сетей, способных как получать и анализировать физиологические данные от пациентов, так и производить активные действия в отношении пациентов, например, передавать для них определенные рекомендации (голосом или текстом через экран) и/или осуществлять медицинские действия (например, через капельницы);
- разработки и физической реализации ансамблей взаимодействующих систем со сложным поведением парциальных элементов.
2. Полученные результаты могут быть использованы для анализа сложных динамических сетей, моделирующих динамику реальных физических и технических объектов в актуальных прикладных задачах, таких, как энергосети. Для дальнейшего развития теории сложности, инструментов математического исследования сложных динамических сетей.
Разработанные узлы активных беспроводных сетей могут быть использованы в качестве физических моделей ансамблей динамических систем со сложной, в том числе хаотической динамикой, описываемых дифференциальными уравнениями, в частности уравнениями в частных производных.
Кроме того, они могут найти применение при создании беспроводных сенсорных сетей промышленного, медицинского и бытового назначения.
3.Результаты НИР могут быть использованы для проведения дальнейшего развития математической теории динамических сетей с изменяющейся топологией связей.
Также результаты НИР могут быть использованы при физическом моделировании сложных ансамблей и сетей динамических систем с динамическими связями, при экспериментальной отработке алгоритмов самоорганизации и управления для мобильных ad-hoc сетей различ-ного назначения, включая сети мониторинга промышленного назначения, робототехнику, активные беспроводные сети медицинского назначения и т.п.
В качестве мер по доведению до потребителя ожидаемых результатов рассматриваются: публикация результатов исследований в реферируемых научных журналах (в том числе, входящих в систему SCOPUS и Web of Science), а также участие в российских и международных конференциях и выставках.


Текущие результаты проекта:
Участники конкурса по теме лота за последние 5 лет выполнили более 20 исследователь-ских проектов, в ходе которых исследовались и прорабатывались технологии активных сверх-широкополосных беспроводных сетей и отдельные аспекты математической теории сложных сетей. По результатам этих исследований опубликовано более 40 статей, а технические реше-ния в области сверхширокополосных беспроводных сетей защищены патентами на изобретения и полезные модели, свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, принадлежащими участникам конкурса (более 10 патентов и свидетельств).
По тематике Проекта в коллективах участника и иностранного партнера защищено более 20 кандидатских и 5 докторских диссертаций.
Получены охранные документы на интеллектуальную собственность. Имеющийся задел будет использован при выполнении работ.