Методы использования роя БПЛА для размещения базовых станций 5G
При переходе к технологиям мобильной связи пятого поколения 5G перед исследователями в области телекоммуникаций стоял ряд вопросов, которые предстояло решить в новом стандарте. Ниже перечислены некоторые из них.
Проблема большой плотности сетевых подключений. Как говорит нам концепция Интернета вещей и доступные статистические данные , к сетям связи подключается все больше «вещей», то есть устройств, которые служат не для непосредственного получения сетевых сервисов их владельцем, а сами являются пользователями сетевых сервисов (устройства умного дома, автомобили и т.д.). Это приводит к тому, что плотность сетевых устройств продолжает расти, причем уже не за счет пользовательских устройств (мобильные телефоны, компьютеры), а за счет разнообразных «умных» вещей. И, кажется, пока этот рост не планирует замедляться.
Проблема обеспечения высоких скоростей передачи данных. С недавнего времени в нашей жизни появились такие вещи как видео сверхвысокой четкости, виртуальная реальность и онлайн-игры высокого разрешения. Сейчас работа таких требовательных к полосе пропускания сервисов маловероятна через сети мобильной связи, но разработчики стандартов связи 5G учли возможность предоставления в этом стандарте таких скоростей, которые способны поддерживать работу сервисов с картинкой в высоком разрешении.
Проблема обеспечения сверхмалой задержки. Долгие годы в сетях связи целевой задержкой передачи данных являлись 100 мс, которые гарантируют отличное качество при передаче речи по сети. Но в последние годы у пользователей появляется запрос на меньшую величину задержки передачи данных, так, игровые приложения, приложения дополненной реальности и другие могут требовать задержек около 10 мс, а перспективные приложения, например передача по сетям связи движений и тактильных ощущений потенциально требуют задержек около 1 мс.
Проблема обеспечения сверхвысокой надежности. Помимо описанных выше задач при разработке и внедрении технологий 5G необходимо не забывать и об обеспечении надежности сети. Считается, что для некоторых сервисов, например, при управлении через сеть роботами или для работы беспилотного транспорта, требуется надежность/доступность сети «шесть девяток», то есть отправленный пакет данных должен дойти до адресата с вероятностью 99,9999% .
Для решения данных вопросов был предложен ряд архитектурных и технических решений, например, механизм сетевого слайсинга, позволяющий создавать, по сути, отдельные сети для разных типов приложений (eMBB для приложений, требующих широкополосного доступа и высокой скорости передачи данных, URLLC для приложений, требующих низкой задержки передачи данных и высокой надежности, mMTC для большого количества умных вещей). При этом достаточно остро встает вопрос наличия свободных радиочастот для развертывания полнофункциональных 5G сетей.
В рамках работы над 5G, этот вопрос решается добавлением технологий связи для крайне высоких частот (длина волны 1–10 мм, частоты 30–300 ГГц). Этот частотный диапазон не использовался активно в радиосвязи по причине высокого затухания в атмосфере, однако имеет ряд преимуществ:
обилие незанятых частот, что дает возможность передавать данные со скоростью от 10 Гбит/с, причем в обе стороны (в соответствии с теоремой Шеннона-Хартли полоса пропускания радиоканала прямо пропорциональна доступной этому каналу полосе частот в Гц)
короткая длина волны (от 10 мм до 1 мм) дает возможность уменьшить размеры компонентов приемопередатчиков и использовать более высокий коэффициент усиления
короткая длина волны также дает возможность формирования узкого луча с высокой степенью направленности, что позволяет направлять мощность передачи точно в желаемом направлении с минимальными потерями энергии, а также это дает возможность многократного пространственного использования одного и того же спектра для одновременного обслуживания нескольких пользователей разными радиостанциями (технология MIMO).
При всех указанных преимуществах, с началом рассмотрения миллиметрового диапазона для 5G, заметная часть усилий исследователей в области 5G направлена на преодоление проблем сильного затухания волн миллиметрового диапазона и невозможности огибания препятствий такими волнами.
Сейчас существует общее представление о том, что базовые станции сетей 5G, работающие в миллиметровом диапазоне, должны располагаться гораздо более плотно, чем для сетей 4G и предыдущих поколений, однако не вполне понятно, будет ли существовать техническая возможность располагать их, условно, на каждом столбе.
Одним из способов решения проблемы плотного расположения базовых станций 5G является размещение их на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА).
Как будет организована непрерывная работа БПЛА?
Работа БПЛА в рассматриваемых сценариях будет координироваться через пункт управления, уникальный для конкретной зоны действия. Таким образом, будет единое место, где БПЛА могут храниться в качестве резервных копий и где они могут обслуживаться и подзаряжать аккумуляторы. Заметим, что хранение резервных копий вблизи гарантирует непрерывность обслуживания в случае ЧС, а способность БС обрабатывать передачи обслуживания позволит выполнять «горячую» замену дронов, когда они нуждаются в обслуживании.
Выбор частот для передачи данных
Следует выбирать диапазон частот в зависимости от правил каждой страны и таким образом, чтобы не создавать помех радиосвязи и телеметрии БПЛА по восходящей и нисходящей линии связи.
Сценарии применения дронов
Во всех сценариях дроны действуют как ретранслятор между пользовательским оборудованием и основной наземной БС.
Итак, рассмотрим сценарии использования дронов для размещения БС.
1) С одной стороны, они могут быть развернуты как летающие БС для обеспечения доступа по воздуху к наземному пользовательскому оборудованию. Здесь мы используем в зависимости от направления передачи двунаправленные каналы миллиметроволнового диапазона, состоящие из линий связи A2G и G2A, и передачу на основе неортогонального множественного доступа. Здесь возможны два варианта:
— вариант на основе тестирования луча/тестирования канала и выбора мощности в зависимости от качества канала. Распределение мощности передачи каждому наземному пользователю через неортогональный множественный доступ производится обратно пропорционально качеству его канала. Этот сценарий направлен на оптимизацию вероятности сбоев для каждого наземного пользователя и демонстрирует лучшие суммарные показатели простоев
— в другом варианте используется метод множественного доступа с пространственным разделением SDMA, что актуально в миллиметровом диапазоне частот. Летающая БС оснащена адаптивной антенной и каждый наземный пользователь оснащен антенной. Каждый сформированный узкий миллиметровый луч A2G от летающей БС соответствует только одной группе пользователей, а количество лучей равно количеству приемопередатчиков летающей БС. Преимущество: отличные показатели с точки зрения достижимой скорости передачи данных по восходящей линии связи и многопользовательской емкости.
Такой сценарий может быть использован во время масштабных событий: горячие точки и крупные общественные места, где большое количество пользовательских оборудований перегружает доступные беспроводные ресурсы.
2) С другой стороны, БПЛА могут служить воздушными ретрансляторами для разделенных наземных UE, и даже могут создавать многоуровневую архитектуру FANET. Согласно этому сценарию пакеты данных от пользователя сначала отправляются на начальный БПЛА через доступ по воздуху, а затем передаются другим БПЛА посредством соединения БПЛА в FANET или непосредственно в целевое пользовательское оборудование через ретранслятор БПЛА.
В рамках пространственной конфигурации БПЛА была также рассмотрена оптимизация позиций и траекторий, а также способы эффективного управления развертыванием нескольких БПЛА. Кроме того, была рассмотрена возможность построения кластера БПЛА, состоящих из нескольких БПЛА-кандидатов в пространстве цилиндра.
3) Сценарий с использованием VR. В этом сценарии БПЛА сначала собирают содержимое VR в видимом формате и формате 360*, которое запрашивают пользователи VR, а затем отправляют собранное содержимое в БС с поддержкой кэширования через беспроводные каналы линий связи A2G. Между тем, БС могут напрямую передавать кэшируемое содержимое пользователям. Здесь используется концепция машинного обучения ELSM. Преимущества: надежность и возможность записывать большое количество информации.
Однако, рассмотренные сценарии и методы имеют некоторые недостатки, связанные с использованием миллиметрового диапазона, среди которых:
потери мощности сигнала, когда БПЛА проходит между двумя антеннами в свободном пространстве
атмосферное затухание в миллиметровом диапазоне, которое вызывают атмосферные газы и дождь
чувствительность к эффекту блокировок, т.е. не могут проходить через различные препятствия (стена, тело человека и т.д.)
несоосность луча, которая вызывает потери при распространении в каналах миллиметрового диапазона
Однако, можно заметить, что проблемы блокировки сигнала для взаимодействия БПЛА между собой и взаимодействия БПЛА с наземной инфраструктурой могут быть решены подвижностью БПЛА.
Существует ещё ряд нерешённых проблем маршрутизации между БПЛА и проблем управления роем БПЛА для решения конкретных задач.
Применение беспилотных летательных аппаратов рассматривается как альтернативное дополнение к имеющимся сотовым системам с потенциалом для достижения более высокой эффективности передачи, расширенного покрытия беспроводной сети и улучшенной пропускной способности системы. Чтобы удовлетворить экспоненциально растущий спрос на пропускную способность для будущих беспроводных приложений 5G, наилучшим способом является интеграция беспроводной сети с использованием БПЛА и коммуникацией mmWave.
В рамках данной статьи я хотела бы также выразить благодарность своему научному руководителю кандидату технических наук Выборновой Анастасии Игоревне за помощь в проведении исследований и поддержку.
