Регистрация / Вход
Прислать материал

Коллективное поведение активных систем, взаимодействующих по сверхширокополосным беспроводным каналам связи

Номер контракта: 14.584.21.0010

Руководитель: Дмитриев Александр Сергеевич

Должность: ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Организация докладчика: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
информация, динамическая система, нелинейная система, ансамбль динамических систем, беспроводные сенсорные сети, сенсорный узел, актуатор, сверхширокополосные сигналы, пря-мохаотическая связь, сети связи, беспроводная связь, радиоканал, цифровая платформа, сетевая топология, коллективное поведение, теория сложности, гетероклиническая кривая.

Цель проекта:
Разработка основ теории коллективного поведения активных сетей, создание инструментов экспериментального исследования активных сетей Разработка основ теории коллективного поведения активных сетей, создание на основе полученных результатов опытного макета активной сети и экспериментальная проверка теоретических результатов.

Основные планируемые результаты проекта:
Построены основы общей теории сложных динамических (СД) сетей и разработаны новые методы их исследования; развита теория гетероклинических каналов и теория устойчивости стационарных режимов; изучены примеры СД-сетей с неавтономными связями, с исчезающими в процессе эволюции узлами и (или) связями.
Эти результаты составят основу рабочего аппарата исследования СД-сетей, который в проекте применен к осцилляторным и адаптивным сетям и СД-сетям, моделирующим динамику энергосетей; для них установлены закономерности влияния топологии связей, динамики узлов на характеристики и режимы сетей.
Исследована возможность реализации связей между элементами ансамбля (сети) с помощью радиоканалов, образуемых сверхширокополосными приемопередатчиками, расположенными в элементах ансамбля; определены условия, при которых радиоканалы обеспечивают необходимые характеристики связи.
Разработаны программные средства управления для элементов и сети в целом, обеспечивающие реализацию взаимодействия элементов и функционирования сети; разработана структура пакетов, протоколов передачи и программы обмена данными по радиоканалам в сетях с требуемыми топологиями.
Разработан актуатор для узла активной беспроводной сети, включающий в себя процессор (микроконтроллер) и устройство отображения информации (светодиоды).
Создан и экспериментально исследован опытный макет активной беспроводной сети размером до 100 элементов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основы общей теории сложных динамических сетей и новые методы их исследования.
Экспериментальный образец сегмента активной беспроводной сети (АБС) и техническая документация на него.
Программные средства управления для АБС.
Заявка на охранный документ на результаты интеллектуальной деятельности.
Все полученные результаты являются новыми, соответствуют или превышают мировой уровень работ в области теории коллективного поведения активных беспроводных сетей.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты могут быть использованы для анализа сложных динамических сетей, моделирующих динамику реальных физических и технических объектов в актуальных прикладных задачах, например, в энергосетях.
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 том числе уравнениями в частных производных. Кроме того, они могут найти применение при создании беспроводных сенсорных и активных сетей промышленного, медицинского, бытового назначения и т.п.
Полученные результаты развивают теорию сложности и создают инструменты математического и экспериментального исследования сложных динамических сетей. В рамках международного сотрудничества российскими участниками Проекта осваивается математический опыт иностранного партнера в разрабатываемой области.
Результаты работы могут быть использованы для проведения дальнейшего развития математической теории динамических сетей с изменяющейся топологией связей.
Также данные результаты могут быть использованы при физическом моделировании сложных ансамблей и сетей динамических систем с динамическими связями, экспериментальной отработке алгоритмов самоорганизации и управления для мобильных ad-hoc сетей, различного назначения, включая сети мониторинга промышленного назначения, активные беспроводные сети медицинского назначения и т.п.

Текущие результаты проекта:
Исследованы режимы межмодульной синхронизации двухмодульных сетей, в которых соединения между модулями организованы в виде сравнительно редких направленных возбуждающих связей с запаздыванием. Обнаружено двоякое действие запаздывания межмодульных связей на характер коллективной динамики сети. Во-первых, увеличение временных задержек приводит к смене синфазного и противофазного режимов, при которых отдельные спайки внутри каждого модуля складываются в ритмические колебания в виде групповых бёрстов. Во-вторых, средняя частота коллективных колебаний в каждом из этих режимов уменьшается с увеличением времени запаздывания межмодульных связей. Увеличение силы межмодульных связей и уровня возбудимости сети приводит к усилению степени синхронизации как в синфазном, так и в
противофазном режимах.
На примере модели беспроводной сенсорной сети, построенной на основе теории клеточных автоматов, аналитически оценены и с помощью моделирования получены характеристики структуры сети в зависимости от параметров закона взаимодействия «узлы-связи», определены оптимальные параметры работы сети.
Предложена математическая модель энергосети, построенная в классе сетей взаимосвязанных фазовых осцилляторов и проведено исследование ее динамики. Установлено, что система может демонстрировать несколько различных типов синхронного поведения: глобальная синхронизация сети, двухкластерные и мультикластерные режимы, различные синхронные состояния с фиксированными соотношениями фаз между элементами сети. Выделены области параметров и наборы начальных условий, при которых наблюдается реализация различных синхронных режимов сети.
Разработана эскизная конструкторская документация на актуатор для элемента (узла) активной беспроводной сети.
Разработано ПО управления узлом ЭО сегмента АБС, состоящее из трех программных модулей: ПО для МК актуатора, МК приемопередатчика и для ПК. На разработанное ПО выполнена программная документация.
Изготовлены актуаторы для проведения на 3 этапе экспериментальных исследований ЭО сегмента АБС.
Разработаны Программа и методики исследований экспериментального образца сегмента активной беспроводной сети.
Иностранным партнером предложена модель, демонстрирующая широкое разнообразие структурно-устойчивой неиерархической транзитивной динамики. Математическим образом такой активности являются символические последовательности, возникающие в результате переходов в гетероклинической последовательности между сетями метастабильных состояний.
Также Иностранным партнером разработан метод вычисления величин, позволяющей характеризовать различные режимы коллективной динамики, возникающие в сложных динамических сетях с различным поведением локальных элементов и топологией.