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

Идея проекта

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.е. микромобильности). Описанные эффекты делают процесс обслуживания абонентов в сетях доступа терагерцового диапазона частот крайне затруднительным.

С целью 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), 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.

Разработка методов обеспечения требуемого качества обслуживания в сетях связи шестого поколения — актуальная и комплексная задача. 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.

Задачи

• Разработать методы математического и имитационного моделирования обслуживания абонентов в сетях связи 6G на уровне сессий с учетом особенностей терагерцового диапазона частот, выбранного для реализации таких сетей.
• Разработать модели обслуживания трафика в терагерцовых сетях доступа 6G с учетом особенностей поступления и обслуживания трафика в сетях связи 6G.
• Разработать модели и анализ характеристик обслуживания абонентов в гетерогенных связях с несколькими активными интерфейсами на абонентских терминалах: микроволновый LTE и 5G NR, миллиметровый 5G NR и 6G THz с учетом функции мультисвязности.
• Разработать модели трафика и обслуживания на пакетном уровне для сетей связи 6G с учетом специфики распространения волн миллиметрового и терагерцового диапазонов частот.
• Разработать модели и анализ характеристик обслуживания трафика на пакетном уровне в сетях связи 6G с многошаговой передачей с учетом особенностей распространения терагерцовых каналов связи и при наличии функции мультисвязности.
• Разработать алгоритмы обслуживания пользователей с различными требованиями к QoS как на уровне сессий, так и на уровне пакетов в гетерогенных сетях доступа 6G с несколькими активными интерфейсами и функцией мультисвязности.

Область применения

Описанные в проекте методы и модели могут быть применены проектировании и внедрении в эксплуатацию терагерцевых сетей.

Перечень РИД по проекту

• Daraseliya V., Sopin E. and Shorgin S., “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), Moscow, Russian Federation, 2022, pp. 1-5.
• Golos E, Daraseliya A, Sopin E, Begishev V, Gaidamaka Y. “Optimizing Service Areas in 6G mmWave // THz Systems with Dual Blockage and Micromobility”. Mathematics. 2023; 11(4):870. doi.org/10.3390/math11040870.
• Daraseliya A., Sopin E.S., Shorgin S.Y. (2023). “On Approximation of the Time-Probabilistic Measures of a Resource Loss System with the Waiting Buffer”. Distributed Computer and Communication Networks. DCCN 2022. Communications in Computer and Information Science, vol 1748. Springer, Cham. vol 1748. pp. 282–295.
• Назарьин А.И., Царитова Н.А., Белов Н.Д., Сопин Э.С. Модель для анализа показателей эффективности использования технологии 5G NR-U. Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем: материалы Всероссийской конференции с международным участием. Москва, РУДН, 17–21 апреля 2023 г. — Москва: РУДН (2023 г.), стр. 83–88.

Поддержка проекта

• РНФ (Российский научный фонд)