CC BY
24«<ШУУШУУМ-ШУШаУ» #2(И25)), 2022 / TECHNICAL SCIENCE
13
TECHNICAL SCIENCE
Антонова В. М.,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1 Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) им. В.А. Котельникова РАН,
125009, Москва, ул. Моховая, 11-7 Клыгин Д. С.,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1
Пазырь М. А.,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1
Рожков Т. С.,,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1
Тарарина Н. К.
Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) им. В.А. Котельникова РАН,
125009, Москва, ул. Моховая, 11-7 DOI: 10.24412/2520-6990-2022-2125-13-18 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСКРАСКИ ГИПЕРГРАФОВ ДЛЯ РАБОТЫ LEO-СПУТНИКОВ В СЕТЯХ 5G
Antonova V. M.,
Moscow State Technical University. N.E. Bauman, 105005, Moscow, 2nd Baumanskaya, 5, building 1 Institute of Radio Engineering and Electronics (IRE) them. V.A. Kotelnikov RAS,
125009, Moscow, st. Mokhovaya, 11-7 Klygin D.S.,
Moscow State Technical University. N.E. Bauman, 105005, Moscow, 2nd Baumanskaya, 5, building 1
Pazyr M. A.,
Moscow State Technical University. N.E. Bauman, 105005, Moscow, 2nd Baumanskaya, 5, building 1
Rozhkov T. S,
Moscow State Technical University. N.E. Bauman, 105005, Moscow, 2nd Baumanskaya, 5, building 1
Tararina N. K.
Institute of Radio Engineering and Electronics (IRE) them. V.A. Kotelnikov RAS,
125009, Moscow, st. Mokhovaya, 11-7
USING HYPERGRAPH COLORING FOR LEO-SATELLITES IN 5G NETWORKS
Аннотация.
Статья посвящена проблеме использования теории гиперграфов для решения проблемы организации доступа в сложных сетях с облачным управлением при использовании низкоорбитальных спутников в сетях пятого поколение. Основное внимание сосредоточено на создании алгоритма для решения данной проблемы. В результате был разработан алгоритм на основе раскраски ориентированного гиперграфа. Abstract.
The article is devoted to the problem of using hypergraph theory. The main of the article is creating the algorithm to access in complex networks with cloud management when using low-orbit satellites in fifth-generation networks.
Ключевые слова: гиперграф, раскраска графа, спутники, низкоорбитальные спутники, 5G Keywords: hypergraph, graph coloring, satellites, threats, LEO satellites, 5G
Введение
В современном мире все большую роль играют технологии связи, постояннорастущее количество устройств и информации сильно увеличивают нагрузки на уже существующие сети. Новый стандарт 5G направлен на решение этих идругих
современных проблем, но 5G это не просто следующий, более быстрый,стандарт связи, это целая система нововведений, позволяющих, например, объединять разные сети под одним стандартом. Так Wi-Fi, мобильные сети и спутники смогут быть объединены в одну общую сеть. Для того
14
TECHNICAL SCIENCE / «ШУУШШШУМ-ЛШТМак» #212
чтобыполностью реализовать потенциал технологии 5G, будет недостаточно просто обновить наземную инфраструктуру. Существующие наземные сети не обеспечивают покрытия наибольшей части Земли: океанов, которые составляют большую часть площади нашей планеты, а также удаленных районов с малой плотностью населения. Строительство привычных нам наземных вышек в таких местах сразу представляется нецелесообразным из-за стоимости и малогоколичества абонентов, но часто это еще и физически невозможно организовать.
1. Роль LEO-спутников в сетях 5G
Идея использования спутников для раздачи интернета в последние годы снова становится актуальной. Основными отличиями этих систем от предшествующих являются: повышенная производительность, обусловленная использованием цифровой связи, усовершенствованных схем модуляции, многолучевых антенн и более сложных схем повторного использования частот, а также снижение затрат на производственные процессы и снижение затрат на запуск.
Передача интернета из космоса с использованием крупных созвездий LEO-спутников снова обретает популярность. В период между 2014 и 2016 годами 11 компаний подали заявки в Федеральную комиссию по связи США (FCC) на развертывание крупных спутниковых группировок на негеостационарной орбите для предоставления услуг широкополосного доступа. Предложения в этих заявках разнились от 2 спутников, предложенных Space
Norway, до 4425, в предложении SpaceX. Из-за такого большого количества спутников данные созвездия получили название «мега-созвездия».
Предполагается, что спутниковая сеть будет играть важную часть в развитии полного спектра услуг 5G. Добавление спутниковой части к уже существующей наземной сети не только позволит значительно расширить зону покрытия новой технологии там, где до этого не было никакой инфраструктуры, но также позволит улучшить качество обслуживания в других районах, обеспечит надежность и безопасность сети.
Основные цели, которых можно добиться с помощью добавлениеспутниковой сети:
• Увеличение зоны покрытия и обеспечение беспрерывной связи
• Бесшовное объединение с другими сетями, позволяющее абонентами всегда быть на связи
• Новые возможности для абонентов с 5G благодаря поддержке новыхтипов приложений
• Дублирующая функция в чрезвычайных ситуациях
2. Низкоорбитальные спутники как сложная гетерогенная сеть
Для реализации сетей 5G, 3GGPP выпустили путеводитель, в котором описывают сценарии применения LEO-спутников, в зависимости от наземной инфраструктуры. Данные подкрепляются лабораторными исследованиями. Так для гетерогенной 5G сети при использовании низкоорбитальных спутников, требуется применять следующие протоколы:
Таблица 1
Протоколы спутниковой 5G связи
SaT5G Вариант использования 1: Пограничная доставка и разгрузка для мультимедийного контента и программного обеспечения SaT5G Вариант использования 2:Фиксирован-ная обратная связь с 5G SaT5G Вариант использования 3:5G в помещения SaT5G Вариант использования 4:Движущиеся объекты
Поддержка многоадресного трафика (стандартными протоколами) Поддержка протоколов NG2/ Ш3 Поддержка решений для разделения трафика / агрегации каналов (стандартными протоколами) Поддержка протоколов Ш2/ Ш3 c динамическим перемещением
Наличие таких сценариев не позволяет использовать везде одни и те же стандарты и технологии организации доступа. Таким образом, если мы хотим использовать всю группировку спутников для реализации всех сценариев, нашу сеть можно отнести к разряду гетерогенных сетей.
Развитие сетей 5G, в свою очередь, поставило сложные задачи по эффективному управлению и эксплуатации гетерогенных сетей в сильно
меняющихся сетевых условиях. Обеспечение унифицированной координации и управления радиоресурсами через сосуществующие технологии множественного радиодоступа (тиШ^АТ) требует эффективного представления с использованием
высокоуровневых абстракций характеристик и состояния радиосети. Без таких абстракций пользователи и сети не могут использовать весь потенциал увеличения плотности ресурсов и возможностей подключения, что приведет к неспособности удовлетворить амбиции 5G.
Multi-Rat сеть есть упрощенная структура гетерогенной сверхплотной сети (HUDN), которая может значительно повысить эффективность использования полосы пропускания сотовых сетей и обеспечить взрывной рост трафика данных в связях пятого поколения (5G).
«ШУШМУМ-ЛШИГМаУ» #2(И25)), 2022 / TECHNICAL SCIENCE
15
В помещениях
Фиксированная
Рисунок 1 HUDN сеть с Multi-Rat
Эффективные алгоритмы распределения ресурсов и ассоциации пользователей имеют важное значение для минимизации помех и оптимизации производительности сети. Однако оптимизация сетевых ресурсов в HUDN чрезвычайна сложна, поскольку распределение ресурсов и ассоциация пользователей взаимосвязаны.
Главное отличительной характеристикой Multi-Rat в низкоорбитальных спутниках является то, что соединение между спутником и облачным ядром осуществляется одним спутником или конечным устройством в цепи промежуточных
(D2D). Решение сложившейся проблемы можно найти в раскраске ориентированного гиперграфа.
3. Раскраска ориентированного гиперграфа в CRAN
Определение: Ориентированный гиперграф G — пара (N, E) где N — непустое множество вершин, E — множество гипердуг; гипердуга e определяется как упорядоченная пара (Т, И) с
' ■ ' ' ' h называется началом
гипердуги e и обозначается Head(e), T называется концом e и обозначается Tail(e).
Рисунок 2 гетерогенной сети при использовании технологии D2D, Smallcell и Macrocell
Определение: Раскраской графа G=(N, E) называется функция, действующая из множества вершин N в конечное множество цветов I.
Выделяют следующие виды раскраски гиперграфа:
1. Слабая (оптимальное распределение ресурсов), где каждое гиперреберо должно содержать не менее 2 цветов.
2. Строгая (палитра), где все вершины гиперребра окрашены по-разному
3. Равномерная (планирование), где количество вершин в любых двух классов цветов отличаются не более чем на единицу
16
TECHNICAL SCIENCE / «ШШЮШУМ-ШУГМак» #2№
2022
Для решения проблемы будем использовать следующий алгоритм слабой раскраски:
> Шаг 1: Найдите порядок вершин в соответствии с их одноуровневыми степенями. Степень вершины определится ее приближенностью к CRAN1
> Шаг 2: Удаляем остальные вершины из порожденного подграфа не связанного с CRAN напрямую
1. Исходная схема ориентированного графа
> Шаг 3: Раскрашиваем случайным цветом полученные вершины
> Шаг 4: При необходимости повторяем действия внутри порожденного графа рассматривая раскрашенную вершину как СRAN.
Рассмотрим применения алгоритма раскраски на оставшейся инфраструктуре:
Рисунок 3 Ориентированный граф инфраструктуры
2. Порядок вершин можно представить следующим образом: ^2, БС1 БС2}.
3. Удаляем остальные вершины
Рисунок 4 Удаление лишних вершин графа 4. Раскрашиваем образованные вершины
1 CRAN- архитектура для сотовых сетей, управление которой основывается на облачных технологиях
«ШУШШШУМ-ЛОУГМаУ» #2(И21)), 2022 / TECHNICAL SCIENCE 17
Рисунок 5 Раскрашенные вершины графа 5. Повторяем до тех пор, пока не будут раскрашены все вершины гиперграфа
Рисунок 6 Раскрашенные вершины гиперграфа
На основании полученных данных может быть составлена так называемая карта раскраски, необходимая для понимания распределения ресурсов облачной станции. Применение ориентированного графа между первичными вершина в данной схеме
необходимо для понимания текущего направления (получение или передача трафика) между вершинами для эффективного распределения ресурсов CRAN.
Рисунок 7 Карта раскраски
18
/ «ШУШМУМ-ЛЭШТМаИ» #2125), 2022
Вывод
Создание новых методов распределения ресурсов для таких технологий как сети пятого поколения, не является тривиальной задачей и требует достаточно сильного математического аппарата. На наш взгляд, применение теории гиперграфов может стать одним из направлений решения данной проблемы и позволит оптимизировать производительность сетей 5G. Предложенный алгоритм сопоставления раскраски гиперграфов низкоорбитальных спутников решит проблему гетерогенной сети с облачным управлением.
Литература
1. Носов В.А., Сачков В.Н., Тараканов В.Е. Комбинаторный анализ (неотрицательные матрицы, алгоритмические проблемы), 1983
2. Антонова В.М., Клыгин Д.С. О некоторых особенностях построения сетей пятого поколения для гражданской авиации // ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, ISSN 1684-1719, N4, 2021
3. L. Song et al., Wireless device-to-device communications and networks, Cambridge University Press, UK, 2015. - Режим доступа: https://www.cam-
bridge.org/core/books/wireless-devicetodevice-com-munications-and-net-
works/3CB96CAAD5F3F353E929E4436D93DCA6
4. L. Wang et al., "Hypergraph-based wireless distributed storage optimization for cellular D2D underlays," IEEE JSAC, vol. 34, no. 10, Oct. 2016, pp. 2650-2666.- Режим доступа: https://ieeex-plore.ieee. org/document/7558170
5. H. Zhang, L. Song, and H. Zhu "Radio resource allocation for device-to-device underlay communication using hypergraph theory," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 15, no. 7, Jul. 2016, pp. 48524861.- Режим доступа: https://arxiv.org/abs/1604.03246
6. Y. Sun et al., "Distributed channel access for device-to-device communications: a hypergraph-based learning solution," IEEE Commun. Letters, vol. 21, no. 1, Jan. 2017, pp. 180-183. - Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/7583644
7. Zhu Han, John and Rebecca Moores Professor Electrical and Computer Engineering Departmen Computer Science Department University of Houston, Houston TX. "Hypergraph Theory for Wireless Networking" .- Режим доступа: https://www.springer.com/gp/book/9783319604671
УДК 004.023
Бекенова Д.Б., Кенебаева Д.Б., Абдибекова Л.М.
Университета «Туран-Астана» г. Нур-Султан, Республика Казахстан
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
МЕТОДАМИ СИСТЕМНОЙ ДИНАМИКИ
Bekenova D.B., Kenebaeva D.B., Abdibekova L.M.
University "Turan-Astana" Nur-Sultan, Republic of Kazakhstan
SOME FEATURES OF SIMULATION OF ACTIVITY BY METHODS OF SYSTEM DYNAMICS
Аннотация.
В данной статье рассматриваются особенности имитационного моделирования деятельности методами системной динамики
Abstract.
This article discusses the features of simulation modeling of activities by methods of system dynamics
Ключевые слова: имитационное моделирование (simulation), затраты, динамика, системный анализ, гипотеза, достоверность результатов, адекватность, факторы, устойчивость моделей, анализ предметной области, построение модели системы, построение программной части, анализ результатов.
Keywords: simulation (simulation), costs, dynamics, system analysis, hypothesis, reliability of results, adequacy, factors, stability of models, analysis of the subject area, building a system model, building a software part, analysis of results.
Имитационное моделирование (simulation) — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного
их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.
Имитационное моделирование можно рассматривать как разновидность экспериментальных
