Traffic Prediction as a Multidimensional Random Process in a Three-Dimensional High-Density Internet of Things Network

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Relevance. The relevance of the topic considered in the article lies in the active transformation of communication networks and the formation of a three-dimensional high-density communication network, which changes the structure of data traffic, therefore, for this type of network, a traffic model is considered as a multidimensional random process. The main purpose of the study is to improve the efficiency of network traffic forecasting by developing a method, the distinctive feature of which is traffic forecasting as a multidimensional random process, taking into account the mutual dependence of individual flows produced by network nodes. Methods. The paper considers an algorithm for training an artificial neural network (ANN) based on the method of reducing the root of the mean square error RMSE, and also proposes forecasting methods using LSTM-type ANNs and adapting model parameters to changing network operating conditions. The use of LSTM-type ANN for forecasting a multivariate random process describing traffic in a three-dimensional high-density network can yield better results than forecasting individual traffic flows as independent random processes due to the consideration of mutual influences between different traffic flows.The results. Building the corresponding model, collecting statistics (obtaining a training sample), training the ANN and performing the forecast require the use of computing resources. Thus, the forecasting efficiency can be defined as a decrease in the forecasting error while maintaining the volume of resources used or a decrease in the volume of resources while maintaining the forecasting error. In the course of solving the scientific problem, criteria were identified for selecting the value of a unit interval (lag), which, together with the forecasting interval, significantly affects the final scenario.The theoretical significance The scientific novelty of the work lies in the assessment of the change in the error in forecasting the traffic of a three-dimensional high-density communication network as a multivariate random process, compared to presenting the forecast of the same traffic as a set of independent random processes.Significance (theoretical). The efficiency of traffic forecasting as a multidimensional random process in a three-dimensional high-density communication network increases with increasing dimensionality. Thus, such traffic in forecasting problems should be considered as a multidimensional random process, the dimensionality of which is equal to the number of network nodes producing traffic.Significance (practical). The results obtained in the work can be used in the future to optimize the functioning of the traffic management system.

About the authors

V. S. Elagin

The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications

Email: v.elagin@sut.ru
ORCID iD: 0000-0003-4077-6869
SPIN-code: 5340-1954

A. А. Grebenshchikova

The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications

Email: grebenshikova.aa@sut.ru
ORCID iD: 0009-0008-3118-9957
SPIN-code: 6673-2351

References

  1. Кучерявый А.Е., Парамонов А.И., Маколкина М.А., Мутханна А.С.А., Выборнова А.И., Дунайцев Р.А. и др. Трехмерные многослойные гетерогенные сверхплотные сети // Информационные технологии и телекоммуникации. 2022. Т. 10. № 3. С. 1−12. doi: 10.31854/2307-1303-2022-10-3-1-12. EDN:LHLYEM
  2. Бушеленков С.Н., Парамонов А.И. Анализ и формирование структуры сети интернета вещей на основе моделей решеток // Электросвязь. 2021. № 7. С. 23−28. doi: 10.34832/ELSV.2021.20.7.002. EDN:JIBLHT
  3. Volkov A., Abdellah A.R., Muthanna A., Makolkina M., Paramonov A., Koucheryavy A. IoT traffic prediction with neural networks learning based on SDN infrastructure // Proceedings of 23rd International Conference on Distributed and Computer and Communication Networks (DCCN 2020, Moscow, Russia, 14−18 September 2020). Lecture Notes in Computer Science. 2020. Vol. 12563. IEEE, 2020. PP. 64−76. doi: 10.1007/978-3-030-66471-8_6. EDN:QRQIPV
  4. Абделлах А.Р., Махмуд О.А., Парамонов А.И. Кучерявый А.Е. Прогнозирование задержки в сетях интернета вещей и тактильного интернета с использованием машинного обучения // Электросвязь. 2021. № 1. С. 23−27. doi: 10.34832/ELSV.2021.14.1.002. EDN:IRYPFV
  5. Вентцель А.Д. Курс теории случайных процессов. М.: Наука. Физматлит, 1996. 399 c.
  6. Joshi M., Hadi T.H. A Review of Network Traffic Analysis and Prediction Techniques. 2015. URL: https://arxiv.org/abs/1507.05722 (Accessed 25.08.24)
  7. Ferreira G.O., Ravazzi C., Dabbene F., Calafiore G.C., Fiore M. Forecasting Network Traffic: A Survey and Tutorial With Open-Source Comparative Evaluation // IEEE Access. 2023. Vol. 11. PP. 6018−6044. doi: 10.1109/ACCESS.2023.3236261
  8. Викулов А.С., Парамонов А.И. Постановка задачи замощения плоскости в применении к частотно-территориальному планированию сетей IEEE 802.11 // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2021. № 1(41). С. 24−32. EDN:HNRRQO
  9. Миллер Б.М., Панков А.Р. Теория случайных процессов в примерах и задачах. М.: Физматлит, 2007. 320 c.
  10. Manzoor S., Bajwa K.B., Sajid M., Manzoor H., Manzoor M., Ali N., et. al. Modeling of Wireless Traffic Load in Next Generation Wireless Networks // Mathematical Problems in Engineering. 2021. Iss. 1. P. 15. doi: 10.1155/2021/7293093
  11. Wang J., Tang J., Xu Z., Wang Y., Xue G., Zhang X., et. al. Spatiotemporal modeling and prediction in cellular networks: A big data enabled deep learning approach // Proceeding of IEEE Conference on Computer Communications (Atlanta, USA, 01−04 May 2017). IEEE, 2017. PP. 1−9. doi: 10.1109/INFOCOM.2017.8057090
  12. Luo X., Li D., Yang Y., Zhang S. Spatiotemporal traffic flow prediction with KNN and LSTM // Journal of Advanced Transportation. 2019. PP. 1−10. doi: 10.1155/2019/4145353
  13. Hochreiter S., Schmidhuber J. Long short-term memory // Neural computation. 1997. Vol. 9. Iss. 8. PP. 1735−80. doi: 10.1162/neco.1997.9.8.1735
  14. Kavitha A.K., Praveena S.M. Deep learning model for traffic flow prediction in wireless network // Automatika. 2023. Vol. 64. Iss. 4. PP. 848−857. doi: 10.1080/00051144.2023.2220203
  15. Шелухин О.И., Осин А.В., Смольский С.М. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения. М.: Физматлит, 2008. 368 c. EDN:MVSWAB
  16. Цыбаков Б.С. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса // Радиотехника. 1999. № 5. С. 24–31.
  17. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. М.: Радиотехника, 2003. 480 c. EDN:UKUJXH
  18. Sjöberg J., Ljung L. Overtraining, Regularization, and Searching for Minimum in Neural Networks. 1992. URL: https://www.researchgate.net/profile/J-Sjoberg/publication/2738519_Overtraining_Regularization_And_Searching_For_Minimum_With_Application_To_Neural_Networks/links/02e7e519f37e9a2f6e000000/Overtraining-Regularization-And-Searching-For-Minimum-With-Application-To-Neural-Networks.pdf (Accessed 26.08.2024)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».