Огромная пицца и кувшин с водой – зачем нужно нарезать сети 5G? Рассказывают победители научного конкурса РУДН

Почему 3G и 4G нам уже не хватает?

С каждым годом растёт количество устройств, использующих для работы мобильную связь. Увеличивается и объём файлов, для передачи которых нужны более высокие скорости. И поставщикам мобильных услуг нужно предоставлять их по приемлемым ценам.

В чем преимущество сетей 5G?

В их скорости. Максимальная скорость загрузки в 20 раз выше в сравнении с сетями предыдущих поколений. Задержка между отправлением запроса и получением ответа у 5G в 2 раза меньше, чем, например, у 4G.

Ещё у сетей этого поколения есть особенность — технология нарезки (Network Slicing). Благодаря ей мы одну физическую инфраструктуру можем разделить на несколько виртуальных сегментов, для каждого из которых есть свои выделенные ресурсы.

Например?

Рассмотрим на примере радиочастот. У нас есть гигантская пицца, разделенная на несколько кусков. Каждый кусок со своей начинкой предназначен для определённого гостя в зависимости от его «пищевого запроса». Полицейским нужна одна радиочастота, скорой помощи — вторая, радиостанциям — третья. Нарезка радиоресурсов даёт возможность выделить определённые части сети для конкретных задач или пользователей.

Или другой пример. Сеть без нарезки радиоресурсов похожа на большой кувшин с водой. Когда к нему обращается каждый человек, он должен делить воду со всеми остальными. Это может привести к тому, что каждый получает лишь небольшую часть воды, а, следовательно, неудовлетворительное обслуживание. А теперь давайте разделим содержимое кувшина на несколько контейнеров, каждый из которых предназначен конкретному человеку или группе людей. Теперь каждый получает свой собственный резерв воды. Разделение на контейнеры и есть пример нарезки, благодаря которой можно обеспечить оптимальное качество обслуживания каждого пользователя.

А как это связать с 5G?

Представьте, у нас есть сотовый оператор, который предоставляет свои услуги двум типам пользователей. Одни активно пользуются ресурсом днем, другие — ночью. Отсюда следует вывод, что оператору целесообразнее распределить свои ресурсы так, чтобы большая их часть днем предоставлялась первому пользователю, а ночью — второму.

Вы исследовали распределение управления ресурсами в сетях 5G для повышения эффективности их работы среди мобильных операторов. Каков результат вашего проекта?

Мы разработали модель, которая оптимально распределяет ресурсы в сети 5G между двумя виртуальными операторами. Управляемая система массового обслуживания отличается от простой системы массового обслуживания наличием контроллера, который подает сигналы и в зависимости от состояния системы перераспределяет ресурсы сети между двумя виртуальными операторами.

Как проходило исследование?

Наша модель состояла из сетевого оператора, который предоставляет ресурсы, и двух виртуальных операторов, оказывающих услуги пользователям. Чтобы найти оптимальную политику перераспределения ресурсов, мы применили интеграционный алгоритм Ховарда. Численные результаты показали, что оптимальная политика зависит от нескольких факторов. Это текущее состояние системы и весовое соотношение выбранных нами принципов — максимального использования ресурсов при их равном распределении между пользователями и отслеживание сигналов контроллеров.

Мы выяснили, что выбор первоначального распределения, который основан на одном из принципов, играет важную роль и правильный его выбор приводит к решению, которое находится за минимальное число итераций — повторения попыток какого-либо действия. В нашем проекте мы также использовали однослойную нейронную сеть для оптимизации управления ресурсами в сетях 5G. Её преимущество заключается в скорости работы и способности эффективно обрабатывать большие объемы данных.

Научный руководитель проекта — Ирина Кочеткова, кандидат физико-математических наук, заместитель директора института компьютерных наук и телекоммуникаций факультета физико-математических и естественных наук, доцент кафедры теории вероятностей и кибербезопасности.