Построение и анализ моделей взаимодействия пользователей с базовыми станциями сети 5/6G средствами беспилотных летательных аппаратов
Построение и анализ моделей взаимодействия пользователей с базовыми станциями сети 5/6G средствами беспилотных летательных аппаратов
Год 2021-2023
Департамент Институт компьютерных наук и телекоммуникаций
Идея проекта:
В настоящее время все большее внимание уделяется сетям пятого поколения. Уже существует несколько реализаций таких сетей для коммерческого использования. Однако, данные сети, согласно спецификации 3gpp, крайне чувствительны к задержкам. С ростом числа абонентских устройств, число которых только увеличится по сравнению с сетями четвертого поколения, задержки в сети также будут повышаться. В качестве одного из решений данной проблемы можно рассмотреть использование подвижных базовых станций или подвижных ретрансляторов на базе БПЛА. Такое решение позволит разгрузить действующую базовую станцию посредством создания промежуточных узлов предобработки. Размещение таких узлов на базе подвижных БПЛА позволит динамически изменять топологию сети в зависимости от текущей либо прогнозируемой загрузки различных ее участков, а также своевременно разворачивать новые сегменты сети.
Основная задача проекта — повышение эффективного покрытия базовых станций 5/6G путем применения мобильных точек доступа. Это позволит более оптимально задействовать частотно-временные ресурсы, а также снизить плотность размещения базовых станций.
В рамках проекта разработали аналитические модели доступа и разделения ресурсов в беспроводных сетях с применением беспилотных летательных аппаратов:
- Модель порогового управления нагрузкой в сенсорной сети. Информация с сенсоров, которые расположены на мобильных беспилотных летательных аппаратах, собирается на промежуточном шлюзе для дальнейшей передачи на обработку. В рамках этой модели рассматривается сценарий обнаружения проникновения стада скота на ферму при помощи видео и аудио датчиков, расположенных на беспилотных летательных аппаратах, патрулирующих по периметру фермы на различном удалении. В зависимости от удаленности датчики передают сигнал предупреждения или тревоги. Шлюз получает данные со всех датчиков. Он может испытывать значительную нагрузку в случаях массового проникновения из-за количества подключенных датчиков. Таким образом, необходимо задействование механизма управления нагрузкой во избежание перегрузки шлюза.
- Модель использования беспилотных летательных аппаратов в качестве ретрансляторов сигналов, передаваемых от базовой станции пользователям, в условиях городской застройки. В рамках этой модели рассматривается сценарий, когда одна базовая станция с круговым покрытием обслуживает пользователей в городских условиях при большой плотности людей. Радиус зоны покрытия базовой станции соты зависит от антенн, которые используются как на клиентских устройствах, так и на самой базовой станции. А также их разности высот и заданной вероятности отключения абонента от сети, т.е. вероятности потери сигнала. Сигнал, который базовая станция отправляет на клиентское устройство, может быть заблокирован как большими статическими зданиями, так и другими пользователями. Для увеличения зоны покрытия рассмотрено два случая использования ретрансляторов: наземные ретрансляторы и мобильные воздушные ретрансляторы, расположенные на БПЛА. В обоих случаях сигнал от базовой станции сначала отправляется на ретрансляционный узел, а затем перенаправляется ретранслятором на клиентское устройство.
- Модель выгрузки данных для граничных вычислений через узлы беспилотных летательных аппаратов с использованием машинного обучения. В рамках этой модели рассмотрена сеть граничных вычислений с несколькими беспилотными летательными аппаратами, в которой мобильные пользователи случайным образом распределены между беспилотными летательными аппаратами в заданной области. Каждый аппарат предоставляет возможности граничных вычислений, позволяя пользователям выгружать на него задачи. Каждая задача задается размером, требуемой вычислительной мощностью и временем ожидания результата. Положения пользователей и беспилотных летательных аппаратов различны и известны в каждый момент времени. Далее, вычисляя общие энергозатраты, требуемые для приема, обработки и передачи выгруженных задач, решается задача минимизации затрачиваемых ресурсов при ограничении на время выполнения задач.
- Модель оптимального выделения ресурсов в сети, задействующей беспилотных летательных аппаратов в качестве узлов. В рамках этой модели рассмотрена сеть, в которой беспилотные летательные аппараты, работающие на одних и тех же частотах, обслуживают группу пользователей. Каждый аппарат обслуживает пользователя в последовательно распределенные временные слоты. Предполагается, что беспилотный летательный аппарат летит на фиксированной высоте над землей, а их координаты в любой момент времени известны. Также имеется база, на которую беспилотные летательные аппараты периодически возвращаются для подзарядки. Они летят с заданной скоростью, на заданном расстоянии друг от друга. Далее максимизируется средняя пропускная способность сети при ограничениях на энергозатраты.
Перечень РИД по проекту:
- Рафик А., Алканхел Р., Мутанна М., Мокров Е., Азиз А., Мутанна А. Intelligent Resource Allocation using Artificial Ecosystem Optimizer with Deep Learning on UAV Networks Drones Drones, 2023 г.
- Мокров Е.В., Самуйлов К.Е. Performance Assessment and Comparison of Deployments Options for 5G Millimeter Wave Systems // Future Internet Future Internet 15, no. 2: 60, 2023 г.
- Башир А., Мачнев Е.А., Мокров Е.В., Шоргин С.Я. Гистерезисное управление нагрузкой в беспроводных сенсорных сетях // Информатика и ее применения. Том 16, Выпуск 2, 2022 г.
- Башир А., Мокров Е.В., Самуйлов К.Е. Multi-threshold hysteresis-Based Congestion Control for UAV-based Detection Sensor Network Springer // Cham Lecture Notes in Computer Science, vol 13772, 2023 г.
- Алканхел Р., Рафик А., Мутанна М., Евгений Мокров, Хакимов А., Мутанна А. Enhanced Slime Mould Optimization with Deep Learning based Resource Allocation in UAV Enabled Wireless Networks Sensors, 2023 г.
Поддержка проекта:
- Грант РНФ «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Цели проекта
- Разработают математическую модель с использованием инструментов стохастической геометрии. Они описывают взаимодействие абонентских устройств и мобильных точек доступа беспроводной сети для анализа ее пространственных, вероятностных характеристик, и показателей качества с целью оптимизации зоны покрытия и производительности сети. Для исследования показателей сети предполагается построение трехмерной модели, которая учитывает движение абонентских устройств и точек доступа, размещенных на БПЛА. Данные модели помогут оценить границы расширения покрытия, которое достигается за счет использования подвижных точек доступа; получить алгоритмы выделения целевых групп абонентских устройств для различных сценариев; оценить влияние интерференции между целевыми группами различных точек доступа.
- Создадут модель массового обслуживания с различными требованиями к ресурсам нескольких типов. Модель описывает функционирование систем при условии наличия интерференции между соседними участками сети. Разработают и проанализируют механизмы доступа к частотно-временным ресурсам рассматриваемой сети. Данная модель позволит оценить стабильность работы системы при различных значениях нагрузки и границы стабильной работы системы, а также найти потенциальные узкие места сети, негативно отражающиеся на задержке.
- Разработают имитационную трехмерную модель. Она учитывает движение абонентских устройств и точек доступа, размещенных на БПЛА, а также имитационную модель систем массового обслуживания с различными требованиями к ресурсам нескольких типов. Проведут экспериментальные исследования при помощи эмуляции рассматриваемых систем для дальнейшего анализа аналитических моделей. Полученные имитационные модели помогут оценить погрешность аналитических результатов в зависимости от изменения внешних погодных условий, а также при различных сценариях развертывания сети. Экспериментальные данные, полученные при эмуляции рассматриваемой системы, помогут получить сведения о поведении трафика в такой сети при различных условиях.
Руководитель проекта
Мокров Евгений Владимирович
Российский университет дружбы народов, г. Москва, к.ф.-м.н.
Результаты проекта
Выполнили обзор существующих решений в области применения подвижных точек доступа на базе беспилотных летательных аппаратов. Решили, что необходимо рассмотреть гибридную технологию, миллиметровый диапазон частот, БПЛА с Интернетом вещей при исследовании различных технологий доступа или алгоритмов обработки и передачи данных.
Выполнили работы по исследованию и разработке аналитической модели беспроводной облачной сенсорной сети с применением БПЛА в качестве платформ шлюзов. Они служат для сбора различных данных с датчиков и их передачи на центральный узел. Для построенной модели провели сравнение использования двух различных алгоритмов управления нагрузкой — на основе гистерезиса и алгоритма улучшенного произвольного раннего обнаружения. В результатах было показано, что подход, основанный на гистерезисе, дает лучшие результаты при большой нагрузке на систему.
Исследовали основные показатели эффективности описанной системы — вероятность сброса пакета и средняя длина очереди. Нашли точку предельного значения нагрузки, при превышении которой вероятность сброса пакета на шлюзе в алгоритме с применением гистерезисного подхода всегда меньше, чем в алгоритме улучшенного произвольного раннего обнаружения.
Выступили со стендовым докладом на всероссийской конференции (с международным участием) «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» с промежуточными результатами исследований описанной системы.
Подготовили статьи по результатам исследований системы в рецензируемом научном издании из перечня ВАК «Информатика и ее применения». В статье представили системную модель и результаты анализа алгоритмов на основе показателей эффективности рассмотренной системы. Рассмотрели модель беспроводной облачной сенсорной сети с использованием БПЛА в качестве платформ шлюзов. Предложили механизм гистерезисного управления нагрузками и построили математическую модель. Исследовали основные показатели системы — вероятность сброса пакета и средняя длина очереди. Привели численное сравнение гистерезисного подхода с алгоритмом IRED и показали, что при перегрузках гистерезисный подход показывает качественно лучшую картину, чем IRED. Также ввели понятие порогового значения нагрузки, при превышении которого гистерезисный подход дает лучшие результаты, чем алгоритм IRED. Эмпирически показаны зависимости порогового значения нагрузки от параметров системы. Вывод: при перегрузках гистерезисное управление дает лучшие результаты.
Разработали комплекс программных средств для расчета показателей эффективности обслуживания трафика в беспроводных сетях с применением БПЛА. Данный комплекс, разработанный на языке Python, позволяет получить значения вероятности сброса пакета, средней длины очереди, коэффициента утилизации прибора и среднего числа заявок в системе для модели беспроводной облачной сенсорной сети с использованием БПЛА в качестве платформ шлюзов. Комплекс позволяет строить графики для указанных показателей эффективности системы в зависимости от параметров нагрузки, размера окна управления, значения доли сбрасываемой нагрузки в режиме сниженной нагрузки при различном значении объема накопителя.
Оборудование
Весь список
Оборудование 5G Lab RUDN