Разработка моделей и алгоритмов для анализа показателей эффективности функционирования технологии радиодоступа мобильных сетей шестого поколения 6G терагерцового диапазона частот

На сегодняшний день внимание экспертов телекоммуникационной отрасли направлено на развитие сетей шестого поколения (6G, англ. Sixth Generation – шестое поколение), ввод в эксплуатацию которых предполагается во второй половине 2020-х – 2030-е годов, на основе стандартов, следующих за 5G/IMT-2020. Согласно фокус-группе Международного Союза Электросвязи (МСЭ) FG NET-2030 сети шестого поколения 6G должны предоставлять заведомо высокие скорости передачи данных до 100 Гбит/с на одну базовую станцию. Известно, что с ростом спроса на телекоммуникационные услуги, требующих высоких скоростей передачи информации, растет и потребность в более высоких диапазонах частот. В настоящее время единственным радиодиапазоном, в котором есть достаточные ресурсы, является терагерцовый диапазон частот (0.3-3 ТГц), обеспечивающий десятки или даже сотни гигагерц полосы пропускания [1,2]. Адаптировав эту полосу пропускания, можно достичь крайне высоких скоростей передачи данных на участке радиодоступа в сетях 6G, предоставив принципиально новые услуги, такие как дополненная (англ. augmented reality, AR), виртуальная (англ. virtual reality, VR) [3,4], смешанная (англ. mixed reality, MR) и расширенная (extended reality, XR) реальности, голографическая связь, радары, трансляция потокового видео с разрешением 8-16К в реальном времени и т.д. Отличительной особенностью таких приложений/услуг связи являются требования к высокой скорости передачи данных и минимизации времени задержки доставки информации. Для осуществления решающего шага к интеграции технологии ТГц в сотовые системы связи 6G, разработчики сталкиваются с рядом фундаментальных проблем как на канальном и физических уровнях, так и на уровне системы в целом. Известно, что в ТГц сетях связи 6G потери распространения волн в пространстве крайне высоки (согласно закону Фрииса обратно пропорциональны квадрату частоты). На потери уровня сигнала также влияет и атмосферное поглощение радиоволн. Для снижения таких отрицательных эффектов субмиллиметровые длины волн этого диапазона частот позволяют использовать сверхбольшие антенные решетки с тысячами элементов на передающем и принимающем устройствах [5]. Для увеличения уровня сигнала в направлении передачи и приема такие решетки будут создавать диаграммы направленности с шириной луча всего несколько долей градуса [6, 7]. Возможность излучать сверхузконаправленные лучи – это критически важная особенность для систем связи ТГц диапазона частот. Корректное применение таких лучей в сетях связи 6G позволит не только преодолевать серьезное затухание сигнала и атмосферное поглощение, но и поддерживать адекватные уровни отношения сигнал/шум (SNR) на расстояниях до нескольких десятков метров [8], при этом обеспечивая свободную от помех среду даже при крайне высоких плотностях развертывания базовых станций (БС) [9]. Использование диаграмм направленности антенн ведет к ряду негативных эффектов в сетях связи 6G. К таким эффектам следует отнести блокировку путей распространения сигнала движущимися объектами, такими как транспортные средства или тела людей, регулярную потерю устойчивой связи вследствие микромобильности абонентских терминалов (малые вращения и смещения абонентского устройства в руках пользователя, возникающие даже в статическом положении абонента. Эти новые проблемы требуют разработки новых путей исследования, моделей и алгоритмов управления лучом как на самих абонентских терминалах, так и на БС. Следует заметить, что такие алгоритмы должны обеспечить наименьшую достижимую вероятность отсутствия связи и максимальную пропускную способность канала связи в различных условиях развертывания систем 6G. Далее, на системном уровне интеграция систем сотового доступа ТГц диапазона за пределами 5G требует передовых технологий для обеспечения непрерывности сеанса связи и других ключевых показателей качества обслуживания приложений, чувствительных к скорости передачи данных и задержкам. В частности, при условиях динамической блокировки и микро- и макро-мобильности абонентов актуальной является проблема повышения надежности обслуживания сессий в сетях радиодоступа 6G, работающих в терагерцовом диапазоне частот за счет различных алгоритмов сетевого уровня, таких так одновременная поддержка активных соединений с несколькими базовыми станциями в пределах одной или нескольких радиотехнологий доступа, резервирование ресурсов, приоритетное обслуживание, а также их совместное использование. Оценка эффективности функционирования указанных методов, а также разработка алгоритмов поддержки непрерывности обслуживания требует разработки математических моделей для анализа механизмов повышения надежности обслуживания сессий с учетом вышеизложенных особенностей. В проекте будут построены вероятностные модели обслуживания сессий передачи данных в терагерцовом диапазоне частот в виде систем массового обслуживания с заявками случайного объема и сигналами, моделирующими изменение параметров обслуживания при возникновении блокировки или микромобильности. В проекте будут разработаны математическое и алгоритмическое обеспечения для моделирования процедур поиска луча в беспроводных сетях шестого поколения. При разработке алгоритмов планируются использовать методы на основе машинного обучения и искусственного интеллекта. Этот акцент делается для повышения точности отслеживания луча, чтобы модель управления могла достаточно быстро реагировать на перемещения абонентских устройств, установленных как на движущихся транспортных средствах, так и на пешеходах с менее предсказуемой траекторией движения Литература 1. Y. Niu, Y. Li, D. Jin, L. Su, and A. Vasilakos V, “A survey of millimeter wave communications (mmWave) for 5G: opportunities and challenges,” Wireless Networks, vol. 21, no. 8, pp. 2657–2676, November 2015. 2. Polese, M., Jornet, J. M., Melodia, T., & Zorzi, M. (2020). Toward end-to-end, full-stack 6G terahertz networks. IEEE Communications Magazine, 58(11), 48-54. 3. Giordani, M., Polese, M., Mezzavilla, M., Rangan, S., & Zorzi, M. (2020). Toward 6G networks: Use cases and technologies. IEEE Communications Magazine, 58(3), 55-61. 4. K. David and H. Berndt, “6G vision and requirements: Is here any need for beyond 5G?” IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 13, no. 3, pp. 72–80, Sep. 2018. 5. I. F. Akyildiz and J. M. Jornet, “Realizing ultra-massive MIMO (1024× 1024) communication in the (0.06–10) terahertz band,” Nano Commun. Net., vol. 8, pp. 46–54, June 2016. 6. Y. Tousi and E. Afshari, “A high-power and scalable 2-D phased array for terahertz cmos integrated systems,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 50, no. 2, pp. 597–609, 2014. 7. L. Zhuang, C. G. Roeloffzen, A. Meijerink, M. Burla, D. A. Marpaung, A. Leinse, M. Hoekman, R. G. Heideman, and W. van Etten, “Novel ring resonator-based integrated photonic beamformer for broadband phased array receive antennas – part ii: Experimental prototype,” Journal of lightwave technology, vol. 28, no. 1, pp. 19–31, 2009. 8. J. M. Jornet and I. F. Akyildiz, “Channel modeling and capacity analysis for electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band,” IEEE Trans. on Wireless Commun., vol. 10, no. 10, pp. 3211–3221, Oct. 2011. 9. V. Petrov, M. Komarov, D. Moltchanov, J. M. Jornet, and Y. Koucheryavy, “Interference and sinr in millimeter wave and terahertz communication systems with blocking and directional antennas,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 3, pp. 1791–1808, 2017