Математики рассчитали, сколько нужно вышек 5G

Российские математики разработали модель, которая позволяет рассчитать, сколько станций 5G нужно поставить, чтобы добиться требуемых параметров сети. Оказалось, что необходима одна вышка на 10 000 квадратных километров. Результаты исследования опубликованы в журнале Computer Communications.

Одна из технологий, на которую полагается новый стандарт связи 5G, — разделение, или нарезка сети (network slicing, NS). На одной физической инфраструктуре (одних и тех же базовых станциях) разворачивается сразу несколько виртуальных сетей — «слоев». Каждый слой выделяется отдельной группе пользователей, устройств или приложений. Для разделения сети нужна технология NR (New Radio), которая работает на миллиметровых волнах. Большинство исследований в этой области нацелены на создание инфраструктуры станций NR, которая обеспечивала бы нарезку сети в каждом конкретном случае. Математики РУДН впервые разработали общий теоретический метод, который помогает рассчитать, с какой плотностью нужно ставить базовые станции NR, чтобы провести разделение сети с заданными параметрами качества обслуживания абонентов.

«Концепция нарезки сетей значительно упростит выход на рынок для операторов мобильных виртуальных сетей и обеспечит дифференцированное качество сетевых услуг. Это важный сдвиг парадигмы в мире сотовой связи, это позволит создавать многоуровневые сетевые структуры, аналогичные структурам современного интернета. Сразу несколько пользователей или служб смогут одновременно использовать ресурсы», — рассказала кандидат физико-математических наук Екатерина Лисовская, младший научный сотрудник Научного центра прикладного вероятностного анализа РУДН.

При построении алгоритма математики РУДН использовали модельный «город». В нем были c некоторой плотностью распределены базовые станции NR. На станциях располагались три антенны, каждая из которых покрывала 120 градусов. По городу случайным образом были распределены пешеходы — пользователи устройств, использующие сотовую сеть связи 5G, работающую в миллиметровом диапазоне частот (30–100 ГГц). Они перемещались и могли перекрывать друг другу линию прямой связи с базовой станцией. У каждой антенны был радиус эффективного действия — внутри него не возникало проблем с соединением, даже если прямая линия связи перекрыта. Математики РУДН построили зависимость характеристик сети от плотности расположения станций.

Чтобы проверить точность построенной модели, математики использовали компьютерную симуляцию. Результаты теоретических и экспериментальных вычислений совпали. Разработанная модель показывает, например, как плотность расположения станций влияет на режим разделения ресурсов сети от полной изоляции до полного перемешивания. Первый предполагает, что на каждый слой выделен свой диапазон частот фиксированной ширины, а во втором варианте частоты слоев полностью перемешаны друг с другом. Второй вариант сложнее с технической точки зрения, но повышает эффективность использования ресурсов физической сети. Математики РУДН исследовали эти режимы как два «крайних» варианта реализации сети — в реальных задачах обычно требуется некоторая промежуточная реализация. Оказалось, что различие в частоте вышек между этими крайними реализациями небольшое — одна вышка на 10 000 квадратных метров.

«Режим полной изоляции слоев может резко меняться до полного смешивания в зависимости от плотности NR-станций. Однако изменить требуемую плотность можно, меняя параметры системы. Практически это означает, что на начальном этапе проникновения на рынок можно использовать режим полной изоляции без ущерба для производительности сети. А в будущем снизить затраты операторов на развертывание сети помогут новые усовершенствованные схемы», — прокомментировала Екатерина Лисовская.