РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ АНАЛИЗА СХЕМ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОЧАСТОТ В БЕСПРОВОДНЫХ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ УСТРОЙСТВ В ПРОСТРАНСТВЕ

Целью работы является решение фундаментальной задачи разработки моделей эффективных схем совместного использования радиочастот в мобильных инфокоммуникационных сетях, методов анализа и расчета их показателей эффективности, включая: - Исследование существующих технологий и моделей схем совместного использования радиочастот в мобильных инфокоммуникационных сетях. Исследование должно отражать различные сценарии ограничения интерференции – ограничение мощности сигнала БС, передающей данные устройствам, прерывание обслуживания пользователей полосы совместного использования, анализ различных простых политик распределения радиоресурсов – политику, основанную на равномерном распределении временного ресурса между всеми обслуживаемыми пользователями, политику, основанную на передаче данных с максимальной мощностью, оценку влияния расположения пользователей на плоскости на показатели QoS. - Разработку подхода к реализации гибких политик распределения радиоресурсов – политик, основанных на одновременном распределении и мощностного и временного ресурса, – в рамках двух сценариев ограничения интерференции. - Разработку методов оценки влияния пространственного положения пользователей на уровень качества обслуживания. - Разработку вычислительного алгоритма и программного средства для расчета показателей эффективности разработанных моделей схем доступа. Полученные результаты должны быть проверены посредством методов статистического моделирования. В рамках проекта проведен аналитический обзор литературы, посвященной анализу технологий и моделей схем совместного использования радиочастот в мобильных инфокоммуникационных сетях, являющихся одним из возможных решений проблемы ограниченности радиочастотного диапазона мобильных сетей в условиях быстрого роста объемов генерируемого различными приложениями трафика. Исследованы существующие модели схем беспроводных мультисервисных сетей с применением системы совместного использования лицензированного спектра частот (Licensed Shared Access, LSA), а также модели схем беспроводных мультисервисных сетей с применением системы совместного лицензионного доступа (Licensed Assisted Access, LAA) к диапазону частот сетей Wi-Fi. Для оценки производительности возможных моделей получена формула расчета средней интерференции, создаваемой произвольно расположенными в соте устройствами, которая может быть использована также и для оценки спектральной эффективности моделей. Разработана модель схемы сети LTE с системой совместного использования лицензированного спектра частот LSA для нетолерантного (потокового) к задержкам трафика, представленная в виде СМО с ненадежными приборами и конечной очередью. Подробно исследованы два способа описания модели – с помощью двумерного случайного процесса и с помощью одномерного случайного процесса, это позволило провести анализ двух режимов работы системы – стационарного и нестационарного, максимально приближающего модель к реальным условиям. Описаны основные предположения, необходимые для построения моделей схем доступа к радиоресурсам беспроводной 3GPP сети, реализующих технологию совместного использования радиочастотного спектра LSA. Разработаны и исследованы математические модели, ориентированные на различные стратегии реализации системы совместного лицензионного доступа LAA на основе расписания использования нелицензированных частот и типов трафика, генерируемого конечными пользователями. Проведен анализ случаев функционирования систем LAA с нарушениями качества обслуживания пользователей (Quality of Service, QoS) и без них для двух типов трафика – потокового и эластичного. Для моделей с эластичным трафиком исследованы случаи с введением различных ограничений на минимальную скорость передачи данных. Разработана математическая модель одной соты беспроводной сети связи четвертого поколения, представленная в виде системы массового обслуживания (СМО), приборы которой находятся в случайной среде, имитирующей функционирование системы в рамках политики ограничения мощности передачи сигнала «limit power» с механизмом прерывания обслуживания пользователей. Модель описана в виде СМО с ненадежными приборами, для анализа которой разработаны точный и приближенный методы. Разработана и исследована модель схемы распределения радиоресурсов в мультисервисных беспроводных сетях, реализующих технологию «нарезки» сети (Network Slicing), которая позволяет мобильному оператору делиться своими ресурсами с оператором мобильной виртуальной сети, повышая тем самым эффективность использования радиочастотного спектра. Модель описана с помощью СМО с бесконечной очередью и орбитой. Для анализа показателей эффективности модели были исследованы два случая – случай конечной емкости системы и случай, когда емкость накопителей бесконечна. Разработана модель соты беспроводной сети со стационарными устройствами межмашинного взаимодействия (Machine-to-Machine, M2M), описываемыми точками, случайно возникающими на плоскости, генерирующими нетолерантный (потоковый) к задержкам трафик, равномерно распределенными в соте и сгруппированными по значению индикатора качества канала CQI. Рассмотрены две политики управления радиоресурсами, основанные на различных вариациях таких ресурсов, как ширина полосы частот, мощность передачи сигнала и время обслуживания M2M-запроса, – full power и round robin. Проведен сравнительный анализ эффективности каждой из политик. Разработаны вычислительные алгоритмы и программные средства для расчета показателей эффективности всех предложенных в проекте моделей схем доступа к радиоресурсам беспроводной сети.