Модели и алгоритмы технологий радиодоступа мобильных сетей 6G терагерцового диапазона частот
Модели и алгоритмы технологий радиодоступа мобильных сетей 6G терагерцового диапазона частот
Год 2021-2024
Департамент Факультет физико-математических и естественных наук
Идея проекта
Проект направлен на решение актуальных проблем, связанных с внедрением технологии шестого поколения мобильных сетей (6G) и использованием терагерцового диапазона частот. Сети 6G предполагают обеспечение высоких скоростей передачи данных до 100 Гбит/с на одну базовую станцию и имеют потенциал для революционных приложений, таких как виртуальная и дополненная реальность, голографическая связь, радары и потоковая передача видео высокого разрешения.
Однако внедрение технологии ТГц и использование фазированных антенных решеток в системах 6G сталкиваются с фундаментальными проблемами, такими как высокие потери распространения сигнала и динамические блокировки вызванные перемещением объектов и неравномерной атмосферной абсорбцией.
Для преодоления этих проблем необходимо разработать новые методы и алгоритмы управления лучом как на пользовательских устройствах, так и на базовых станциях. Такие алгоритмы должны обеспечить стабильную связь в условиях быстро меняющегося уровня сигнала и достичь оптимальной пропускной способности в различных условиях развертывания систем 6G.
Также важным аспектом является обеспечение непрерывности и надежности связи на системном уровне. Для этого требуется переосмысление методов применения нескольких технологий на абонентском участке доступа, таких как поддержка активных соединений к нескольким базовым станциям, резервирование ресурсов и приоритетное обслуживание.
Предлагаемый проект направлен на построение вероятностных моделей обслуживания сессий передачи данных в терагерцовом диапазоне частот с учетом случайного объема заявок и блокировки. Будут разработаны математические и алгоритмические инструменты для моделирования процедур поиска луча в беспроводных сетях 6G, используя методы машинного обучения и искусственного интеллекта.
Перечень РИД по проекту
Статьи:
- Stepanov N. et al. Statistical analysis and modeling of user micromobility for THz cellular communications // IEEE Transactions on Vehicular Technology. — 2021. — Т. 71. — №. 1. — С.
725-738. - Moltchanov D. et al. Ergodic outage and capacity of terahertz systems under micromobility and blockage impairments // IEEE Transactions on Wireless Communications. — 2021. — Т. 21. — №. 5. — С.
3024-3039. - Begishev V. et al. Closed-Form UAV LoS Blockage Probability in Mixed Ground-and Rooftop-Mounted Urban mmWave NR Deployments // Sensors. — 2022. — Т. 22. — №. 3. — С. 977.
- Moltchanov D. et al. A tutorial on mathematical modeling of 5G/6G millimeter wave and terahertz cellular systems // IEEE Communications Surveys & Tutorials. — 2022.
- Sopin E. et al. Evaluation of the New and Accepted Customers Blocking Probabilties in a Network of Resource Loss Systems // International Conference on Information Technologies and Mathematical Modelling. — Cham: Springer International Publishing, 2021. — С.
105-116. - Ivanova D. et al. Performance of priority-based traffic coexistence strategies in 5G mmWave industrial deployments // IEEE Access. — 2022. — Т. 10. — С.
9241-9256. - Кондратьева А.А., Молчанов Д.А., Бегишев В.О. Блокировка прямой видимости в индустриальных развёртываниях mmWave и THz сетях доступа. Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем: материалы Всероссийской конференции с международным участием. Москва, РУДН,
18–22 апреля 2022 г. — Москва: РУДН (2022 г.), стр.128-131. - Дугаева С.А., Молчанов Д.А., Бегишев В.О. Поиск луча в системах связи THz диапазона частот в условиях микромобильности абонентских терминалов. Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем: материалы Всероссийской конференции с международным участием. Москва, РУДН,
18–22 апреля 2022 г. — Москва: РУДН (2022 г.), стр.102-104. - Beschastnyi V., Machnev E., Ostrikova D., Gaidamaka Y., Samouylov K. Coverage, Rate, and Last Hop Selection in Multi-Hop Communications in Highway Scenarios. Mathematics 2023, 11, 26.
- Daraseliyа A., Sopin E., Moltchanov D., Koucheryavy Y., Samouylov K. Performance of Offloading Strategies in Collocated Deployments of Millimeter Wave NR-U Technology // in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 72, no. 2, pp.
2535-2549, Feb. 2023. - Doborshchuk V., Begishev V., Samouylov K. Propagation Model for Ground-to-Aircraft Communications in the Terahertz Band with Cloud Impairments // Energies. — 2022. — Т. 15. — №. 21. — С. 8022.
- Дугаева С.А., Бегишев В.О. Использование методов машинного обучения для детектирования активных приложений на абонентских устройствах. 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.63-68.
РИД:
- Родина Д.А., Молчанов Д.А., Бегишев В.О. Модель блокировки прямой видимости в миллиметровом диапазоне частот для приложений БПЛА// 24.06.2022, Свидетельство РФ на программу для ЭВМ № 2022661567.
- Доборщук В.В., Молчанов Д.А., Бегишев В.О. Модель блокировки прямой видимости в миллиметровом и терагерцовом диапазонах частот между самолетами и наземной базовой станцией// 16.06.2022, Свидетельство РФ на программу для ЭВМ № 2022661567.
Поддержка проекта: Российский научный фонд.
Цели проекта
- Разработка новых методов и алгоритмов физического и канального уровней, которые позволяют использовать сверхнаправленные передачи терагерцевых каналов связи в условиях крайне высоких потерь распространения, атмосферной абсорбции и динамической макро- и микро-мобильности абонентов.
- Разработка новых моделей, методов их анализа и алгоритмов расчета показателей эффективности для выработки оптимальных системных решений и механизмов обслуживания абонентов в сетях 6G, работающих в терагерцевом диапазоне частот.
Руководитель проекта
Все участники
Бегишев Вячеслав Олегович
Российский университет дружбы народов, г. Москва, м.н.с.
Результаты проекта
Разработка статических инструментов для анализа свойств динамической блокировки, макро- и микро-мобильности различных типов приложений в терагерцевых сетях связи. На сегодняшний день полностью отсутствуют модели, совместно учитывающие свойства макро- и микро-мобильности и динамической блокировки распространения для терагерцевых сетей доступа, подходящие для оценки производительности сотовых систем радиодоступа на системном уровне. В проекте будут предложены и унифицированы такие модели, которые далее будут расширены на случай различных сценариев развертывания сетей связи при помощи методов математического и имитационного моделирования. Такие модели позволят в дальнейшем разрабатывать алгоритмы для сетей связи в единых условиях, приближенных к реальным.
Разработка моделей и алгоритмов поиска луча в терагерцевых сетях 6G, минимизирующие вероятность отсутствия связи и максимизирующие емкость канала связи. Разработанные алгоритмы будут учитывать свойства, присущие терагерцевому диапазону частот по сверхнаправленным каналам связи, включая микромобильность и эффекты блокировки. В зависимости от типа приложений разработанные алгоритмы должны либо максимизировать пропускную способность системы, либо минимизировать задержку, связанную с передачей данных. В качестве альтернативы алгоритм должен позволять заранее установить компромисс между этими двумя показателями.
Построение математической модели терагерцевой точки доступа в виде системы массового обслуживания с занятием случайного объема ресурса и прерыванием обслуживания. Приложения для терагерцевых сетей связи 6G, такие как голографическая связь, трансляция потокового видео с разрешением 8-16К в реальном времени, требуют фиксированной крайне высокой скорости передачи. Таким образом в сетях связи терагерцевого диапазона 6G необходимо не только обеспечить непрерывность обслуживания сессий, но и гарантировать постоянное наличие ресурсов на базовой станции в условиях динамически меняющихся характеристик канала связи. Для этого методы классической теории массового обслуживания будут расширены на вариант случайных запросов на ресурсы.
Предложат общую методологию построения моделей обслуживания абонентов в терагерцевых сетях доступа с учетом различных алгоритмов сетевого уровня, таких как одновременная поддержка активных соединений к нескольким базовым станциям в пределах одной или нескольких радиотехнологий доступа, резервирование ресурсов, приоритетное обслуживание, а также их совместного использования. На сегодняшний день отсутствуют модели, одновременно учитывающие случайность расположения абонентских устройств относительно базовых станций, а также процесс обслуживания сессий на базовых станциях. Разработанные математические модели сетей 6G на системном уровне в терминах ресурсных систем массового обслуживания позволят оценивать показатели эффективности механизмов обеспечения непрерывности сеансов пользователей (например, на основе функций мультисвязности или резервирования ресурсов) в различных сценариях использования. По результатам всестороннего анализа будут выработаны рекомендации по использованию предлагаемых механизмов.
Область исследования
- Связь следующего поколения: Разработанные алгоритмы и модели могут быть использованы для оптимизации процесса поиска луча и управления передачей данных в сетях 6G. Это позволит обеспечить стабильное и высокоскоростное подключение для пользователей особенно в условиях высокой мобильности и динамической блокировки сигнала.
- Виртуальная и дополненная реальность: Сети 6G, работающие в терагерцевом диапазоне частот, могут обеспечить необходимую пропускную способность и низкую задержку для передачи потокового видео с высоким разрешением в реальном времени. Это открывает новые возможности для различных приложений виртуальной и дополненной реальности, таких как голографическая связь, обучение на основе дополненной реальности и т.д.
- Технологии автономного вождения: В сфере автомобильной промышленности, сети 6G могут сыграть ключевую роль в обеспечении связи и обмене данных между автономными транспортными средствами, инфраструктурой и другими участниками дорожного движения. Благодаря высокой пропускной способности и низкой задержке передача данных между автомобилями и другими устройствами может происходить практически в реальном времени, что способствует безопасности и эффективности автономного вождения.
- Интернет вещей (IoT): Сети 6G в терагерцевом диапазоне частот могут поддерживать большое количество подключенных устройств IoT, обеспечивая высокую пропускную способность и энергоэффективность передачи данных. Это открывает новые возможности для различных применений IoT, таких как умные города, промышленная автоматизация, медицинская диагностика и т.д.