| Аннотация |
Спутниковые системы связи на базе низкоорбитальных спутников (англ. Low Earth Orbit, LEO) приобретают все большую популярность, а коммерческий успех таких систем связи, как Iridium, OneWeb и Starlink, подтверждает актуальность развертывания LEO-систем и разработки методов повышения их производительности. Ключевыми недостатками коммерческих LEO-систем являются, во-первых, закрытость спецификаций, описывающих протоколы передачи данных, и, во-вторых, необходимость использования специального терминального оборудования, в том числе спутниковых антенн. В связи с этим в 2022 году консорциумом 3GPP был опубликован набор спецификаций Release 17, описывающих расширение технологии 5G для работы в сценариях неназемных сетей (англ. 5G Non-Terrestrial Networks, 5G NTN), в том числе с возможностью использования спутников для передачи данных.
В рамках данного проекта рассматривается архитектура сетей 5G NTN, в которой спутник является базовой станцией и выполняет все функции, связанные с передачей данных и управлением сетью. По сравнению с архитектурой, в которой спутник является простым аналоговым ретранслятором, такая архитектура: (а) повышает эффективность работы алгоритмов управления передачей за счет меньшей задержки по соединению базовая станция-абонент, (б) повышает отношение сигнал/шум на базовой станции и абонентах и, тем самым, скорость передачи данных, (в) позволяет передавать данные напрямую между спутниками.
В сетях 5G NTN, аналогично наземным сетям 5G, для обеспечения требуемого качества обслуживания пользователей и эффективного использования канальных ресурсов необходимо решать задачи управления радиоресурсами и параметрами передачи данных. При решений таких задач в наземных сетях 5G, как правило, основной фокус делается на построении алгоритма, обеспечивающего решение, близкое к оптимальному.
В то же время, ключевыми отличиями рассматриваемых в проекте систем 5G NTN от наземных систем 5G являются: (a) значительно большее количество обслуживаемых пользователей одной базовой станцией (сотни и даже тысячи пользователей при использовании многолучевых антенн на спутнике), (б) большая задержка при передаче измерений и управляющих команд, (в) значительно меньшая вычислительная мощность, доступная на спутнике, ввиду ограничений на размеры спутника и энергопотребление. В связи с этим многие алгоритмы, разработанные для наземных сетей 5G, оказываются неприменимыми в спутниковых системах связи 5G NTN из-за существенного роста размерности задачи и вычислительной сложности. Целью данного проекта является разработка принципиально новых алгоритмов, учитывающих перечисленные выше особенности низкоорбитальных спутниковых систем 5G NTN и обеспечивающих высокую емкость сети для различных типов трафика (широкополосный трафик, трафик реального времени и др.)
Одним из перспективных подходов для снижения времени выполнения алгоритмов является использование параллельных вычислений на таких устройствах, как многоядерные процессоры, графические процессоры и программируемые логические интегральные схемы. В связи с этим особое внимание в проекте будет уделено оценке сложности разрабатываемых алгоритмов и построению параллельных алгоритмов, которые могут быть выполнены на спутнике в режиме реального времени. Для оценки эффективности разработанных алгоритмов будет создана платформа имитационного моделирования сетей 5G NTN, учитывающая как особенности движения спутников и передачи данных по каналу спутник-пользователь, так и особенности работы вычислительных устройств на спутнике.
Масштаб решаемой в проекте задачи определяется, с одной стороны, ее критической важностью для развития спутниковых систем широкополосной связи в России, а с другой стороны, сложностью решаемых научных задач, в том числе необходимостью разработки вычислительно эффективных алгоритмов (в том числе параллельных алгоритмов) для решения различных оптимизационных задач, которые во многих случаях являются NP-трудными.
|
