Разработка методов случайного множественного доступа для массового межмашинного взаимодействия

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

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 №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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
Современные телекоммуникационные технологии были разработаны для передачи больших потоков данных: файлов, веб-страниц, мультимедийной информации. Получившая в последние годы большую популярность концепция Интернета вещей подразумевает взаимодействие большого числа автономных устройств, редко передающих небольшие объемы данных и обладающих ограниченным запасом энергии. Интернет вещей уже сегодня находит большое применение в различных сферах деятельности человека: медицине, транспорте, производстве, образовании. По данным компании Cisco, уже в 2015 году количество устройств, вовлеченных в сетевое взаимодействие, в два раза превысило население планеты и продолжает экспоненциально расти. Существующие сегодня беспроводные сети общего пользования Wi-Fi и LTE, широко используемые для доступа в Интернет обычных устройств (телефонов и ноутбуков), оказываются неэффективными в сценариях, типичных для Интернета вещей. Поэтому в последние годы активно ведутся работы по созданию новых технологий класса LPWAN или адаптации существующих телекоммуникационных технологий к условиям, когда к одной точке доступа подключены тысячи автономных устройств с ограниченным запасом энергии. Примерами таких решений являются LoRa, Sigfox, Стриж, NB-IoT, Wi-Fi HaLow, и др. Первые три технологии были сделаны в кратчайший срок отдельными компаниями для того, чтобы первыми занять появляющийся рынок, размеры которого трудно переоценить. Как показывают многочисленные исследования, эти технологии очень просты и обладают скромными возможностями. Две другие были сделаны в рамках комитетов по стандартизации 3GPP и IEEE 802 с помощью минимальных изменений в существующий стек протоколов. Хотя упомянутые технологии и подходят для прототипирования и развертывания отдельных приложений Интернета вещей, им присущи недостатки, ограничивающие их повсеместное применение. Вот почему ведущие производители телекоммуникационного оборудования и международные организации по стандартизации в рамках создания сетей пятого поколения (5G) ведут разработку над следующим поколением технологий, обладающих высокой эффективностью в сценариях, типичных для Интернета вещей. Сценарий массового межмашинного взаимодействия (mMTC) является одним из ключевых сценариев для 5G. Появление этого сценария явилось причиной существенных изменений на всех уровнях сети 5G, по сравнению с беспроводными сетями предыдущих поколений. Основные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики новых телекоммуникационных технологий для массового межмашинного взаимодействия, связаны с: - > 10000 автономных устройств, подключенных к одной точке доступа - низким энергопотреблением - низкой задержке передачи пакета - короткими пакетами данных (50-250 бит) Отметим, что используемые в настоящее время технологии не обеспечивают выполнение этих требований, что не позволяет их использовать или замедляет взаимодействие оборудования, снижая его производительность. Разработка и отладка таких решений, обеспечивающих выполнение таких требований, требует принципиально новых математических моделей передачи данных, которые позволят как выявить слабые места существующих телекоммуникационных технологий, так и разработать новые принципы функционирования решений для массового межмашинного взаимодействия. Проводимое исследование будет иметь комплексный характер, поскольку будут изучены различные уровни сетевого взаимодействия, включая исследование сигнально-кодовых конструкций, методов множественного доступа к каналу, анализ паттернов трафика в реальных приложениях и т.д. Новизна, актуальность и практическая значимость запланированных результатов определяются тем, что в ходе данного проекта мы рассмотрим различные перспективные направления развития технологий беспроводной связи, обсуждаемые в настоящее время в комитетах по стандартизации (3GPP, IEEE 802) в рамках работ по созданию сетей пятого поколения и остановимся на решении научных задач, принципиально важных для развития массового межмашинного взаимодействия.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Глебов А.А., Медова Л.Р., Рыбин П.С., Фролов А.А. On LDPC Code Based Massive Random-Access Scheme for the Gaussian Multiple Access Channel Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), Volume 11118 LNCS, Pages 162-171 (год публикации - 2018)
10.1007/978-3-030-01168-0_15

2. Круглик С.А., Потапова В.С., Фролов А.А. A Method for Constructing Parity-Check Matrices of Quasi-Cyclic LDPC Codes Over GF(q) Journal of Communications Technology and Electronics, номер 12, выпуск 63, стр. 1524–1529 (год публикации - 2018)

3. Бурков А., Фролов А., Тюрликов А. Contention-Based Protocol with Time Division Collision Resolution Proceedings of 10th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), pp. 193-196 (год публикации - 2018)

4. Устинова Д.Т., Андреев К.В., Фролов А.А. T-Fold Coded Slotted ALOHA in a Finite Blocklength Regime Proceedings of ACCT XVI, pp. 200-203 (год публикации - 2018)

5. Иванов А., Яроцкий Д., Столяренко М., Фролов А. Smart Sorting in Massive MIMO Detection Proceedings of 14th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob) (год публикации - 2018)

6. Рыбин П.С, Фролов А.А. On the Error Exponents of Capacity Approaching Construction of LDPC code Proceedings of 10th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), pp. 197-201 (год публикации - 2018)

7. Рыбин П.С, Фролов А.А. On the Decoding Radius Realized by Low-Complexity Decoded Non-Binary Irregular LDPC Codes Proceedings of 2018 The International Symposium on Information Theory and Its Applications, pp. 384-388 (год публикации - 2018)

8. Иванов Ф.И., Рыбин П.С. Novel Signal-Code Construction for Multiple Access System over Vector-Disjunctive Channel Proceedings of The 2018 International Symposium on Information Theory and Its Applications (ISITA), pp. 592-596 (год публикации - 2018)

9. Глебов А., Рыбин П., Фролов А., Трофимов А. On Achievability Bounds for Random-Access Gaussian Multiple Access Channel Proceedings of ACCT XVI, pp. 125-128 (год публикации - 2018)

Публикации

1. Устинова Д.Т., Рыбин П.С., Фролов А.А. On the Analysis of T-Fold Coded Slotted ALOHA for a Fixed Error Probability Proceedings of The 11th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems (ICUMT) (год публикации - 2019)

2. Ковшик С., Андреев К.В., Фролов А.А., Полянский Ю.Г. Energy efficient random access for the quasi-static fading MAC Proceedings of 2019 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT), pp. 2768-2772 (год публикации - 2019)
10.1109/ISIT.2019.8849288

3. Глебов А.А., Матвеев Н.В., Андреев К.В., Фролов А.А., Тюрликов А.М. Achievability Bounds for T-Fold Irregular Repetition Slotted ALOHA Scheme in the Gaussian MAC Proceedings of 2019 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), pp. 1-6 (год публикации - 2019)
10.1109/WCNC.2019.8885472

4. Маршаков Е.А., Балицкий Г.В., Андреев К.В., Фролов А.А. A Polar Code Based Unsourced Random Access for the Gaussian MAC Proceedings of 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Fall), pp. 1-5 (год публикации - 2019)
10.1109/VTCFall.2019.8891583

5. Андреев К.В., Ковшик С., Фролов А.А., Полянский Ю.Г. Low Complexity Energy Efficient Random Access Scheme for the Asynchronous Fading MAC Proceedings of 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Fall), pp. 1-5 (год публикации - 2019)
10.1109/VTCFall.2019.8891549

6. Устинова Д.Т., Глебов А.А., Рыбин П.С., Фролов А.А. Efficient concatenated same codebook construction for the random access gaussian MAC Proceedings of 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Fall), pp. 1-5 (год публикации - 2019)
10.1109/VTCFall.2019.8891568

7. Ковшик С., Андреев К.В., Фролов А.А., Полянский Ю.Г. Short-Packet Low-Power Coded Access for Massive MAC Proceedings of 2019 53rd Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers (год публикации - 2019)

8. Иванов А.А., Столяренко М.Г., Круглик С.А., Новичков С.А., Савинов А.В. Dynamic Resource Allocation in LEO Satellite Proceedings of 2019 15th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC), pp. 930-935 (год публикации - 2019)
10.1109/IWCMC.2019.8766756

9. Иванов А.А., Столяренко М.Г., Савинов А.В., Новичков С.А. Physical Layer Representation in LEO Satellite with a Hybrid Multi-Beamforming Proceedings of 2019 15th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC), pp. 140-145 (год публикации - 2019)
10.1109/IWCMC.2019.8766595

10. Иванов А.А., Савинов А.В., Яроцкий Д.А. Iterative Nonlinear Detection and Decoding in Multi-User Massive MIMO Proceedings of 2019 15th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC), pp. 573-578 (год публикации - 2019)
10.1109/IWCMC.2019.8766553

Публикации

1. Ковшик С.С., Андреев К., Фролов А., Полянский Ю. Energy Efficient Coded Random Access for the Wireless Uplink IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, том: 68, выпуск: 8, страницы: 4694-4708 (год публикации - 2020)
10.1109/TCOMM.2020.3000635

2. Осинский А., Иванов А., Яроцкий Д. Data-Aided LS Channel Estimation in Massive MIMO Turbo-Receiver 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC2020-Spring), стр. 1-5 (год публикации - 2020)
10.1109/VTC2020-Spring48590.2020.9128566

3. Андреев К.А., Маршаков Е.А., Фролов А.А. A Polar Code Based TIN-SIC Scheme for the Unsourced Random Access in the Quasi-Static Fading MAC 2020 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT), стр. 3019-3024 (год публикации - 2020)
10.1109/ISIT44484.2020.9174247

4. Мунари А., Фролов А. Average Age of Information of Irregular Repetition Slotted ALOHA 2020 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM) (год публикации - 2020)

5. Осинский А., Иванов А., Яроцкий Д. THEORETICAL PERFORMANCE BOUND OF UPLINK CHANNEL ESTIMATION ACCURACY IN MASSIVE MIMO ICASSP 2020 - 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), стр. 4925-4929 (год публикации - 2020)
10.1109/ICASSP40776.2020.9053085

6. Иванов А., Осинский А., Лаконцев Д., Яроцкий Д. High Performance Interference Suppression in Multi-User Massive MIMO Detector 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC2020-Spring), стр. 1-5 (год публикации - 2020)
10.1109/VTC2020-Spring48590.2020.9128653