Алгоритмы и модели обеспечения показателей качества обслуживания в беспроводных гетерогенных сетях шестого 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 22-79-10128

НазваниеАлгоритмы и модели обеспечения показателей качества обслуживания в беспроводных гетерогенных сетях шестого поколения

Руководитель Сопин Эдуард Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые слова Терагерцовый диапазон частот, сети радиодоступа 6G, многошаговая ретрансляция, микромобильность, мультисвязность, управление радиоресурсами, стохастическая геометрия, теория массового обслуживания, имитационное моделирование, машинное обучение, марковский процесс принятия решений.

Код ГРНТИ20.53.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Параллельно с завершением стандартизации сетей связи пятого поколения (5G – 5th Generation) начинаются исследования систем шестого поколения 6G, на участке доступа которых будет использоваться субмиллиметровый или терагерцовый (THz) диапазон частот (0.3 – 3 ТГц), обеспечивающий десятки и даже сотни гигагерц полосы пропускания. Разумное использование потенциала ТГц диапазона позволит достигать экстремально высоких скоростей передачи данных на участке радиодоступа, обеспечивая принципиально новые услуги связи, такие как тактильный интернет, голографическое телеприсутствие, и др. Для решения проблемы очень высоких потерь распространения в ТГц спектре частот требуется использовать фазированные антенные решетки с большим количеством антенных элементов, обеспечивающих формирование очень узких лучей (в доли градуса) в направлении абонента, что позволяет достичь приемлемой зоны покрытия радиусом в несколько сотен метров. Помимо прочего, такие антенные решетки позволяют обеспечить практически свободную от помех среду даже при сверхплотных развертываниях базовых станций. С другой стороны, использование таких узких лучей приводит к резким колебаниям качества радиоканала в результате не только перекрытия пути прямого распространения сигнала динамическими объектами (тело человека, автомобиль) или макромобильности абонентского устройства (в результате перемещения человека или транспортного средства), но и в результате небольших вращений и смещений, возникающих даже в статичном положении (т. н. микромобильности). Описанные эффекты делают процесс обслуживания абонентов в сетях доступа терагерцового диапазона частот крайне затруднительным. Для предоставления гарантий качества обслуживания, заявленных в IMT-2030 для систем 6G, необходимо использовать возможности поддержания абонентским терминалом нескольких интерфейсов (LTE/5G NR/THz) в гетерогенной сети доступа и функцию мультисвязности, при которой устройство поддерживает соединение с несколькими базовыми станциями в рамках одной технологии радиодоступа. Таким образом, задача поддержания качества обслуживания требует определения оптимальных правил первичной ассоциации абонентских устройств с базовыми станциями и оптимальных политик переключения между разными интерфейсами и базовыми станциями в случаях временных потерь соединения из-за событий блокировок, макро- и микромобильности. Дополнительной особенностью сетей 6G будет использование архитектуры совместного доступа и транзита (IAB – Integrated Access and Backhaul), в которой предлагается использовать ретрансляционные устройства между абонентом и базовой станцией. Использование многошаговой передачи на участке доступа приводит к необходимости учета задержки и построению моделей гетерогенной сети доступа 6G на уровне пакетов, чего ранее не производилось. Для удовлетворения требованиям к качеству обслуживания в системах 6G, необходимо использование дополнительных механизмов обслуживания вызовов. К таким механизмам следует отнести использование гетерогенных сетей и функции мультисвязности. В гетерогенных сетях связи абонентский терминал одновременно поддерживает несколько интерфейсов, например, с системами связи 4G LTE (Long Term Evolution) и 5G NR (New Radio) и терагерцовым интерфейсом системы 6G. Здесь LTE/NR обеспечивают слой покрытия, временно предоставляя ресурсы для поддержания сессии в моменты, когда слои “емкости” 5G NR и 6G не могут обеспечить бесперебойное обслуживание абонентов. Однако, чем больше времени абонент обслуживается на слоях емкости 5G NR и 6G, тем более эффективно работает система в целом, предоставляя обслуживание абонентам в зонах непокрытых, 5G NR и 6G. Для этого возможно использование функции мультисвязности, при которой на каждом из слоев абонентский терминал может поддерживать соединение с несколькими базовыми станциями. Исходя из вышесказанного, разработка методов обеспечения требуемого качества обслуживания в сетях связи шестого поколения является актуальной и комплексной задачей. Для ее решения будет разработан комплекс аналитических и имитационных моделей обслуживания абонентов в гетерогенных сетях шестого поколения на уровне сессий, моделей пакетного трафика и моделей обслуживания на уровне пакетов с учетом специфических свойств радиоканала в миллиметровом и терагерцовом диапазонах частот. Параметры качества обслуживания (скорость канала, показатели непрерывности сессии, задержка при ретрансляции), полученные в результате анализа этих моделей, будут использованы как входные параметры в задаче определения оптимальных политик переключения между интерфейсами и базовыми станциями в случаях временных потерь соединения. С учетом высокой динамики обслуживания пользователей, большой размерности пространства выбора решений, а также отсутствия на абонентских устройствах полной информации о сети, в последней задаче будут использованы методы машинного обучения и аппарат марковских процессов принятия решений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дараселия А.В., Сопин Э.С., Шоргин С.Я. Characterizing the Impact of Impatience in Resource Queuing Model for the Performance Analysis of 5G Access Networks 2022 International Conference on Modern Network Technologies (MoNeTec), 2022 International Conference on Modern Network Technologies (MoNeTec), 2022, pp. 1-5, (год публикации - 2022)
10.1109/MoNeTec55448.2022.9960756

2. Голос Е.С., Дараселия А.В., Сопин Э.С., Бегишев В.О., Гайдамака Ю.В. Optimizing Service Areas in 6G mmWave/THz Systems with Dual Blockage and Micromobility MDPI Mathematics, Mathematics 2023, 11, 870 (год публикации - 2023)
10.3390/math11040870

3. Дараселия А..В., Сопин Э.С., Шоргин С.Я. On Approximation of the Time-Probabilistic Measures of a Resource Loss System with the Waiting Buffer Springer, Cham, DCCN 2022, CCIS 1748, pp. 282–295, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-30648-8_23

4. Назарьин А.И., Царитова Н.А., Белов Н. Д., Сопин Э.С. Модель для анализа показателей эффективности использования технологии 5G NR-U материалы Всероссийской конференции с международным участием, ITTMM-2023. Москва, РУДН, ITTMM-2023, РУДН, 17–21 апреля 2023 г. — Москва : РУДН, 2023. — с.83-88 : ил. (год публикации - 2023)

5. Сопин Э.С., Маслов А.Р., Бегишев В.О., Самуйлов К.Е. The Impact of Rate Adaptation on User Performance in 5G/6G mmWave/sub-THz Systems IEEE Communications Letters, vol. 27, no. 11, pp. 3137-3141, Nov. 2023 (год публикации - 2023)
10.1109/LCOMM.2023.3314269

6. Сопин Э.С., Маслов А.Р., Шоргин В.С., Бегишев В.О. Modeling insistent user behavior in 5G New Radio networks with rate adaptation and blockage Informatics and its Applications, 2023, Volume 17, Issue 3, Pages 25–32 (год публикации - 2023)
10.14357/19922264230304

7. Степанов В.А., Дараселия А.В., Сопин Э.С., Шоргин С.Я. Comparative Analysis of a Resource Loss System with the Finite Buffer and Different Service Disciplines Lecture Notes in Computer Science, vol. 14123, pp. 129–141 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-50482-2_11

8. Колчева Ю. В., Перелыгин С. В., Сопин Э. С. Аппроксимация времени пребывания в системе массового обслуживания со случайными коэффициентами скоростей Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем (ИТТММ-2024)", РУДН, Материалы Всероссийской конференции с международным участием ИТТММ-2024, стр 13-17 (год публикации - 2024)

9. Роман Р.С., Бондарь А.В., Тихонова Е.А., Дараселия А.В. Вероятностные модели передачи трафика mMTC в перспективных мобильных сетях Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем (ИТТММ-2024)", РУДН, Материалы Всероссийской конференции с международным участием ИТТММ-2024, стр 116-120 (год публикации - 2024)

10. Назарьин А., Сопин Э. Implementation of a Convolution Algorithm to the Evaluation of Stationary Characteristics of Resource Loss System with Resource-Dependent Service Times Information Technologies and Mathematical Modelling. Queueing Theory and Related Fields. ITMM 2024. Communications in Computer and Information Science. Springer, Cham, 2472, 108-118 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-88307-1_9

11. Назарьин А., Сопин Э. A computational algorithm development for stationary characteristics of resource loss system with resource-dependent service time Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2024). Материалы XXIII международной конференции имени А. Ф. Терпугова 20–26 октября 2024 г.,, с. 19-24 (год публикации - 2024)

12. Назарьин А.И., Сопин Э. С., Шоргин С.Я. Разработка сверточного алгоритма для расчета стационарных характеристик ресурсных систем с временем обслуживания, зависящим от объема требований Системы и средства информатики, Т. 34, №4, С.46-56 (год публикации - 2024)
10.14357/08696527240404

13. Дугаева С., Бегишев В., Шураков А., Кучерявый Е., Гольцман Г. Remote Discrimination of Applications’ Types in 6G Terahertz Systems with Directional Antennas Communications in Computer and Information Science (год публикации - 2024)

14. Шураков А.С., Мокров Е.В., Приходько А.Н., Ершова М.И., Бегишев В.О., Хакимов А.А., Кучерявый Е.А., Гольцман Г.Н. The recent progress in terahertz channel characterization and system design Discrete & Continuous Models & Applied Computational Science, 32 (2), с. 181–201 (год публикации - 2024)
10.22363/2658-4670-2024-32-2-181-201

15. Маслов А., Сопин Э., Самуйлов К. Accurate Approximation for Resource Queuing Systems with Losses and Signals Mathematics, MDPI, 13(4), 619 (год публикации - 2025)
10.3390/math13040619

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На завершающем этапе проекта завершены а) задачи, связанные с оценкой показателей эффективности функционирования на системном уровней перспективных сотовых систем 5G в миллиметровом диапазоне длин волн (mmWave, 30-100 ГГц) и будущих сетей 6G в субтерагерцевых частотах (sub-THz, 100-300 ГГц) в условиях резких колебаний качества радиоканала, вызванных блокировками пути прямого распространения сигнала и микромобильностью пользовательских устройств, б) задачи разработки эффективных вычислительных алгоритмов для интересующих метрик и в) задачи определения оптимальных параметров функционирования базовых станций и стратегий поведения пользователей. В условиях высокой нагрузки пользовательское оборудование (UE), расположенное ближе к базовым станциям (BS), получает неявный приоритет обслуживания, поскольку его требования к ресурсу являются меньшими, чем в среднем, что сокращает эффективную зону обслуживания BS. В проекте определена справедливость предоставления услуг в системах 5G/6G на миллиметровых волнах/субтерагерцевых частотах, а затем предложено и проанализировано решение, основанное на виртуальной постановке в очередь поступающих сеансов. В терминах ресурсных систем массового обслуживания (РеСМО) разработаны модели для нескольких подходов организации такой виртуальной очереди. Численные результаты показывают, что справедливость в процессе обслуживания сеансов может быть обеспечена внедрением небольшой виртуальной очереди. Каждая дополнительная позиция ожидания увеличивает использование ресурсов на 2-3%. Выигрыш в справедливости и использовании ресурсов увеличивается по мере увеличения средней скорости передачи данных в сеансе. Платой за эти улучшения является небольшая задержка в момент начала сеанса, которая ограничена 1-3 секундами. Был разработан новый, более точный метод приближенного расчета вероятностных характеристик РеСМО с сигналами, которые являются одним из основных аппаратов для анализа перспективных систем связи 5G/6G. Был предложен новый метод приближенного анализа показателей производительности ресурсных систем с сигналами с использованием аналитических решений для аналогичных систем без сигналов. Сравнение с результатами моделирования показывает, что относительная погрешность ограничена 5-10% в широком диапазоне параметров системы и нагрузки. Был предложен сверточный алгоритм для расчета стационарных характеристик ресурсных систем с временем обслуживания, зависящим от объема требований. Рассматривается ресурсная СМО с конечным числом серверов N и конечным объемом ресурсов R. Процесс обслуживания каждой сессии требует одного свободного прибора и случайного объема ресурсов, причем объем ресурсов и время обслуживания задаются совместной функцией распределения. Для данной системы представлен рекуррентный алгоритм для подсчета стационарных вероятностей и вероятности потери и среднего объема занятого ресурса. Алгоритм позволяет избежать многократных сверток распределений требований при расчете нормировочной константы. Разработана модель передачи трафика массового межмашинного взаимодействия в беспроводных сетях, состоящая из двух фаз: фазы случайного доступа и фазы передачи данных. Основной целью работы является нахождение оптимального распределения ресурсов между фазами случайного доступа и передачи данных, которое не менялось в стандартах с 2010 года и уже не соответствует требованиям новых приложений. Все оконечные устройства в системе генерируют пакеты для передачи в восходящем канале. Предполагается, что оконечные устройства работают асинхронно и запрашивают один ресурсный блок на этапе передачи данных. Второй тип трафика генерируется центром управления в нисходящем направлении и представляет собой смесь обновлений программного обеспечения и управляющей информации. Для передачи такого типа трафика требуются только ресурсы на фазе передачи данных. Для описания данной системы была разработана математическая модель с использованием двумерной цепи Маркова (ЦМ), и проведен ее анализ. Численные результаты показывают, что оптимальное распределение ресурсов между фазами случайного доступа и передачи данных может существенно различаться в зависимости от нагрузки в восходящем и нисходящем направлениях. Предложенная модель позволяет оптимально настраивать фазы случайного доступа и передачи данных в будущих системах сотового интернета вещей.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Научные результаты проекта могут оказать следующее влияние на экономический рост и социальное развитие Российской Федерации. Разработчики оборудования базовых станций и оконечных устройств сетей связи могут использовать следующие методы, предложенные в проекте: • Методология исследования характеристик гетерогенных сетей доступа 6G и показателей качества обслуживания, предоставляемых пользователю, на основе совмещения аппарата теории массового обслуживания и стохастической геометрии. • Методы борьбы с динамическими блокировками путей распространения радиоволн субтерагерцевого диапазона частот, приводящих к разрыву соединения на системном уровне, на основе резервирования ресурсов, функции мультисвязности и их совместном использовании, методы оценки их производительности. Разработчики оконечного оборудования сетей связи 5G NR могут использовать следующие методы, разработанные в проекте • Методы адаптации скорости передачи данных приложений к резкому изменению условий распространения, вызванными блокировками путей распространения радиоволн, и методы оценки их производительность. • Оценки показателей качества обслуживания абонентов в гетерогенных сетях четвертого, пятого и шестого поколения, работающих в микроволновом (2-6 ГГц), миллиметровом (30-100 ГГц) и терагерцевом (100-300 ГГц) диапазонах частот Таким образом, научные результаты проекта имеют положительное влияние на экономику России, улучшая качество связи, повышая эффективность сетей и обеспечивая лучший опыт использования связанных с мобильностью приложений и сервисов.