Модели и механизмы доступа для мультисервисных систем удаленного мониторинга и управления на основе сетей низкоорбитальных спутниковых систем

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 25-79-10142

НазваниеМодели и механизмы доступа для мультисервисных систем удаленного мониторинга и управления на основе сетей низкоорбитальных спутниковых систем

Руководитель Бесчастный Виталий Александрович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №111 - Конкурс 2025 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»

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

Ключевые слова Услуга массового межмашинного взаимодействия, низкоорбитальные спутниковые сети, удаленные территории, технологии NB-IoT, LTE-M, услуга RedCap, сети радиодоступа 6G, теория массового обслуживания, множественный доступ, математическая теория телетрафика, управление радиоресурсами, стохастическая геометрия, имитационное моделирование, машинное обучение

Код ГРНТИ20.53.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сети связи на основе низкоорбитальных спутниковых систем (LEO, Low Earth Orbiting) являются эффективным подходом с точки зрения капитальных затрат для обеспечения связности на территориях, где отсутствует наземная инфраструктура. Принципиальным отличием сетей на основе спутников LEO от классических является значительно меньшее расстояние от земли (высота орбиты - 500-700 км), а также высокая скорость движения относительно поверхности (7,8 км/c). В зависимости от численности спутниковой группировки такие системы позволяют развертывать сеть инкрементально, где каждый спутник обеспечивает непрерывное покрытие в течение 4-8 минут, а задержка передачи не превышает 50 миллисекунд. На сегодняшний день низкоорбитальные спутниковые системы выбраны в качестве одной из основных составляющих неназемного сегмента сетей связи 5G/6G (NTN, Non-terrestrial Network) организацией по стандартизации сотовых систем связи 3GPP. Выпуски стандартов 3GPP Release 17/18 определяют эффективные методы компенсации задержек и Допплеровского сдвига частот для физического уровня таких сетей. В процессе стандартизации сетей связи 5G в целом основное внимание было уделено услуге расширенного широкополосного доступа (eMBB, enhanced Mobile Broadband Access), обеспечивая скорости доступа к сети Интернет со скоростями, сравнимыми с наземными сотовыми сетями, для стационарных терминалов. При этом, учитывая специфику фаз случайного доступа и передачи информации, структуру кадра, а также особенности планирования передачи, такие сети принципиально не могут обеспечить услуги, отличные от eMBB в пределах одной сети. Проблема состоит в принципиальном отличии требований к услуге eMBB от услуг межмашинного взаимодействия (mMTC), где основной акцент сделан на массовость устройств, а требования к скорости передачи информации и задержки доставки не являются жесткими. Несмотря на то, что системы связи 5G изначально задумывались как мультисервисные сети, которые должны обслуживать трафик eMBB, URLLC и mMTC в пределах одного радиоинтерфейса доступа, в процессе стандартизации основное внимание было уделено услуге eMBB. Поддержка услуг mMTC обеспечивается технологиями четвертого поколения 4G, такими как NB-IoT и LTE-M. Однако современные услуги удаленного мониторинга и управления требуют передачи не только коротких сообщений о состоянии удаленных систем и команд, но и требуют поддержки более высокоскоростных приложений, таких как передача информации с камер удаленного наблюдения. Такие услуги не могут быть поддержаны в сетях NB-IoT и LTE-M. С другой стороны, сети связи 5G NR, направленные на поддержку услуг eMBB, не рассчитаны на поддержку большого количества оконечных устройств (ОУ), что требуется для услуги mMTC. Следовательно, реализация таких услуг требует развертывания отдельных сетей, что является крайне затратным с точки зрения капитальных расходов, особенно в контексте неназемного сегмента сети 5G. Таким образом, целью проекта является разработка моделей и механизмов для мультисервисных сетей удаленного мониторинга и управления на основе низкоорбитальных спутниковых систем. Основная научная проблема, на решение которой направлено предлагаемое исследование, состоит в определении набора механизмов и алгоритмов сосуществования трафика mMTC и eMBB в пределах одного радиоинтерфейса с учетом особенностей обслуживания и развертывания низкоорбитальных спутниковых систем связи.

Ожидаемые результаты
Современные системы связи на основе низкоорбитальных спутниковых систем не являются по своей сути мультисервисными, реализуя либо услугу широкополосного доступа, либо услугу межмашинного взаимодействия (см. п. 4.2 и п. 4.5). При этом спутниковые сети для технологий межмашинного взаимодействия не позволяют достигать параметров качества обслуживания сравнимых с наземными сетями 5G NB-IoT. Таким образом, использование таких сетей для предоставления комплекса услуг на территориях, не покрытых наземными сетями 4G и 5G, требует крайне высоких капитальных затрат. Ожидаемые результаты определяются задачами проекта, сформулированными в п.1.1, и включают следующее: 1. Модель распространения радиосигнала между оконечными устройствами и низкоорбитальными спутниками в диапазонах частот 0.8-2 ГГц с учетом различных атмосферных явлений таких как ионизация и потери, связанные с облаками. 2. Пространственно-временные модели трафика будущих приложений удаленного мониторинга и управления отражающие свойства кластеризации оконечных устройств и процесс генерации пакетов. 3. Метод организации радиоинтерфейса (оптимальная длительность фаз случайного доступа и передачи данных и их зависимость от нагрузки) услуг межмашинного взаимодействия и широкополосного доступа на основе технологий NB-IoT и 5G NR RedCap для спутникового сегмента сети 5G. 4. Методы и оценка производительности (задержка и потери пакетов) в условиях инкрементального развертывания спутникового сегмента сети 5G. 5. Методы интеграции спутникового сегмента в наземную инфраструктуру 5G, включая повышение надежности за счет использования дифференцированного доступа, одновременного использования нескольких технологий и алгоритмов совместной оптимизации технологий доступа, оконечных устройств для приложений удаленного мониторинга и контроля, а также оценка их производительности 6. Практические рекомендации по эксплуатации технологий мультисервисных сетей спутникового сегмента для приложений удаленного мониторинга и управления, включая параметры технологий радиодоступа, оконечных устройств и системы в целом. Реализация мультисервисных сетей радиодоступа и развертывание услуг удаленного контроля и управления на основе неназемного спутникового сегмента является критически важной для связности территорий Российской Федерации. Получение указанных результатов позволит значительно сократить капитальные затраты на развертывание неназемного сегмента сетей связи 5G, предоставляющего услуги межмашинного взаимодействия и широкополосной связи в пределах одной радиотехнологии доступа.