Разработка моделей и алгоритмов обслуживания критичного к задержке и надежности доставки трафика в сценариях промышленной автоматизации на основе беспроводных систем 5G+

Идея проекта

Развитие индустриального Интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) неразрывно связано с продолжающейся на данный момент четвертой промышленной революцией или Индустрией 4.0. Диапазон вариантов использования IoT включает в себя умные транспортные системы, умные сети, здравоохранение, умные измерения, наблюдение за общественной безопасностью, промышленную автоматизацию, удаленное производство. Промышленная автоматизация — одно из наиболее известных сценариев использования беспроводных сетей пятого поколения (5th generation, 5G) и характеризуется высокими требованиями к качеству обслуживания.

5G NR (5G New Radio) предлагает пользователям новые приложения в сфере промышленной автоматизации, такие как совместное управление мобильными роботами, синхронизация времени, позиционирование, сервисы дополненной реальности для персонала, а также обслуживание на основе технологий телеприсутствия. Системы, управляющие движущимися элементами производственного оборудования, как правило, генерируют низкоскоростной трафик, но требуют при этом сверхнадежной передачи данных с малой задержкой (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC). В то же время для видеонаблюдения или мобильных роботов требуется усовершенствованная подвижная широкополосная связь (enhanced Mobile Broadband, eMBB). Таким образом, базовые станции (БС) 5G NR должны одновременно поддерживать обслуживание двух различных типов услуг (eMBB/URLLC), предъявляющих различные требования к качеству обслуживания.

Проект направлен на разработку новых стратегий совместного обслуживания eMBB и URLLC услуг, позволяющих удовлетворить требование к задержке передачи данных для URLLC услуг.

Задачи

• Разработать модели блокировки распространения сигнала и микромобильности оконечных устройств в промышленных развертываниях систем связи 5G+ NR с учетом динамики как производственных машин, так и окружения.
• Разработать базовые модели и провести анализ характеристик обслуживания URLLC и eMBB трафика на базовой станции с учетом потенциальной потери связи, вызываемой как блокировкой, так и микромобильностью.
• Разработать модели и провести сравнительный анализ методов обслуживания трафика URLLC и eMBB на канальном уровне технологии 5G+ NR: (i) приоритетное обслуживание, (ii) резервирование ресурсов, (iii) неортогональный доступ.
• Разработать модели и алгоритмы обслуживания трафика URLLC и eMBB на БС 5G+ NR с учетом свойств методов резервирования полосы пропускания и приоритетного обслуживания на участке доступа в пределах концепции нарезки ресурсов сети.
• Разработать модели и алгоритмы выгрузки трафика URLLC на прямые соединения D2D между устройствами с учетом двух вариантов реализации: (i) выгрузка без управления и резервирования ресурсов для D2D со стороны БС 5G+ NR, (ii) выгрузка с явным резервированием ресурсов со стороны БС 5G+ NR.
• Разработать модели и алгоритмы совместного обслуживания трафика URLLC и eMBB с помощью (i) протоколов с неортогональным множественным доступом (non-orthogonal multiple access, NOMA), (ii) механизмов частичной адаптации скорости устройств к доступным ресурсам системы.
• Провести сравнительный анализ характеристик обслуживания URLLC и eMBB трафика в пределах предложенных методов и определить рекомендации для совместного обслуживания таких типов трафика в промышленных развертываниях сетей 5G+ NR.

Область применения

• Участие и проведение научно-практических конференций, симпозиумов, форумов.
• Публикация статей в ведущих отечественных и зарубежных изданиях.

Перечень РИД по проекту

• Adou Y., Markova E., Gaidamaka Y. Modeling and Analyzing Preemption-Based Service Prioritization in 5G Networks Slicing Framework // Future Internet 2022, 14(10), 299.
• Adou Y., Markova E., Gaidamaka Y.V. (2022). Construction and Analysis of a Queueing Model with Service Prioritization for 5G Systems with Customizable Network Slice Instances. In: Vishnevskiy V.M., Samouylov K.E., Kozyrev D.V. (eds) Distributed Computer and Communication Networks: Control, Computation, Communications. DCCN 2022. Lecture Notes in Computer Science, vol 13766, pp. 41–53, Springer, Cham.
• Ivanova D., Adou Y., Markova E., Gaidamaka Y., Samouylov K. 2023. Mathematical Framework for Mixed Reservation- and Priority-Based Traffic Coexistence in 5G NR Systems // Mathematics 11, no. 4: 1046.

Поддержка проекта

• Грант РНФ № 22—79—10053
• Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными