Stochastic dual-zone optimization of IoT-networks viability under condition of the induced impacts

Abstract

Довготривале функціонування мереж IoT у реальних середовищах обмежується дефіцитом енергетичних ресурсів вузлів та дією індукованих впливів, які породжують потоки хибних подій, підсилюють невизначеність параметрів середовища і, як наслідок, знижують надійність детекції. У статті розроблено та валідовано стохастичний оптимізаційний підхід до адаптивної топології IoT-мережі на основі дворегіональної архітектури сенсингу, де зовнішній регіон виконує функції фільтрації, а внутрішній – детекції у захищеній зоні. Просторовий розподіл вузлів параметризовано керованими щільностями у кожному регіоні за фіксованого сумарного ресурсу розміщення, що дозволяє формалізувати динамічний перерозподіл функцій мережі між фільтрацією та виявленням. Живучість і доступність інтерпретовано як поєднані показники ефективності, задані через нормовану залишкову енергію та ймовірність виявлення; час функціонування визначено як момент досягнення порогового стану доступності. Оптимізаційну задачу сформульовано як максимізацію гарантованого часу функціонування мережі за умови підтримання ймовірності детекції не нижче 0,9 за стохастичної динаміки збурень. Для врахування випадкових чинників застосовано вибіркову апроксимацію та числову оптимізацію, що дає змогу перейти до детермінованої постановки з єдиним оптимальним розв’язком і кількісними гарантіями працездатності у гіршому випадку. Чисельні експерименти демонструють, що енергетично збалансована дворегіональна конфігурація забезпечує істотне подовження гарантованого періоду доступності порівняно з однорідними топологіями, а також задає практичний критерій оцінювання живучості IoT-мереж під дією індукованих впливів. Показано чутливість оптимуму до інтенсивності збурень та співвідношення енергетичних витрат у зонах, що й підтримує вибір параметрів проєкту.