В РУДН разрабатывают модели и алгоритмы планирования передач для сетей 5G/6G миллиметрового и терагерцового диапазонов

Проект выполняется в рамках гранта Российского научного фонда. Его сумма — 7 млн рублей в год, а срок реализации — 2026–2028 годы. Деньги будут направлены на покупку дополнительного оборудования в лабораторию опережающих исследований 5G Lab RUDN для проведения экспериментов и тестирования разрабатываемых решений, на командировочные расходы для участия в научных конференциях и оплату труда научного коллектива. В составе команды учёных Эдуард Сергеевич Сопин, Вячеслав Олегович Бегишев и Анастасия Валерьевна Дараселия.

Какую задачу решает разработка

По словам команды, в начале 2020-х годов одной из ключевых задач развития терагерцевых сетей связи 6G стала разработка методов, позволяющих надёжно поддерживать соединение в сложных условиях распространения сигнала.

Среди наиболее важных проблем исследователи выделяют: 

• блокировку радиолинии малыми движущимися объектами между базовой станцией и пользовательским устройством; 
• определение причин потери связи с учетом микромобильности устройства в руках абонента; 
• обслуживание пользователей в ближнем поле антенны, а также оценка емкости таких систем в различных сценариях развертывания.

Сейчас для каждой из этих проблем предложены принципиальные подходы, в том числе участниками коллектива проекта. Как отмечают учёные, переход от сетей 4G к 5G и далее к 6G определяется двумя главными моментами: ростом пропускной способности беспроводного канала и повышением гибкости распределения ресурсов внутри кадра.

«Увеличение пропускной способности необходимо как для будущих сверхширокополосных услуг — виртуальной и дополненной реальности, голографической связи, так и для одновременного обслуживания большего числа абонентов. Основные методы достижения этой цели — расширение полосы частот и использование пространственного мультиплексирования на основе MU-MIMO. Теоретически оба подхода обеспечивают почти линейный рост пропускной способности. Одновременно с этим современным сетям требуется поддержка услуг с различными требованиями к качеству обслуживания, включая ультранадёжную связь с малой задержкой URLLC. Это приводит к необходимости уменьшать длительность планируемого временного интервала: от 10 миллисекунд в LTE до 1 миллисекунды в 5G NR и менее 1 миллисекунды в системах 6G», — поясняет Эдуард Сопин, руководитель проекта.

Эдуард Сергеевич при этом делает акцент на том, что сокращение длительности кадра, применение MU-MIMO и поддержка разных классов услуг создают жёсткие временные ограничения на планирование передачи и распределение ресурсов в прямом и обратном каналах. Эти ограничения усиливаются за счёт архитектуры современных сетей доступа, где функции управления беспроводным интерфейсом распределяются между географически разнесёнными компонентами CU, DU и RU. Дополнительную сложность вносят и требования самих стандартов, задающих параметры служебных каналов, процедуры оценки канала, поиска луча и другие элементы радиоинтерфейса. В результате функции планирования и управления должны выполняться в крайне сжатые сроки — менее 100 микросекунд, что существенно жёстче, чем в сетях LTE.

Цель проекта

«Мы хотим разработать и протестировать модели и алгоритмы разметки кадра и планирования передач с учётом методов пространственного мультиплексирования в сотовых системах связи 5G/6G миллиметрового и терагерцового диапазонов частот с направленными антеннами», — формулирует Эдуард Сопин.

Среди основных задач команды учёный выделяет следующие: 

• определение оптимальной архитектуры распределения функций планировщика между CU (Control Unit), DU (Distributed Unit) и RU (Radio Unit) с точки зрения минимизации задержек; 
• подбор параметров контрольных каналов радиоинтерфейса 5G/6G, снижающих сложность предварительной разметки кадра и увеличивающих временной бюджет на планирование передач; 
• разработка эффективных методов оценки интерференции для систем MU MIMO с гибридным формированием луча; 
• создание методов планирования передач в восходящем и нисходящем каналах с учётом типа трафика и состояния канала связи; 
• тестирование предложенных решений на платформах Open Air Interface (OAI) и Open Source RAN (srsRAN).

Исследования проводятся в лаборатории опережающих исследований сетей 5G и интернета вещей РУДН (5G Lab RUDN). В распоряжении коллектива — тестовая сеть 5G NR с поддержкой формирования луча, а также комплекс эмулятора мобильных беспроводных сетей. Он включает конвергентную транспортную сеть на базе SDN, виртуализированное ядро сети (openEPC, docker-контейнеры, виртуальные машины) и сеть радиодоступа на программно-конфигурируемых радиосистемах NI-USRP 2954R с поддержкой 4G LTE, 5G NR sub-6 ГГц, LoRa, NB IoT, LTE M.

Сферы применения

«Разработанные методы смогут использовать операторы связи при развёртывании сети в крупном городе, где требуется обслуживать большое число абонентов при ограниченном радиоресурсе. Также они будут полезны при построении сетей для промышленных площадок, где важны низкие задержки и стабильная передача данных от датчиков, роботов и систем автоматизации. Ещё один пример — применение в сетях для транспортных узлов, стадионов и выставочных комплексов, где одновременно подключено много пользователей и критично быстро распределять ресурсы», — уточняет Эдуард Сопин.

Кроме того, результаты проекта могут быть использованы при тестировании и настройке программных платформ OAI и srsRAN и при выборе архитектуры будущих базовых станций и контроллеров планировщика, добавляет учёный.

«Сейчас проект на начальном этапе реализации. Ведётся разработка математических моделей, определяются ключевые параметры будущих алгоритмов и архитектурные решения для систем планирования передач в сетях 5G/6G. Параллельно формируется экспериментальная база для последующей проверки разработанных методов на программных и аппаратных платформах. Следующими этапами станут создание алгоритмов планирования и оценки интерференции, а также их тестирование в условиях, максимально приближенных к работе реальных сетей связи», — подвел итог Эдуард Сопин.