Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В работе [1] мы измерили и статистически исследовали процесс микромобильности различных приложений, включая просмотр видео, телефонные звонки, VR-видео и игры. Мы охарактеризовали распределения времени до прерывания связи для различных конфигураций антенных решеток. Также дали оценку радиальной симметрии в процессе микромобильности и охарактеризовали зависящую от расстояния скорость и дрейф. Полученные результаты необходимы для разработки математических моделей процесса микромобильности, которые необходимо в дальнейшем использовать для системного анализа терагерцовых сотовых систем. С этой целью мы также показали, что Марковские модели подходят только для приложений с низкой и чисто случайной динамикой микромобильности, таких как просмотр видео и телефонные звонки. В работе [5] была разработана ресурсная система массового обслуживания (РеСМО) со случайными требованиями к ресурсам и двумя типами узлов для моделирования процесса обслуживания в сетях доступа с двумя типами технологий доступа (миллиметровый и терагерцовый диапазоны доступа). Заявки изначально поступают в узлы первого типа (терагерцовая БС), где они получают обслуживание в течение экспоненциально распределенного времени. Обслуживание заявок может быть прервано блокировкой, в этом случае они перенаправляются на узлы второго типа (миллиметровая БС), где получают обслуживание в течение экспоненциально распределенного времени. В данной работе мы предложили подход к анализу стационарного поведения рассматриваемой системы, а также устанавливили вероятности потери новой заявки и вероятности потери принятой заявки. Разработанная модель имеет широкий спектр приложений для оценки производительности сетей доступа New Radio (NR) пятого поколения (5G) и терагерцового диапазона частот сетей 6G. С этой целью мы подробно исследовали отклик рассматриваемой системы обслуживания, выявляя критические зависимости между параметрами системы и интересующими показателями производительности. Следующей нашей работой является исследования взаимодействия беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с наземными базовыми станциями (БС). Предполагается, что БПЛА станут одним из новых типов пользователей сетей пятого/шестого поколения (5G/6G). В работе [3] мы использовали инструменты интегральной геометрии, чтобы охарактеризовать свойства подключения БПЛА в наземных городских развертываниях систем mmWave NR, используя вероятность блокировки линии прямой видимости (LoS) БПЛА в качестве основного интересующего показателя. В отличие от других исследований, использование предложенного подхода позволяет получить простую аппроксимацию вероятности блокировки прямой видимости в зависимости от параметров города и сети. В качестве одного из вариантов улучшения связи мы также рассмотрели установку mmWave БС на крыше. Наши результаты показали, что предлагаемая модель обеспечивает верхнюю границу вероятности блокировки прямой видимости БПЛА, и эта граница становится более точной по мере увеличения плотности БС миллиметрового диапазона в этом районе. В частности, развертывание с шириной улицы 20 м характеризуется меньшей на 50 % вероятностью блокировки линии прямой видимости БПЛА по сравнению с развертыванием с шириной улицы 10 м. Продолжением разработки аналитической модели процесса обслуживания абонентов в терагерцовых сетях доступа является работа [2], в которой мы разработали математическую модель для оценки вероятности отсутствия связи и спектральной эффективности, связанной с различными степенями мультисвязности в среде с динамической блокировкой и микромобильностью для различных вариантов схем поиска луча. Наши результаты показывают, что наличие микромобильности ПУ может оказать положительное влияние на производительность системы. В частности, мультисвязность позволяет улучшить спектральную эффективность для малой и средней плотности блокаторов (до 0.3 бл./м2) до уровня идеальной системы с нулевым временем поиска луча. Кроме того, больший выигрыш наблюдается для более высоких степеней мультисвязности (больше двух). Однако, для более высоких плотностей блокаторов наблюдается обратный эффект. Следующей задачей стало исследование характеристик обслуживания основных услуг сетей 6G: FeMBB (англ. Further-enhanced Mobile Broadband) и URLLC (англ. Ultra-Reliable Low Latency Communications) в индустриальных развертываниях. Но в силу того, что на данный момент пока отсутствуют стандартизирующие документы по услугам сетей 6G, первоначальный анализ мы решили провести на типовых услугах сетей 5G NR, чтобы в дальнейших исследованиях могли применить эти полученные результаты и в сетях терагерцового диапазона. На этой основе подготовлена работа [6], в которой представлено исследование сосуществования трафика URLLC и eMBB на основе приоритета обслуживания в реальных промышленных развертываниях систем 5G NR. В работе [6] мы рассмотрели одновременную поддержку этих двух сервисов в промышленном развертывании, где оборудование производственных линий использует сервис URLLC для организации и синхронной работы, а сервис eMBB используется для удаленного мониторинга. Используя инструменты стохастической геометрии и теории массового обслуживания, мы формализовали модель с приоритетным обслуживанием на БС NR как с поддержкой прямой связи между устройствами (D2D) и без нее. Наши численные результаты показали, что реализация сосуществования URLLC и eMBB на основе приоритетов позволяет нам эффективно изолировать URLLC трафик и при этом не требует дополнительного контроля. Разработанная модель может быть использована для оценки плотности развертывания БС NR, необходимой для обеспечения заданных гарантий производительности для всех рассматриваемых стратегий. В следующей работе [4] мы представили универсальную математическую методологию для оценки алгоритмов повышения надежности производительности для систем миллиметрового и терагерцового диапазона. Наша методология учитывает как специфику радиоинтерфейса, так и процесс обслуживания пользовательских сессий на БС миллиметрового и терагерцового диапазонов частот и позволяет проводить оценку производительности систем с мультисвязностью, механизмами резервирования ресурсов, приоритетами между несколькими типами трафика, имеющими разные требования к обслуживанию. Структура проделанной работы логически разделена на две части: 1) часть параметризации, которая абстрагирует специфику развертывания и механизмы радиосвязи, и 2) часть оценки характеристик обслуживания, учитывающую детали процесса обслуживания на БС миллиметрового и терагерцового диапазонов частот. Модульная структура позволяет исследовать механизмы обслуживания в будущих развертываниях сотовых сетей связи миллиметрового и терагерцового диапазонов частот. Список работ 1. Stepanov N., Moltchanov D., Begishev V., Turlikov A., & Koucheryavy Y. (2021). Statistical Analysis and Modeling of User Micromobility for THz Cellular Communications. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2. Moltchanov D., Gaidamaka Y., Ostrikova D., Beschastnyi V., Koucheryavy Y., & Samouylov K. (2021). Ergodic Outage and Capacity of Terahertz Systems Under Micromobility and Blockage Impairments. IEEE Transactions on Wireless Communications. 3. Begishev V., Moltchanov D., Gaidamaka A., & Samouylov, K. (2022). Closed-Form UAV LoS Blockage Probability in Mixed Ground-and Rooftop-Mounted Urban mmWave NR Deployments. Sensors 4. Moltchanov D., Sopin E., Begishev V., Samuylov A., Koucheryavy Y., & Samouylov K. (2022). A Tutorial on Mathematical Modeling of 5G/6G Millimeter Wave and Terahertz Cellular Systems. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 5. Sopin E., Begishev V., Moltchanov D., Samuylov A. (2022). Evaluation of the New and Accepted Customers Blocking Probabilties in a Network of Resource Loss Systems. Communications in Computer and Information Science (CCIS). 6. Ivanova D., Markova E., Moltchanov D., Pirmagomedov R., Koucheryavy Y., & Samouylov K. (2022). Performance of Priority-Based Traffic Coexistence Strategies in 5G mmWave Industrial Deployments. IEEE Access.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Инициатива 3GPP по стандартизации технологии интегрированного доступа и транзита (IAB, Integrated Access and Backhaul) открывает новые возможности для операторов услуг в сценариях с автомагистралями, где для обеспечения бесперебойного покрытия требуется крайне высокая плотность развертывания базовых станций (БС). Последняя проблема особенно важна для систем связи 5G и 6G, работающих в миллиметровом (mmWave) и терагерцовом (sub-THz) диапазонах частот. В таких системах существует компромисс между скоростью, обеспечиваемой в многозвенной цепи, так называемым «мостом», и расстоянием между узлами. Одним из критических факторов, связанных с этим компромиссом, является выбор последнего ретранслятора. В статье [1] мы используем реалистичные измерения канала на частоте 300 ГГц и стандарт связи IEEE 802.15.3d для описания вышеупомянутого компромисса. Затем мы предлагаем простой метод максимизации скорости моста путем решения проблемы выбора последнего ретранслятора. Наши численные результаты показывают, что расположение антенн приемопередающих устройств на уровне бампера лучше с точки зрения расстояния связи. Кроме того, предложенная стратегия выбора последнего ретранслятора обеспечивают прирост производительности с точки зрения скорости передачи данных по сравнению с традиционными подходами, достигая 100% для больших расстояний между БС и 400–500% для малых малых. В абсолютных значениях предлагаемая стратегия выбора последнего ретранслятора позволяет снизить требуемую плотность БС вдоль магистралей на 15–30 % в зависимости от плотности транспортных средств и требуемого уровня связности. Ожидается, что новая технология радио (NR), работающая в диапазоне миллиметровых волн, будет использоваться в зонах с высокой и изменчивой нагрузкой, таких как городские площади, торговые центры и т. д. Последнее может привести к нарушению пара качества обслуживания (QoS). Для решения этой проблемы 3GPP предложила технологию NR (NR-U), которая может использовать полосу частот 60 ГГц. В статье [2] мы исследуем развертывание базовых станций (БС) NR-U, одновременно работающих в лицензированных и нелицензированных миллиметровых диапазонах частот в присутствии конкурирующего трафика WiGig, где пользователи NR-U могут использовать нелицензированный диапазон, пока выполняются требования к скорости передачи данных. Для решения поставленной задачи мы используем методы стохастической геометрии, цепей Маркова и тоерии массового обслуживания (ТМО) со случайными требованиями к ресурсам. Затем мы приступаем к сравнению производительности различных стратегий разгрузки, используя вероятность потери сессии в качестве основной метрики. Наши результаты показывали нетривиальное поведение вероятности коллизии в нелицензионном диапазоне по сравнению с более низкочастотными системами. Базовая стратегия, при которой сессия выгружается на технологию нелицензированного диапазона частот только тогда, когда в лицензированном диапазоне нет доступных ресурсов, обеспечивает наилучшую производительность с точки зрения вероятности потери сессии. Стратегия разгрузки, при которой сеансы с более высокими требованиями в среднем, немедленно направляются на нелицензированный диапазон, приводит к повышению вероятности потери сессии всего на 2-5%. Худшая производительность наблюдается, когда сеансы с меньшими требованиями в среднем, выгружаются на нелицензированный диапазон. Широкая полоса частот доступная в терагерцовом диапазоне (THz, 0,3-3 THz), позволяет достигать крайне высоких скоростей передачи данных. Хотя использование этого диапазона в сотовых коммуникационных системах не ожидается в ближайшее несколько лет, различные другие приложения, такие как беспроводная связь для транзитных сетей и беспроводной доступ точка-точка могут быть реализованы в ближайшем будущем. В работе [3] мы разработали аналитическую модель распространения для случая связи между землей и самолетом, явно учитывая THz-специфические явления распространения, включая потери прямого распространения, затухание различными типами облаков и атмосферное поглощение на разных высотах. Для этой цели мы сначала характеризуем геометрические, молекулярные и структурные свойства облаков для различных погодных условий и регионов Земли. Затем, применяя методы интегральной геометрии и теории вероятности, мы получили выражение для мощности, принимаемой на самолете. Наши численные результаты показывают, что тип погоды, образующий различные составы облаков, оказывает существенное влияние на общие потери и, следовательно, скорость передачи данных. В частности, разница между солнечными и дождливыми условиями может достигать 30-50 дБ. Общие потери также сильно зависят от региона Земли и времени года, и разница может достигать 10-30 дБ. Худшие условия, логично, наблюдаются при дождливой погоде, где дополнительное ослабление достигает 50 дБ. Средняя зона Земли также является наихудшей из рассматриваемых регионов с дополнительным ослаблением, достигающим 30 дБ. Разработанная модель может быть использована как первое приближение для моделирования THz-каналов между землей и самолетом. Для преодоления потерь распространения в системах связи пятого (5G) и шестого (6G) поколений в миллиметровом и терагерцевом диапазонах будут использоваться фазированные антенны с высоким коэффициентом усиления в направлении передачи. В результате использования таких антенн наблюдается высокая направленность. В таких системах микромобильность абонентов – быстрое перемещение и вращение терминала абонента в руках пользователя может приводить к частым потерям состояния устойчивой связи. В то же время, методы поиска лучей, определенные для систем 5G, не строго определяют интервал между началом процедуры поиска. В работе [4] мы предложили метод определения активного приложения на терминале абонента. Это позволит определить оптимальные интервалы между началом процедуры поиска луча, минимизируя интенсивность событий потери устойчивого соединения и/или среднюю скорость, предоставляемую терминалу абонента. Также на второй этапе проекта подготовлены две программы ЭВМ [5-6]. На втором этапе научного проекта также представлена работа на конференции с международным участием, доклад представлен в устном выступлении [4]. Список опубликованных работ на втором этапе реализации проекта: 1. Beschastnyi, V., Machnev, E., Ostrikova, D., Gaidamaka, Y., & Samouylov, K. (2023). Coverage, Rate, and Last Hop Selection in Multi-Hop Communications in Highway Scenarios. Mathematics, 11(1), 26. (квартиль Q1). 2. Daraseliya, A., Sopin, E., Moltchanov, D., Koucheryavy, Y., & Samouylov, K. (2022). Performance of Offloading Strategies in Collocated Deployments of Millimeter Wave NR-U Technology. IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 72, no. 2, pp. 2535-2549, Feb. 2023, doi: 10.1109/TVT.2022.3213927. (квартиль Q1). 3. Doborshchuk, V., Begishev, V., & Samouylov, K. (2022). Propagation Model for Ground-to-Aircraft Communications in the Terahertz Band with Cloud Impairments. Energies, 15(21), 8022. (квартиль Q1). 4. 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. 5. 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. 6. 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.