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 18-19-00673-П

НазваниеРазработка методов случайного множественного доступа для массового межмашинного взаимодействия

Руководитель Фролов Алексей Андреевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №5028 - Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем

Ключевые слова Множественный доступ, интернет вещей, массовое межмашинное взаимодействие, задержка, надежность, помехоустойчивое кодирование

Код ГРНТИ49.03.03

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проблема массового межмашинного взаимодействия имеет критически важное значение для беспроводных сетей 5G/6G и внедрения систем интернета вещей. Действительно, число устройств, подключенных к сети, растет экспоненциально, а трафик, генерируемый устройствами, существенно отличается от трафика пользователей и состоит из коротких пакетов, которые отправляются спорадически. Главной задачей является не увеличение скорости передачи (спектральной эффективности), а обеспечение возможности подключения и передачи пакета (миллионы устройств подключены к одной базовой станции) и обеспечение энергетической эффективности (устройства зачастую являются автономными и питаются от батарей). В настоящее время проблема массового межмашинного взаимодействия активно обсуждается в рамках комитета по стандартизации 3GPP, а также научным сообществом (за последние 3 года в литературе можно найти более 100 научных работ по данной тематике). С целью уменьшения сложности аппаратного обеспечения, времени доставки сообщений и энергопотребления целесообразно перейти к схеме доступа к среде без предварительного получения разрешения на передачу (англ., grant-free), в котором связь в восходящем канале не “ортогонализируется” базовой станцией. Иными словами, устройство передает пакет сразу, как он появился без установления соединения и запроса на передачу (в отличие от современных систем связи). В литературе такая схема известна как некоординированный или случайный множественный доступ. Основным отличием рассматриваемой постановки является огромное число устройств, что существенно увеличивает вероятность коллизии. Для решения этой проблемы требуются новые кодовые методы, которые могут разрешать коллизии, возникающие при несогласованных передачах. Математическая постановка данной задачи была сделана в 2017 году. Рассмотрим систему множественного доступа с большим (потенциально неограниченным) числом пользователей, лишь небольшая часть из которых активна в каждый момент времени (случай частичной активности). Ключевым отличием предложенной модели от классической задачи множественного доступа является требование использования общей кодовой книги. От декодера требуется вернуть список переданных сообщений с точностью до перестановки. Эта идея очень перспективна для массового случайного доступа, когда количество пользователей (устройств) чрезвычайно велико, и раздать пользователям разные кодовые книги попросту невозможно. В литературе данная проблема также носит имя случайный доступ без идентификации (СДИ, англ. unsourced random access). Задача СДИ является частным случаем задачи сжатия измерений (англ. compressive sensing), ведь приемник восстанавливает разреженный вектор активности. В то же самое время в отличие от классических задач сжатия измерений рассматриваемая задача имеет очень высокую размерность, и применить методы сжатия измерений напрямую не представляется возможным. За последние 3 года задача СДИ была исследована в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) и в канале с замираниями Рэлея для случая одной антенны на приемнике и передатчиках. Отметим, что базовая станция является стационарной, и к ней не предъявляется жестких ограничений на энергетическую эффективность, таким образом, целесообразно рассмотреть сценарий, в котором на базовой станции располагается много антенн для приема сигналов от пользователей (MIMO). В то же самое время на устройствах абонентов располагается по одной антенне в связи с требованиями к энергоэффективности и стоимости. В литературе есть всего несколько статей, относящихся к данному сценарию, и описывающих довольно простые практические схемы передачи, в частности в рамках Проекта 2018 нами была предложена схема, использующая алгоритм однопользовательского приема на фоне интерференции от других пользователей. Отметим, что для данного сценария не известны фундаментальные пределы энергоэффективности, поэтому сложно оценить, насколько хороши предложенные схемы кодирования. Таким образом, главными задачами проекта являются (1) вывод фундаментальных пределов энергетической эффективности для СДИ с MIMO приемником; (2) разработка практических схем с многопользовательским приемом на основе комбинирования идей теории информации/кодирования и методов сжатия измерений. Актуальность и практическая значимость данного проекта определяются тем, что будут решены научные задачи, принципиально важные для развития массового межмашинного взаимодействия и интернета вещей.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---