Математические модели и практические алгоритмы повышения энергоэффективности в гетерогенных миллиметровых и терагерцевых сетях пятого и шестого поколения (5G/6G)

В ближайшем будущем ожидается резкий рост числа пользователей ресурсоемких приложений, таких как приложения дополненной и виртуальной реальности (Augmented/Virtual Reality, AR/VR), телеприсутствия, а также видео в высоком разрешении 8/16K, что потребует кратное увеличение пропускной способности сетей на уровне радиодоступа. В качестве ответа на этот вызов системы 5G предлагают значительное увеличение пиковой скорости при подключении к базовой станции (БС) до 20 Гбит/с на БС за счет использования полосы частот миллиметрового диапазона (mmWave) в диапазоне 24-52.6 ГГц. В то же время, в сотовых системах 6G планируется переход к использованию частот еще более высокого порядка в пределах верхней части миллиметрового диапазона (52.6-100 ГГц) и даже суб-терагерцевого (суб-ТГц) диапазона (100-300 ГГц), что позволит БС развивать скорости передачи данных до 100 Гбит/с. Несмотря на то, что технологии 5G уже прочно закрепились на рынке телекоммуникационного оборудования, системы “Новое Радио” (New Radio, NR) миллиметрового диапазона до сих пор не имеют успешного опыта внедрения в коммерческом секторе. Основная причина неудач эксплуатационных испытаний таких систем заключается в том, что изначально при их разработке не было уделено достаточного внимания характеристикам распространения сигнала в диапазоне настолько высоких частот. В результате качество обслуживания (Quality of Service, QoS) абонентских устройств (АУ) в значительной степени снижается по причине частых обрывов соединения, а энергоэффективность АУ оказалась заметно ниже чем предполагалось в требованиях IMT-2020/2030. Опыт внедрения систем 5G NR миллиметрового диапазона показал, что аккумуляторы современных смартфонов выдерживают всего несколько часов активного использования, что не может удовлетворять требованиям IMT-2020, предъявляемым к энергоэффективности АУ. При этом известно, что суб-ТГц передатчики систем 6G будут потреблять в несколько раз больше энергоресурсов из-за необходимости использования более широкой полосы пропускания, а также из-за дополнительных факторов, связанных с их аппаратной реализацией. Для повышения энергоэффективности предполагается использовать зарекомендовавшие себя методы сохранения энергии, такие как прерывистый прием (Discontinuous Reception, DRX), сигналы о выходе из сна (Wake-Up Signal, WUS), а также метод релаксации управления радиоресурсами (Radio Resource Management Relaxation, RRMR). Однако в современных системах подбор параметров для алгоритмов управления мощностью является статичным, что не позволяет полностью раскрыть их потенциал в условиях переменчивых схем поведения пользователей, хотя вычислительная мощность современных АУ в полной мере позволяет производить расчеты параметров используя алгоритмы с невысокой сложностью в режиме реального времени. Цель проекта состоит в разработке моделей и практических алгоритмов повышения энергоэффективности обслуживания сессий в сетях доступа 5G/6G, работающих в миллиметровых и терагерцевых диапазонах частот, при соблюдении заданного качества предоставляемых услуг. Поставленная цель достигается путем последовательного решения ряда задач с задействованием функциональных возможностей сетевого уровня, в частности за счет использования методов сохранения энергии, таких как DRX, WUS и RRMR. Задачи проекта требуют применения и расширения методов из различных теорий, включая случайные процессы, марковские поглощающие процессы, методы оптимизации, стохастическую геометрию и теорию массового обслуживания. Практические алгоритмы переключения разрабатываются с использованием методов машинного обучения.