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

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

1. 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)

2. 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)

3. 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

4. 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)

5. 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

6. 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)

7. 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

8. 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)

9. 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

10. 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 2025 году
В 2025 г. коллективом исполнителей получен ряд научных и практических результатов, имеющих значение для повышения производительности и надежности беспроводных локальных сетей нового поколения (Wi-Fi 8). Основные достижения изложены ниже, результаты были представлены в рамках научных публикаций, а также докладывались на российских и международных научных мероприятиях. Проведен анализ нововведений, которые войдут в стандарт IEEE 802.11bn, рассматриваемый как основа для следующего поколения сетей Wi-Fi 8. Определены ключевые направления для дальнейших исследований, связанные с разработкой новых алгоритмов управления радиоресурсами для реализации потенциала технологии. На базе программно-определяемого радио реализованы и экспериментально сравнены схемы последовательной неявной оценки канала и неявной оценки с мультиплексированием пилотных сигналов. Показано, что мультиплексирование с кодовым разделением, несмотря на снижение накладных расходов, приводит к потере 2–4 дБ в точности оценки (по метрике SINR) и снижению пропускной способности MU-MIMO передач на 20–25% по сравнению с последовательной схемой. Разработан интегрированный алгоритм планирования радиоресурсов для систем с координированным OFDMA (C-OFDMA) и пространственным разделением за счет управления мощностью передачи. Имитационное моделирование показало, что новый алгоритм превосходит решения, использующие только OFDMA или только управление мощностью. Выигрыш достигает 80% при близком расположении станций (благодаря управлению мощностью) и обеспечивается возможностями OFDMA при удаленных станциях за счет повышения спектральной плотности мощности и снижения помех. На основе расширенной имитационной модели показано, что увеличение числа антенн на точке доступа оказывает ограниченное влияние на качество обслуживания пользователей VR. В условиях высокой мобильности производительность MU-MIMO может быть сопоставима с однопользовательским режимом (SU-MIMO). Установлено, что удвоение числа антенн с 8 до 16 дает лишь 35% прирост числа обслуживаемых пользователей из-за роста интерференции, вызванной устареванием канальной информации. При этом использование интеллектуальных алгоритмов выбора пользователей может повысить эффективность на 50%, что зачастую превышает выигрыш от наращивания антенн. С помощью имитационной модели в ns-3 проведено комплексное сравнение распределенного MIMO (D-MIMO) и классического MU-MIMO. Показано, что D-MIMO может обеспечивать прирост пропускной способности сети до 55% при идеальной синхронизации, однако неидеальность синхронизации точек доступа существенно снижает этот выигрыш, особенно при большом количестве антенн. Установлено, что увеличение расстояния между точками доступа ослабляет негативное влияние ошибок синхронизации. Показана важность использования эффективных алгоритмов сбора канальной информации для повышения устойчивости D-MIMO. Исследовано поведение сети при использовании базового алгоритма выбора ширины канала с поддержкой пропуска подканалов. Имитационное моделирование двух пересекающихся сетей с разнородными устройствами выявило устойчивый эффект захвата канала одной из сетей, приводящий к значительному снижению справедливости распределения ресурсов: пропускные способности станций могут различаться в 6 раз, а общая эффективность использования канала падает более чем на 30% при наличии узкополосных помех. Результаты количественно определяют ограничения существующих алгоритмов и задают требования к новым методам управления, учитывающим справедливость. Предложен и исследован алгоритм, основанный на модифицированном алгоритме Дейкстры, для оптимального размещения узлов интерполяции при сжатии информации о состоянии канала (CSI). Показано, что отказ от равномерной сетки в пользу адаптивного выбора позиций позволяет повысить среднее значение SINR для MU-MIMO передач до 5 дБ, особенно в условиях высокой частотной селективности и при ограниченном числе узлов. Результаты подтверждают эффективность метода для повышения точности CSI в будущих стандартах Wi-Fi. Имитационное моделирование в ns-3 позволило количественно оценить эффективность CoBF в различных сценариях. Установлено ключевое условие эффективности: CoBF обеспечивает рост пропускной способности до двух раз, только если число антенн на точках доступа превышает число антенн на станциях. В случае равенства числа антенн накладные расходы метода могут приводить к снижению производительности на 15–20% по сравнению с базовым методом доступа (EDCA). Полученные в 2025 г. результаты изложены в 10 научных работах, включая 1 статью в международном журнале первого квартиля (Q1) Sensors, 6 статей в российских журналах, индексируемых в Scopus/Web of Science, и 3 публикации в трудах международных и российских конференций. Результаты неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах и круглых столах, включая семинар «Future Network Technology Seminar», Московский телекоммуникационный семинар, семинар в Shanghai Jiao Tong University (Шанхай, 20.01.2025) и круглый стол «AI in wireless communication» в рамках конференции En&T. Два члена коллектива исполнителей подготовили кандидатские диссертации на основе результатов проекта (одна успешно защищена, вторая запланирована к защите в декабре 2025 г.)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта формируют ключевой научно-технологический задел для развития отечественных решений в области высокоскоростных беспроводных сетей, обеспечивая основу для цифрового суверенитета. Разработанные методы — такие как интеллектуальное сжатие CSI, алгоритмы координированного MU-MIMO (CoBF, D-MIMO) могут быть реализованы на практике. Особую ценность представляют алгоритмы планирования ресурсов (C-OFDMA, C-SR), которые могут быть реализованы не только в чипе, но и в виде программных модулей и прошивок. Это открывает прямую возможность для их внедрения в российские точки доступа без необходимости глубокой переработки аппаратной части, позволяя быстро создавать конкурентоспособную продукцию с улучшенными характеристиками пропускной способности, задержки и поддержки большого числа пользователей. Внедрение этих решений стимулирует экономический рост через развитие ИТ-индустрии и телекоммуникационного сектора, создавая высокотехнологичные рабочие места. В социальной сфере технологии обеспечат инфраструктуру для социально значимых сервисов: телемедицины, дистанционного образования, «умных» городов и индустриального интернета вещей, напрямую повышая качество и доступность цифровых услуг для граждан. Таким образом, проект способствует импортозамещению в критически важной отрасли и создает основу для технологического лидерства России в области связи следующего поколения.