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 23-19-00756

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

РуководительХоров 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

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

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 словаБеспроводные 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.

Ожидаемые результаты
В результате проекта будет проведено обширное исследование методов поддержания стабильно высоких скоростей доставки данных в беспроводных локальных сетях. В частности, планируется разработать следующие оригинальные решения: - методы оценки канала в БЛС, снижающие накладные расходы на такую оценку без существенного ухудшения точности оценки и таким образом позволяющие повысить объем ресурсов, доступных для передачи данных с помощью MU-MIMO; - экспериментальный стенд для оценки ошибок, возникающих при измерении канала; - алгоритмы планирования ресурсов при использовании координированного MU-MIMO в сетях с централизованным и распределенным управлением; - алгоритмы планирования радиоресурсов для БЛС с координированным OFDMA, использующих передачу данных по прямым соединениям между клиентскими станциями; - алгоритмы планирования ресурсов для БЛС с пересекающимися областями покрытия, использующих координированный OFDMA. Разработанные алгоритмы будут нацелены на повышение скорости доставки данных и ее стабильности, что является востребованным для обслуживания приложений виртуальной реальности и мультимедийных приложений реального времени. Перечисленные решения будут исследоваться при помощи имитационных и аналитических моделей. Значимость полученных результатов для мировой науки будет подтверждена публикациями в высокорейтинговых международных журналах и в трудах ведущих международных конференций в области телекоммуникаций. В рамках выполнения проекта планируется подготовить не менее 20 публикаций, из них 14 в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). Кроме этого, полученные результаты планируется доложить на заседаниях международных комитетов по стандартизации технологий построения телекоммуникационных сетей. В частности, результаты будут представлены в комитете по стандартизации локальных и городских сетей IEEE 802 LMSC. На момент подачи заявки 3 участника проекта имеют право голоса при принятии новых решений в этом комитете. Планируется, что результаты проекта будут использованы при создании новых стандартов сетей Wi-Fi, в частности, при создании технологии Wi-Fi 8.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках проекта исследована эффективность снижения накладных расходов на процедуру измерения канала в технологии многопользовательского MIMO (MU-MIMO). Для измерения каналов MU-MIMO в офисных сценариях был разработан экспериментальный стенд, с помощью которого были проведены натурные эксперименты в статических и динамических сценариях MU-MIMO. Была разработана модель передачи данных, учитывающая механизм сжатия информации о канале, и позволяющая оценить отношение сигнал/шум пространственных потоков MIMO в зависимости от времени. Результаты исследования показали ограничения модели MIMO канала в WLAN Toolbox. Исследованы методы сокращения длительности процедуры сбора информации о канале в беспроводной локальной сети при помощи технологии OFDMA. Предложен алгоритм распределения канальных ресурсов между пользователями для передачи информации о канале, использующий OFDMA. По результатам имитационного моделирования было получено, что предлагаемый алгоритм до 50% сокращает длительность процедуры сбора информации о канале по сравнению с известными решениями из литературы. Проведено исследование эффективности обслуживания VR-трафика в БЛС посредством увеличения числа антенн на точке доступа. Было показано, что если пользователи находятся далеко от точки доступа, то повышение числа антенн способно значительно увеличить количество пользователей в системе без снижения качества их обслуживания. Если же пользователи находятся близко от точки доступа, то при низкой скорости изменения канальных условий производительность системы растет медленно относительно увеличения числа антенн, а при высокой рост почти отсутствует. В таких случаях предлагается использовать другие методы повышения качества обслуживания VR-трафика, как, например, использование планировщиков, использующих информацию о задержках. Предложенный ранее коллективом исполнителей метод доступа к каналу M-TDLS обеспечивает высокое качество обслуживания VR трафика, однако негативно влияет на качество обслуживания трафика обычных станций. В связи с этим в рамках данного проекта коллективом был разработан алгоритм планирования радиоресурсов для эффективного использования M-TDLS. Путем имитационного моделирования в среде ns-3 показано, что данный алгоритм позволяет точке доступа стабильно обеспечивать скорость доставки данных не ниже требуемого порога для VR-станций, и при этом максимизировать качество обслуживания остального трафика, например, повышать пропускную способность станций, скачивающих веб-страницы. Проведено исследование эффективности использования технологии координированного OFDMA в иерархических двухшаговых БЛС. Была разработана модель такой сети и предложен алгоритм централизованного планирования частотно-временных ресурсов. При составлении расписания передач алгоритм учитывает объем буферов на устройствах, а также качество соединений. Было показано, что использование такого алгоритма позволило значительно повысить гарантированную скорость доставки данных, чувствительных к задержке, по сравнению со случаем аналогичной одношаговой сети. Кроме того, расширено исследование метода координирования передач посредством резервирования периодических интервалов передач. В стандарте 802.11be для защиты таких передач предложено использовать механизм интервалов тишины. Экспериментальное исследование современных устройств с различными сетевыми чипами и операционными системами выявили отклонения от стандарта при имплементации механизма интервалов тишины. Большинство устройств не поддерживают этот механизм, или поддерживают его лишь частично, что осложняет его использование для резервирования периодических интервалов и координирования передач между точками доступа. Был предложен альтернативный метод защиты трафика реального времени с использованием механизма виртуальной занятости среды.

Публикации

1. 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)

2. 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) https://doi.org/10.3390/s23218927

3. 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) https://doi.org/10.53921/itas2023_360

4. 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)

5. 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)

6. 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)

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) https://doi.org/10.53921/itas2023_363

8. - Современные смартфоны и ноутбуки могут помешать новым сетям Wi-Fi 7 Индикатор, - (год публикации - )

9. - Вайфайные пути: современная техника мешает внедрению сетей нового поколения Известия, - (год публикации - )

10. - Современные смартфоны и ноутбуки могут помешать новым сетям Wi-Fi 7 InScience, - (год публикации - )

11. - Вайфайные пути: современная техника мешает внедрению сетей нового поколения Сайт РНФ, - (год публикации - )

12. - Вайфайные пути: современная техника мешает внедрению сетей нового поколения Rambler, - (год публикации - )