Модель и методы маршрутизации трафика в сети связи с использованием БПЛА

Актуальность. Развитие сетей 5G и последующих поколений сопровождается развитием новых услуг,
в частности, услуг виртуальной, дополненной реальностей, а также телеприсутствия и сетей радиодоступа. В частности, происходит повышение рабочих частот, что ставит дополнительные задачи по организации сети, способной обеспечить требования к качеству обслуживания трафика со стороны новых услуг и обеспечению доступности связи пользователям. Эти задачи могут решаться различными способами размещения точек доступа, в том числе с использованием БПЛА. Такой подход обеспечивает оперативность построения и гибкость структуры сети доступа, но также требует применения методов размещения
точек доступа по отношению к пользователям и другим элементам сети связи.

Постановка задачи: разработка методов размещения маршрутизаторов в рое БПЛА и выбора маршрутов пропуска трафика при организации сети доступа, в целях повышения эффективности функционирования сети связи.

Цель работы: повышение эффективности построения сети доступа с использованием БПЛА за счет разработки методов кластеризации и распределения маршрутизаторов в рое БПЛА.

Используемые методы. Исследования проводились с использованием положений теории информации, математических методов оптимизации, методов теории графов и методов кластеризации. Численные результаты получены методом численного моделирования на языке python.

Результат. Разработанные модель и методы позволяют произвести распределение маршрутизаторов (точек доступа) сети, размещенных на БПЛА с учетом качества обслуживания и обеспечения построения связной mesh-сети и ее связи с сетью подвижной связи, которые могут быть использованы как в современных, так и перспективных сетях связи.

Новизна: разработан модельно-методический аппарат, позволяющий повысить эффективность построения сетей беспроводного доступа с применением БПЛА, в частности позволяющий выбирать позиции размещения маршрутизаторов в рое БПЛА и логическую структуру сети. Разработанный модельно-методический аппарат решает задачу маршрутизации трафика с учетом качества его обслуживания.

Практическая значимость: предложенные модель и методы могут быть использованы при организации обслуживания в сетях 5G и последующих поколений. В частности, они позволяют обеспечить доступность связи и оперативность организации сети в случаях недостаточного покрытия, а также в случаях выхода из строя отдельных элементов сети. Возможность выгрузки трафика в локальную сеть позволяет повысить качество обслуживания трафика в сети оператора связи.

1. Taleb T., Benzaïd C., Lopez M.B., Mikhaylov K., Tarkoma S., Kostakos P., et al. 6G System Architecture: A Service of Services Vision // ITU Journal on Future and Evolving Technologies. 2022. Vol. 3. Iss. 3.

2. Rec. ITU-T Technical Report (01/2020). Network 2030 ‒ Additional Representative Use Cases and Key Network Requirements for Network 2030.

3. Rec. ITU-T Deliverable (10/2019). New Services and Capabilities for Network 2030: Description, Technical Gap and Performance Target Analysis.

4. Li R. Network 2030. A Blueprint of Technology, Applications and Market Drivers Towards the Year 2030 and Beyond. 2019.

5. Rec. ITU-T Technical Specification (06/2020). Network 2030 Architecture Framework.

6. Волков А.Н., Мутханна А.С.А., Кучерявый А.Е., Бородин А.С., Парамонов А.И., Владимиров С.С. и др. Перспективные исследования сетей и услуг 2030 в лаборатории 6G Meganetlab СПБГУТ // Электросвязь. 2023. № 6. С. 5‒14. DOI:10.34832/ELSV.2023.43.6.001. EDN:CJSYLS

7. Демидов Н.А. Исследование трафика 3d-видеопотока на имитационной модели // Электросвязь. 2024. № 3. С. 44‒48. DOI:10.34832/ELSV.2024.52.3.008. EDN:DNQCWX

8. Rec. ITU Focus Group Technical Specification (12/2023). Definition of metaverse.

9. Mane-Deshmukh P.V. Designing of Wireless Sensor Network to Protect Agricultural Farm from Wild Animals // i-Manager’s Journal on Information Technology. 2018. Vol. 7. Iss. 4. PP. 30‒36.

10. Shannon C.E., Weaver W. The Mathematical Theory of Communication. Urbana: The University of Illinois Press,·1964.

11. Akyildiz I.F., Han C., Hu Z., Nie S., Jornet J.M. Terahertz Band Communication: An Old Problem Revisited and Research Directions for the Next Decade // IEEE Transactions on Communications. 2022. Vol. 70. Iss. 6. PP. 4250‒4285. DOI:10.1109/TCOMM.2022.3171800

12. Petrov V., Pyattaev A., Moltchanov D., Koucheryavy Y. Terahertz band communications: Applications, research challenges, and standardization activities // Proceedings of the 8th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT, Lisbon, Portugal, 18‒20 October 2016). IEEE, 2016. PP. 183‒190. DOI:10.1109/ICUMT.2016.7765354

13. 120 results for "5g router" // Amazon. URL: https://www.amazon.com/5g-router/s?k=5g+router (Accessed 01.07.2024)

14. Дорохова А.А., Парамонов А.И. Исследование трафика и качества обслуживания в самоорганизующихся сетях на базе БПЛА // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4. № 2. С. 12‒25. EDN:XDCORF

15. Варельджян К.С., Парамонов А.И., Киричек Р.В. Оптимизация траектории движения БПЛА в летающих сенсорных сетях // Электросвязь. 2015. № 7. С. 20‒25. EDN:UAYFOL

16. Захаров М.В., Киричек Р.В., Парамонов А.И. Задача распределения ресурсов в группах БПЛА // Информационные технологии и телекоммуникации. 2015. Т. 3. № 1. С. 62‒70. EDN:TUXWKP

17. Вишневский В.М. Методы и алгоритмы проектирования и реализации привязных высотных беспилотных телекоммуникационных платформ // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019 (Москва, Россия, 17–20 июня 2019 г.). М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2019. С. 40‒42. DOI:10.25728/vspu.2019.0040. EDN:KFCQMJ

18. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1989. 215 с.

19. 2.3. Clustering // Scikit-learn. URL: https://scikit-learn.org/stable/modules/clustering.html (Accessed 01.07.2024)

20. Марочкина А.В. Моделирование и кластеризация трехмерной сети интернета вещей с применением метода оценки фрактальной размерности // Электросвязь. 2023. № 6. С. 60‒66. DOI:10.34832/ELSV.2023.43.6.008. EDN:ZBNQKI

21. Загоруйко Н.Г., Ёлкина В.Н., Лбов Г.С. Алгоритмы обнаружения эмпирических закономерностей. Новосибирск: Наука, 1985. 110 с.

22. Викулов А.С., Парамонов А.И. Модель канала OFDM в задаче оценки эффективности сети IEEE 802.11 // Инфокоммуникационные технологии. 2018. Т. 16. № 3. С. 290‒297. DOI:10.18469/ikt.2018.16.3.06. EDN:EMWAAZ

23. Рекомендация МСЭ-R P.1238-9 (06/2017). Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 300 МГц–100 ГГц.

24. Daley D.J., Vere-Jones D. An Introduction to the Theory of Point Processes. Volume I: Elementary Theory and Methods. Springer Science & Business Media, 2006. 471 p.

25. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия: Введение. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 478 с.

26. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. Пер. с англ. М.: Мир. 1981. 323 с.