Оптимизация многомерного распределения радиоресурсов для поддержания стабильно высоких скоростей доставки данных в беспроводных локальных сетях нового поколения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-00756

НазваниеОптимизация многомерного распределения радиоресурсов для поддержания стабильно высоких скоростей доставки данных в беспроводных локальных сетях нового поколения

Руководитель Хоров Евгений Михайлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь

Ключевые слова Беспроводные локальные сети (БЛС), Wi-Fi, качество обслуживания, MU-MIMO, оценка канала, координированный OFDMA, координированный MIMO/MU-MIMO

Код ГРНТИ28.17.19, 49.37.29, 49.03.11

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Широкое распространение и популярность беспроводных локальных сетей (БЛС) приводят к тому, что растет их плотность, а также колоссально увеличивается объем передаваемых данных. Многие востребованные приложения, такие как видеосвязь, виртуальная и дополненная реальность, требуют поддержания стабильно высоких скоростей доставки данных. Качество обслуживания трафика таких приложений в наиболее распространенных на данный момент БЛС Wi-Fi отнюдь не всегда оказывается удовлетворительным из-за того, что скорость доставки данных на прикладном уровне (1) оказывается существенно меньше номинальных скоростей передачи данных и (2) сильно флуктуирует из-за ряда факторов. Во-первых, использование в БЛС нелицензируемых диапазонов радиочастот и методов случайного доступа к каналу приводит к случайным задержкам и коллизиям. Во-вторых, плотность БЛС растёт, что приводит к неконтролируемым помехам. В-третьих, для использования многопользовательских многоантенных передач (MU-MIMO) необходимо регулярно проводить измерение канала, что требует высоких накладных расходов и, как следствие, снижает и фрагментирует объем ресурсов, доступный для передачи данных. Для обеспечения высокоскоростной надежной доставки данных в рамках нового поколениях технологий БЛС (например, Wi-Fi 8) предполагается использование координированных методов передачи данных, таких как координированные MU-MIMO и координированный множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA). Фактически в настоящий момент исследования, посвященные координированным MU-MIMO и OFDMA, и в полной мере учитывающие особенности БЛС, только зарождаются. Так, только во второй половине 2022 года началось обсуждение будущей технологии Wi-Fi 8, в которой планируется ввести координированные OFDMA и MU-MIMO, а активная фаза разработки стандарта технологии начнется только во второй половине 2023 г. При этом, существующие научные работы в области систем MU-MIMO и OFDMA обычно не учитывают перечисленные ранее особенности БЛС. Также большинство исследований не рассматривают стабильно высокую скорость доставки данных как ключевой показатель производительности, а для БЛС нового поколения именно она, а не номинальная пропускная способность, является наиболее значимым показателем производительности. В рамках проекта будут разработаны и исследованы новые решения для распределения радиоресурсов с целью повышения и стабилизации скоростей доставки данных в БЛС с учетом жестких требований к качеству обслуживания и перечисленных выше особенностей. Также будут разработаны решения для снижения накладных расходов для измерения и распространения информации о канале для БЛС, использующих MU-MIMO с большим числом антенн. Таким образом, решаемая в проекте проблема имеет огромное значение в мире. Ожидается, что результаты проекта будут востребованы в России и за рубежом и могут быть внедрены при разработке новых дополнений к стандарту Wi-Fi, в частности, Wi-Fi 8 (стандарт IEEE 802.11). Также они могут быть использованы при создании нового оборудования БЛС.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Баранников А.В., Левицкий И.А., Хоров Е.М. False Protection of Real-Time Traffic with Quieting in Heterogeneous Wi-Fi 7 Networks: An Experimental Study Sensors, Barannikov, A.; Levitsky, I.; Khorov, E. False Protection of Real-Time Traffic with Quieting in Heterogeneous Wi-Fi 7 Networks: An Experimental Study. Sensors 2023, 23, 8927. (год публикации - 2023)
10.3390/s23218927

2. Голубев Е.А., Тутельян С.А. Уменьшение длительности процедуры сбора канальной информации в сетях 802.11ax с использованием OFDMA Сборник трудов конференции "Информационные технологии и системы 2023", Голубев Е.А., Тутельян С.А. Уменьшение длительности процедуры сбора канальной информации в сетях 802.11ax с использованием OFDMA //Сборник трудов конференции ИТиС 2023. – 2023. – С. 507-517. (год публикации - 2023)

3. Баранников А.В., Левицкий И.А., Логинов В.А., Троегубов А.Ю., Хоров Е.М. Исследование влияния сжатия CSI на эффективность MU-MIMO в условиях временной эволюции канала Информационные процессы (перевод: Journal of Communications Technology and Electronics) (год публикации - 2023)

4. Баранников А.В., Троегубов А.Ю., Левицкий И.А. Влияние сжатия информации о канале и устаревания канала на качество передач MU-MIMO Сборник трудов конференции «Информационные технологии и системы 2023», Баранников А.В., Троегубов А.Ю., Левицкий И.А. Влияние сжатия информации о канале и устаревания канала на качество передач MU-MIMO //ИТиС 2023. – 2023. – С. 360-362. (год публикации - 2023)
10.53921/itas2023_360

5. Мирзоян М.А., Логинов В.А., Хоров Е.М. M-TDLS: Enhancement of VR Quality of Service Using Coordinated OFDMA and Direct Links Proc of IEEE CSCN 2023, M.Mirzoian, V.Loginov, E. Khorov, "M-TDLS: Enhancement of VR Quality of Service Using Coordinated OFDMA and Direct Links" // In proc. of IEEE Conference on Standards for Communications and Networking (CSCN), pp. 402 - 406, 2023 (год публикации - 2023)

6. Голубев Е., Тутельян С.А., Логинов В.А., Хоров Е.М. Reducing duration of the MU-MIMO CSI acquisition procedure in Wi-Fi networks with OFDMA Proc of IEEE CSCN 2023, Y. Golubev, S. Tutelian., V. Loginov, E.Khorov. Reducing duration of the MU-MIMO CSI acquisition procedure in Wi-Fi networks with OFDMA // In Proc of IEEE Conference on Standards for Communications and Networking (CSCN). – IEEE, 2023.– С. 389-394. (год публикации - 2023)

7. Старцев И.А., Тутельян С.А., Логинов В.А. Исследование возможностей обслуживания VR-трафика при увеличении числа антенн в сетях Wi-Fi с использованием MU-MIMO Сборник трудов конференции «Информационные технологии и системы 2023», Старцев И.А., Тутельян С.А., Логинов В.А. Исследование возможностей обслуживания VR-трафика при увеличении числа антенн в сетях Wi-Fi с использованием MU-MIMO. Сборник трудов конференции ИТиС 2023. – 2023 (год публикации - 2023)
10.53921/itas2023_363

8. Логинов В.А., Мирзоян М.А., Хоров Е.М. C-DL: Coordinated Direct Links for Serving VR traffic in Wi-Fi 8 Networks 2024 International Conference Engineering and Telecommunication (En&T), V.Loginov, M.Mirzoian, E. Khorov. C-DL: Coordinated Direct Links for Serving VR traffic in Wi-Fi 8 Networks // 2024 International Conference Engineering and Telecommunication (En&T) (год публикации - 2024)

9. Хубаева Д.Ц., Тутельян С.А., Хоров Е.М. Выбор оптимального распределения ресурсных блоков при обслуживании VR-трафика в сетях Wi-Fi с применением C-OFDMA Сборник трудов конференции ИТиС 2024, Хубаева Д.Ц., Тутельян С.А., Хоров Е.М. Выбор оптимального распределения ресурсных блоков при обслуживании VR-трафика в сетях Wi-Fi с применением C-OFDMA //ИТиС 2024. – 2024. – С. 421-430. (год публикации - 2024)

10. Голубев Е.А., Логинов В.А., Тутельян С.А. Исследование методов сбора канальной информации в сетях Wi-Fi D-MIMO ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ, Е.А. Голубев, В.А. Логинов, С.А. Тутельян. Исследование методов сбора канальной информации в сетях Wi-Fi D-MIMO //Информационные процессы. – 2024. – Т. 24. – №. 4. – С. 361-372. (год публикации - 2024)
10.53921/18195822_2024_24_4_361

11. Логинов В. А., Мирзоян М. А., Хоров Е. М. Исследование методов повышения качества обслуживания приложений виртуальной реальности при использовании прямых соединений в сетях IEEE 802.11be Сборник трудов конференции EnT 2024, В.А. Логинов, М.А. Мирзоян, E.М. Хоров. Исследование методов повышения качества обслуживания приложений виртуальной реальности при использовании прямых соединений в сетях IEEE 802.11be // Сборник трудов конференции EnT 2024. – 2024. (год публикации - 2024)

12. Баранников А.В., Левицкий И.А., Логинов В.А., Хоров Е.М. CSI Compression Method with Dual Differential Feedback for Next-Generation Wi-Fi Networks IEEE Wireless Communications Letters, A. Barannikov, I. Levitsky, V. Loginov and E. Khorov, "CSI Compression Method With Dual Differential Feedback for Next-Generation Wi-Fi Networks," in IEEE Wireless Communications Letters (год публикации - 2024)
10.1109/LWC.2024.3510215

13. Голубев Е., Логинов В.А., Тутельян С.А. Сравнение методов сбора канальной информации в сетях Wi-Fi, использующих D-MIMO Сборник трудов конференции ИТиС 2024, Голубев Е., Логинов В.А., Тутельян С.А. Сравнение методов сбора канальной информации в сетях Wi-Fi, использующих D-MIMO //ИТиС 2024. – 2024. – С. 431-434. (год публикации - 2024)

14. Карамышев А.Ю., Порай Е.Д., Хоров Е.М. Оценка емкости системы сверхнадежной связи с низкими задержками с помощью аппроксимаций для многосерверных систем массового обслуживания G/G/s Проблемы передачи информации, Карамышев А.Ю., Порай Е.Д., Хоров Е.М. Оценка емкости системы сверхнадежной связи с низкими задержками с помощью аппроксимаций для многосерверных систем массового обслуживания G/G/s // Проблемы передачи информации. - 2024. - Т. 60. - N. 2. - С. 36-52. doi: 10.31857/S0555292324020049 Перевод: Karamyshev A., Poray E., Khorov. E. Closed-Form Approximations for the URLLC Capacity Using G/G/s Queues. Problems of Information Transmission, 2024, Vol. 60, No. 3, pp. 141–158 (год публикации - 2024)
10.31857/S0555292324020049

15. Мирзоян М.А., Логинов В.А. Исследование эффективности M-TDLS при обслуживании VR-приложений ТРУДЫ 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ, ФИЗМАТКНИГА, Москва, М.А. Мирзоян, В.А. Логинов. Исследование эффективности M-TDLS при обслуживании VR-приложений // Сборник трудов 66й Всероссийской научной конференции МФТИ. – 2024. – C. 142-144 (год публикации - 2024)

16. Злобин Р., Куреев А., Глинский К., Хоров Е. Wi-Fi Receiver with Smoothed Equalization for Reliable Reception of Non-orthogonal Streams Proceedings of 2024 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), R. Zlobin, A. Kureev, K. Glinskiy and E. Khorov, "Wi-Fi Receiver with Smoothed Equalization for Reliable Reception of Non-orthogonal Streams," 2024 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), Tbilisi, Georgia, 2024, pp. 354-357 (год публикации - 2024)
11.1109/BlackSeaCom61746.2024.10646288

17. Ендовицкий Е.О., Тутельян С.А., Чемров К.С., Логинов В.А., Хоров Е.М. Impact of Explicit Channel Sounding Period on the Wi-Fi MU-MIMO Performance Proceedings of 2024 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), Endovitskiy E. et al. Impact of Explicit Channel Sounding Period on the Wi-Fi MU-MIMO Performance //2024 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom). – IEEE, 2024. – С. 78-83. (год публикации - 2024)
10.1109/BlackSeaCom61746.2024.10646248

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках проекта коллектив исполнителей исследовал оптимальный период обновления информации о канале с точки зрения пропускной сети Wi-Fi. Исследование было проведено в среде имитационного моделирования NS-3, что позволило наиболее полно учесть все особенности передачи информации о канале в современных сетях Wi-Fi. Коллектив исполнителей измерил суммарную пропускную способность в различных сценариях в зависимости от периода обновления информации о канале и нашел квазиоптимальный период. Показано, что при использовании квазиоптимального периода проигрыш по пропускной способности не превышает 30% во всех сценариях, а в 70% рассмотренных сценариев проигрыш составляет менее 10%. Таким образом, точка доступа может выбрать одно значение периода обновления информации о канале, которое подойдет для широкого набора сценариев. В рамках проекта исследована эффективность сжатия информации о канале в сетях Wi-Fi. Разработан новый метод сжатия информации о канале, учитывающий высокую корреляцию измерений во временной и в частотной областях. Эффективность метода была оценена на основе данных, полученных как с помощью разработанного экспериментального стенда, так и путем имитационного моделирования. По результатам анализа было показано, что предлагаемый метод до 50% сокращает объем кадров с информацией о канале по сравнению со стандартным методом сжатия, и до 40% по сравнению с методом схожей вычислительной сложности из литературы. Кроме того, исследован альтернативный подход, основанный на представлении канала в частотной области. В стандарте Wi-Fi для снижения накладных расходов измерения канала могут отправляться не для всех поднесущих, а для каждой 4-ой или 16-ой равноотстоящей поднесущей. На точке доступа для построения прекодера на всех поднесущих применяется последующая интерполяция полученной информации о канале. Равноотстоящие поднесущие неоптимальны, поскольку не учитывают профиль частотной зависимости, например, расположение точек перелома или пиков. В рамках исследования рассмотрена задача оптимизации расположения узлов интерполяции с целью минимизации ошибки аппроксимации на точке доступа. Разработанный метод протестирован на модели канала Matlab WLAN Toolbox. Показано, что, если заменить равноотстоящие узлы на оптимальные, в многоантенной передаче отношение полезного сигнала к шуму и интерференции увеличивается на 0,9 – 3,7 дБ в зависимости от пространственного потока и группировки поднесущих. В рамках исследования разработан новый формат кадра Wi-Fi для параллельной передачи с кодовым разделением пилотных сигналов, использующихся для оценки канала. Предложенный формат учитывает искажения, возникающие при несовпадении частот передающих устройств. Предложены методы детекции с использованием сглаживания, что позволило повысить точность оценки канала и минимизировать взаимные помехи между сигналами от двух устройств. Разработанный метод позволит снизить длительность процедуры неявной оценки канала. Рассмотрена проблема сбора канальной информации в сетях Wi-Fi, использующий координированный MU-MIMO c централизованным управлением. Была построена имитационная модель такой сети в среде NS-3. Для сокращения длительности процедуры оценки канала в таких сетях было предложено два алгоритма распределения канальных ресурсов в процедуре явного передачи информации о канале, использующих OFDMA. Результаты имитационного моделирования показали, что предлагаемые алгоритмы способны в два и более раз сократить длительность процедуры сбора канальной информации по сравнению с базовым методом. В рамках исследования была рассмотрена проблема планирования ресурсов при обслуживании VR-трафика в сетях Wi-Fi, использующий координированный OFDMA. Была построена модель такой сети в среде имитационного моделирования NS-3. Был разработан и реализован алгоритм распределения радиоресурсов, учитывающий использование данной технологии и позволяющий гибко выделять разным точкам доступа ресурсы в каждой передаче. Было проведено сравнение разработанного метода с базовыми методами и показано, что он позволяет значительно увеличить число пользователей VR, для которых выполнены требования к качеству обслуживания. В рамках проекта была рассмотрена обслуживания VR-трафика в сетях Wi-Fi, использующих прямые соединения и OFDMA. В рамках текущего этапа коллективом исполнителей рассмотрен сценарий передачи двух VR-потоков, один из которых передает точка доступа, а второй - станции, использующие прямое соединение. Разработан новый алгоритм C-DL, выбирающий тип каждой передачи точки доступа, а также настраивающий ее параметры метода доступа к среде. При помощи имитационного моделирования было показано, что предложенный алгоритм позволяет снизить долю потерянных кадров у обоих потоков по сравнению c базовыми решениями (включая решение, разработанное на предыдущем этапе проекта), а также увеличить максимальный битрейт интерферирующего потока, при котором выполнены требования на качество обслуживания обоих VR-потоков. Предложена приближенная формула для оценки эффективной емкости системы массового обслуживания G/G/s, которая может быть использована для математического моделирования сетей, использующих OFDMA, при обслуживании приложений, чувствительных к задержке и надежности доставки данных. Численно показано, что ошибка оценки эффективной емкости системы не превышает 2% в сценариях с наиболее актуальными значениями требований к задержке. Осуществлен асимптотический анализ предложенной формулы, выкладки которого могут быть применены для крайне широкого класса реальных объектов и сценариев, в частности, в задачах планирования канальных ресурсов в БЛС с координированным OFDMA.

Публикации