СПОСОБ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ РАДИОСЕТЯХ ГРУПП РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
METHOD FOR PARALLEL DATA TRANSMISSION IN SELF-ORGANIZING RADIO NETWORKS OF GROUPS OF ROBOTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области сетевых информационных технологий и может быть использовано в системах передачи данных робототехнических комплексов.
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.
Одним из известных подходов решения указанных задач являются: кластеризация РТС в подсети радиосвязи, применение методов распределенного хранения и избыточного кодирования данных.
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.
Уровень техники
а) описание аналогов
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).
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.
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.
Недостатком является низкий уровень помехоустойчивости воздушной сети связи при передаче целевой информации в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
б) описание ближайшего аналога (прототипа)
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.
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.
Раскрытие изобретения (его сущность)
а) технический результат, на достижение которого направлено изобретение
Техническим результатом данного изобретения является повышение: скорости передачи данных и помехоустойчивости радиосети группы РТС в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
б) совокупность существенных признаков
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
min
При этом в случае отказа не более D-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.
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.
в) причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом
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.
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».
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.
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».
Краткое описание чертежей
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых показано: фиг. 1 - пример радиосети связи группы РТС, фрагментированной на кластеры, представленной в виде неориентированного графа;
фиг. 2 - пример, поясняющий принцип построения параллельных каналов связи в смежных кластерах группы робототехнических средств (для частного случая);
фиг. 3 - пояснение области функционирования рассматриваемого способа в рамках эталонной модели взаимодействия открытых систем;
фиг. 4 - пояснение процедуры распределения частей данных, представленных символами многозначного избыточного кода, между узлами кластера (для частного случая: k=3 и n=5);
фиг. 5 - пример, поясняющий принцип построения многомерного маршрута;
фиг. 6 - пояснение порядка реализации рассматриваемого способа на передающей и приемной сторонах (для частного случая);
фиг. 7 - пример передачи данных по многомерному маршруту (для частного случая);
фиг. 8 - пояснение порядка выполнения процедур декодирования и кодирования данных, на узле-ретрансляторе в режиме с промежуточной коррекцией ошибок (для частного случая).
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.
Под одномерным маршрутом понимают совокупность последовательно соединенных каналов связи в соединении «точка-точка» между узлом-источником и узлом-получателем сообщений.
Множество параллельно соединенных независимых одномерных маршрутов, по которым передают данные, называют многомерным маршрутом.
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.
Для пояснения сути предлагаемого способа рассмотрим следующие положения теории чисел и теории кодирования:
i,1
i,2
i,k
MK
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=(m, m, …, m),
i,1
i,2
i,k
i
где  j=1, 2, …, k;  k - количество информационных символов МК. Основаниями (модулями) служат попарно простые числа p, p, …, p, такие что Mi<P, где
i,j
Числа m представляются любым способом, например, в двоичной
системе счисления.
i
Представим M вектором:
для  цифр
i,1
i,2
i,k
Пусть m, m, …, m - целые неотрицательные числа:
i,1
i,2
i,k
i
i
i,1
i,2
i,k
i
i
i,1
i,2
i,k
MK
Примем набор попарно простых модулей p, p, …, p, таких что M<P, где  Тогда числа m, m, …, m можно объявить символами МК некоторого, заранее неизвестного числа X≥0, которое изоморфно Mi. Следовательно X=(m, m, …, m), где  j=1, 2, …, k.
На основании Китайской теоремы об остатках [Бухштаб А.А. Теория чисел. - М.: Лань, 2015. Стр. 123] система сравнений:
i
имеет единственное решение X, если выполнены вышеуказанные условия. Единственное решение данной системы дает выражение:
где
i,k+1
i,k+r
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 p, …, p и получения r проверочных символов:
предполагая, что
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]:
i
где  - число, которое было получено на приемной стороне после передачи числа X по каналу с помехами;
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:
обнар
min
испр
min
-1
q≤D-1 и q≤2 (D-1)
под q-кратной ошибкой понимается произвольное искажение q символов МК.
Осуществление изобретения
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).
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.
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).
Рассмотрим процедуру кодирования данных  многозначным избыточным кодом на примере МК.
1
2
k
k+1
k+r
представляется вектором и декомпозируется на k частей  которые принимаются целыми неотрицательными числами (1) и рассматриваются, как символы МК некоторого  по системе попарно простых модулей р, p, …, p, «⎟” - символ конкатенации. Далее выполняют операцию расширения МК, вводя избыточные основания p, …, p по правилу (3) и получая проверочные символы:
Сформировав символы РМК РТС кластера распределяет их между остальными РТС кластера, где они хранятся до получения команды на их передачу.
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).
испр
min
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: q≤D-1.
Рассмотрим ряд сценариев возможных развитий событий при отказе одного из РТС кластера.
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:
Вычисляет  и заново представив его в РМК с оптимальными характеристиками (зависит от интенсивности воздействия дестабилизирующих факторов), перераспределяет символы РМК между оставшимися РТС кластера.
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
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.
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.
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.
Сценарий 6. Отказ РТС-лидера, хранящего информационные символы РМК.
В этом случае запускается процедура выбора нового лидера. После чего, в зависимости от условий, выполняются сценарии 3 или 4.
min
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 D-1 РТС кластера.
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).
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.
Перед отправкой своей части данных РТС кластера, на канальном уровне эталонной модели взаимодействия открытых систем, данные кодируют кодом канального уровня:
где j=1, 2, …, k+r;  G - порождающая матрица помехоустойчивого кода канального уровня; N - длина кодовой комбинации кода канального уровня.
Далее, кодовые комбинации  последовательно предаются по одномерным маршрутам (фиг. 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).
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.
Далее, отбросив избыточные символы  получатель выполняет конкатенацию информационных символов МК, вычисляя запрошенные данные:
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.
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.
Далее, отбросив избыточные символы  получатель выполняет конкатенацию информационных символов МК, вычисляя запрошенные данные:
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).
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.