Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследованы методы обслуживания трафика приложений реального времени (англ.: Real-Time Applications, RTA) в сетях Wi-Fi. Решалась задача разработки метода, способного удовлетворить требования к качеству обслуживания трафика RTA (задержка не больше 1-10 мс с вероятностью не меньше 99,999%) и максимизировать пропускную способность канала, доступную для менее приоритетного трафика. Был разработан и исследован ряд методов обслуживания RTA-трафика, основанных на предварительном резервировании канала, и было проведено их сравнение друг с другом и с методом, основанным на использовании приоритизирующих параметров метода случайного доступа к каналу для RTA-станций и на ограничении длительности передачи менее приоритетных кадров. Сравнение методов показало, что метод, основанный на настройке параметров метода доступа, показывает большую эффективность в случае RTA-трафика высокой интенсивности (период поступления кадров меньше 50 мс). В других случаях более эффективным является метод, основанный на резервировании канала, при использовании которого станция резервирует канальные ресурсы, указывает интервал времени, в течение которого ожидается поступление кадра данных, и другие RTA-станции могут передать свои кадры данных во время зарезервированного интервала, если их передача не пересечётся с ожидаемой передачей кадра станции, установившей резервирование. Данный метод при выполнении требований на 99,999%-квантиль задержки для RTA-трафика позволяет достичь эффективности использования канальных ресурсов для менее приоритетного трафика примерно на 20% больше, чем другие методы. Разработан и исследован ряд методов обслуживания RTA-трафика, основанных на использовании многоканальных методов доступа к каналу. Были предложены методы, основанные на управлении параметрами доступа к каналу станций, основанные на использовании служебного канала и основанные на распределении разных типов трафика по различным каналам. Полученные результаты показывают, что в случае, когда RTA-трафик представлен короткими кадрами, наименьший 99,999%-квантиль задержки достигается при использовании различных частотных каналов для обычного трафика и для RTA-трафика. При этом же достигается наибольшая эффективность использования канальных ресурсов обычными устройствами. В случае, когда RTA-кадры имеют большую длительность и RTA-трафик имеет низкую интенсивность, наименьший квантиль задержки достигается для метода, основанного на использовании служебного канала. В случае больших RTA-кадров и высокой интенсивности RTA-трафика наиболее эффективной является такая установка параметров метода доступа к каналу, чтобы RTA-станции всегда выигрывали при конкуренции за доступ к каналу с обычными станциями, совместно с равномерным распределением станций по имеющимся частотным каналам. Коллективом исполнителей рассматривалась одна из ключевых проблем для реализации неортогонального множественного доступа в восходящем канале (англ.: Uplink Non-Orthogonal Multiple Access, UL-NOMA) в сетях Wi-Fi: разработка метода доступа к каналу, совместимого с методом случайного доступа, используемым существующими устройствами Wi-Fi. Коллективом исполнителей было предложено два метода доступа к каналу, основанных на UL-NOMA: асинхронный метод доступа к каналу и синхронный метод доступа к каналу. С помощью имитационной платформы, разработанной в рамках проекта было проведено сравнение данных методов доступа друг с другом и с существующим в сетях Wi-Fi методом случайного доступа. Полученные результаты показывают, что использование синхронного NOMA обеспечивает прирост до 100% суммарной пропускной способности и геометрического среднего пропускных способностей устройств сети Wi-Fi как по сравнению с асинхронным методом доступа, так и по сравнению по сравнению с использующимся методом случайного доступа в сетях Wi-Fi. Для синхронного UL-NOMA была разработана математическая модель, основанная на цепях Маркова с дискретным временем и позволяющая оценить указанные выше показатели производительности. Также был разработан механизм отправки резервирующих сигналов для организации синхронной UL-NOMA-передачи, и экспериментально найдены параметры резервирующих сигналов, позволяющие ортогонализовать их прием на точке доступа. При использовании технологии UL-NOMA в сетях Wi-Fi станции, находящиеся в одной сети и имеющие разные канальные условия, могут отправлять кадры точке доступа одновременно на одной и той же частоте, используя разность в мощностях. Точка доступа может обрабатывать суперпозицию кадров, применяя метод параллельного подавления помех. При одновременной отправке происходит наложение преамбул и пилотных поднесущих двух кадров, что делает невозможным независимую оценку каналов обоих кадров и корректировку фазы при дальнейшем приеме. Коллектив исполнителей разработал структуру UL-NOMA-кадра, имеющую обратную совместимость с существующими Wi-Fi устройствами, которая решает перечисленные проблемы. В предложенной структуре UL-NOMA-кадра было реализовано прореживание пилотных поднесущих, и было изучено его влияние на приём кадра. Реализован прототип приемопередающего устройства с поддержкой технологии UL-NOMA в сетях Wi-Fi. Были найдены комбинации СКК для основного и вложенного кадров, при которых предложенный метод приёма позволяет достичь вероятностей приема, близких к 100%. Разработана имитационная платформа для моделирования методов неортогонального множественного метода доступа. Платформа включает в себя четырехпараметрическую модель ошибок, выражающую вероятность принять кадры метода неортогонального множественного доступа в зависимости от его конфигурации. Данные для модели получены экспериментальным путём, при этом для DL-NOMA использовалась экспериментальная платформа, разработанная ранее участниками коллектива исполнителей, а для UL-NOMA был использован прототип, разработанный в рамках данного проекта. Получены зависимости числа принятых основных и вложенных кадров к общему числу отправленных кадров от отношения мощностей вложенного кадра к мощности основного кадра и шума при использовании различных сигнально-кодовых конструкций для передачи кадров. Коллектив исполнителей провел сравнение результатов, полученных с помощью реализованной платформы, с экспериментальными результатами, известными из литературы. Результаты этого сравнения позволили валидировать реализованную платформу имитационного моделирования. Также в имитационной платформе были реализованы асинхронный и синхронный методы доступа, исследуемые в рамках проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработаны и исследованы методы обслуживания трафика приложений реального времени (англ.: Real-Time Applications, RTA) в сетях Wi-Fi. Решалась задача удовлетворения требований к качеству обслуживания трафика RTA (задержка не больше 1-10 мс с вероятностью не меньше 99,999%) и максимизации пропускной способности канала, доступной для менее приоритетного трафика. По результатам расширенного исследования методов обслуживания RTA-трафика был разработан новый улучшенный метод предварительного резервирования, основанный на алгоритме переключения между двумя предложенными ранее методами. Показано, что для эффективной работы алгоритма точке доступа достаточно знать число RTA-станций в сети, длительности передач обычных станций, длительности RTA-кадров и резервирующих кадров. Показано, что новый метод позволяет увеличить эффективность использования канальных ресурсов для обычных станций более чем на 100% в случае предсказуемости и невысокой суммарной интенсивности трафика всех RTA-станций в сети (менее 250 кадров в секунду) и строгих требованиях к вероятности доставки RTA-кадров (99,999%) с заданным ограничением на задержку (менее 5 мс). Предложен и исследован метод обслуживания RTA-трафика с использованием нескольких частотных каналов, основанный на дублировании кадров RTA и асинхронной конкуренции за доступ в каждом канале. Было также предложено улучшение данного метода с помощью приоритетных параметров доступа. В результате сравнения с разработанными ранее методами использования множества каналов было выявлено, что новый метод дублирования кадров показывает наименьший 99,999%-квантиль задержки в случае высокой интенсивности (среднее время генерации кадра на одной станции менее 100 мс) кадров RTA с большой длительностью (1 мс). Разработана обобщенная математическая модель передачи данных в БЛС, работающей согласно любому из разработанных методов использования нескольких частотных каналов. С помощью модели могут быть вычислены метрики качества обслуживания как RTA-трафика, так и не чувствительного к задержке трафика. Результаты валидации показали, что математическая модель позволяет с высокой точностью вычислять даже 99,999%-квантиль задержки, необходимый для оценки эффективности методов в случае особенно строгих требований к надежности обслуживания трафика RTA. Разработанная модель дает возможность настраивать на точке доступа алгоритм переключения между методами для обслуживания трафика RTA и максимизации пропускной способности обычных станций. Предложена процедура доступа к каналу для обслуживания трафика RTA несколькими точками доступа в БЛС. Процедура использует механизм пространственного разделения канальных ресурсов, с помощью которого точка доступа во время приема данных может разрешать станциям RTA передавать кадры другим точкам доступа. Для дальнейшей оценки эффективности и улучшения данной процедуры в среде имитационного моделирования NS-3 была реализована модель гетерогенной сети Wi-Fi, использующей механизм пространственного разделения канальных ресурсов в случае восходящего трафика и базовую версию предлагаемой процедуры доступа к каналу. Разработана аналитическая модели БЛС, использующей неортогональный множественный доступ в восходящем канале совместно с резервирующими сигналами и механизмом RTS/CTS. Использование резервирующих сигналов и механизма RTS/CTS обеспечивает обратную совместимость с механизмом доступа EDCA, являющимся базовым в сетях Wi-Fi. Разработанная модель позволяет оценить суммарную пропускную способность устройств в сети. Результаты исследования показывают, что использование неортогонального множественного доступа в восходящем канале позволяет повысить суммарную пропускную способность на 30% по сравнению с механизмом EDCA. Был модифицирован разработанный прототип приемопередатчика, использующего технологию UL-NOMA в сетях Wi-Fi для сравнения помехоустойчивости методов параллельного подавления помех и последовательного подавления помех при приеме NOMA-кадров. Также с помощью прототипа экспериментально определены канальные условия и сигнально-кодовые конструкции для двух передающих устройств, при котором использование UL-NOMA позволяет получить прирост производительности сети по сравнению с существующими методами доступа в Wi-Fi.   Проведено исследование эффективности применения неортогональных методов множественного доступа в восходящем канале в сетях Wi-Fi, а также сравнение с другими методами множественного доступа, такими как OFDMA и TDMA. Для учета большого числа факторов, влияющих на функционирование беспроводной сети в целом, таких как различные виды трафика или межсетевая интерференция, исследование было выполнено средствами имитационного моделирования. Показано, что, если пользователи находятся на большом отдалении от точки доступа, то NOMA проигрывает OFDMA, так как при использовании OFDMA из-за сужения канала увеличивается спектральная плотность мощности. В связи с этим был предложен алгоритм совместного использования NOMA и OFDMA. Было показано, что предложенный алгоритм повышает пропускную способность сети и снижает задержки передачи данных за счет использования преимуществ как метода OFDMA (использование неоднородности канальных условий по частоте, увеличение спектральной плотности мощности), так и метода NOMA (мультиплексирование пользователей с сильно различающимися канальными условиями). Проведено исследование NOMA в нисходящем канале при наличии фазового шума. Для снижения влияния фазового шума предложено поворачивать сигнальное созвездие кадра меньшей мощности внутри NOMA-кадра. Для нахождения угла поворота разработана аналитическая модель приема NOMA-кадра, позволяющая найти коэффициент битовых ошибок для различных мощностей фазового шума, АБГШ и комбинации созвездий NOMA-кадра. Для экспериментальной проверки результатов, полученных с помощью имитационной модели, разработан прототип приема-передатчика NOMA, способного вращать сигнальное созвездие кадра меньшей мощности на заданный угол и декодировать принятый сигнал, сгенерированный данным образом. Результаты экспериментов показывают, что поворот сигнального созвездия на 45 градусов позволяет повысить помехоустойчивость, при этом выигрыш по помехоустойчивости определяется используемой комбинацией сигнальных созвездий NOMA-кадра. Полученный результат особенно важен при обслуживании станций, находящихся на границе зоны радиовидимости центрального устройства. Таким образом, обслуживая устройства на наиболее надежной сигнально-кодовой конструкции, точка доступа приобретает возможность параллельно передавать данные станциям с лучшими канальными условиями на сигнально-кодовых конструкциях более высоких порядков. Проведена оценка совместного использования NOMA и MIMO при передаче с помощью одного потока и нескольких потоков. Показано, что использование MIMO и NOMA при фокусировании сигналов на одно устройство является эффективным при обслуживании устройств с близкими характеристиками каналов. Полученная ранее модель ошибок приема NOMA-кадров была интегрирована в общий стек протоколов NS-3, что позволило применять более точную модель передачи кадров при разработке алгоритмов планирования ресурсов при использовании NOMA. В частности, был предложен и реализован алгоритм распределения радиоресурсов, использующий методы OFDMA и NOMA совместно. По результатам сравнения алгоритмов с помощью указанной модели можно сделать вывод, что совместное использование OFDMA и NOMA позволяет снизить задержки в сетях Wi-Fi по сравнению с использованием только одного из данных методов. Модифицирована модель ошибок с учетом результатов, полученных ранее, а также разработан модуль загрузки характеристик каналов, сгенерированных в моделях канала с кластерными линиями задержек.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Был предложен улучшенный метод пространственного разделения канальных ресурсов в сценарии обслуживания несколькими точками доступа трафика RTA вместе с нечувствительным к задержке трафиком. Для этого был разработан алгоритм планирования передач, который жадным способом решает задачу минимизации задержки доступа к каналу для станций с RTA-трафиком. При этом алгоритм не ухудшает справедливость распределения ресурсов для станций с обычным трафиком и даже улучшает суммарную пропускную способность сети. Показано, что новый метод позволяет снизить 0.999-квантиль задержки RTA-передач в два раза по сравнению с обычным методом пространственного разделения канальных ресурсов. Для обслуживания приложений реального времени с использованием нескольких точек доступа и нескольких частотных каналов был разработан новый метод доступа с пространственным разнесением канальных ресурсов. По сравнению с одноканальным методом новый метод использует алгоритм классификации обычных станций, учитывающий особенности распространения сигнала в каждом из используемых каналов. Кроме того, был разработан новый алгоритм планирования обычных передач, который решает совместную задачу распределения станций по каналам и определения порядка их передач. Разработанный метод был интегрирован в платформу ns-3 для анализа его эффективности. Эксперимент показали, что при использовании нового метода 0.999-квантиль задержки для RTA-трафика более чем в раза меньше, чем при использовании метода, не учитывающего многоканальный доступ устройств. Был предложен метод построения матрицы прекодера при совместном применении технологий MIMO и NOMA. Данный метод формирует неортогональные пространственные потоки для пользователей внутри каждой группы, сохраняя ортогональность между группами, устраняя полностью интерференцию между разными группами. С помощью платформы имитационного моделирования, построенной в рамках Задачи 2.4, были получены оценки эффективности применения предлагаемого метода. Результаты показывают, что предлагаемый прекодер значительно улучшает среднюю геометрическую пропускную способность пользователей и превосходит существующие подходы из литературы в области умеренных значений отношения сигнал/шум, а также может использоваться совместно с существующими прекодерами для систем NOMA-MIMO в нисходящем потоке. Была разработана модель ошибок приема NOMA-кадров произвольной конфигурации: распределения мощности внутри NOMA-кадра, общего отношения сигнал/шум + интерференция, а также сигнально-кодовых конструкций кадров, составляющих NOMA-кадр. Модель интегрирована в платформу имитационного моделирования БЛС Wi-Fi ns-3. Разработанная модель позволила оценить эффективность совместного применения NOMA и MIMO, а также проверить влияние распространенного в литературе упрощенного представления приема NOMA-кадра на оценку эффективности применения NOMA. Упрощение состоит в замене интерференции вложенного кадра на АБГШ той же мощности. Показано, что такой упрощенный подход завышает требования к отношению сигнал/шум+интерференция для достижения требуемой помехоустойчивости, что приводит к занижению оценки эффективности применения NOMA и MIMO в Wi-Fi.