Примеры задач летней школы 2021

Задача 1. Алгоритм выбора параметров многоадресной передачи в нисходящем канале при использовании множества антенн на базовой станции

Куратор: Андрей Белогаев 

Студент: Михаил Литвинов

Новые сценарии использования беспроводных сетей, такие как развертывание интеллектуальных транспортных систем, автоматизация производства, сценарии Тактильного Интернета, ставят новые научные вызовы перед разработчиками и исследователями сетей нового поколения. Приложения, работающие в перечисленных сценариях, предъявляют строгие требования к надежности и задержке доставки данных, выполнение которых требует разработки новых решений. Такого рода приложения принято называть в литературе аббревиатурой URLLC (от англ. Ultra-Reliable Low-Latency Communications).

Одним из ключевых способов повышения надежности доставки данных при передаче данных URLLC в нисходящем канале является использование большого числа антенн на базовой станции (англ. Massive MIMO). При точном знании коэффициентов передачи между всеми парами антенн базовой станции и пользовательского устройства (матрицы канала) за счет выбора прекодера (т.е. назначения сигналов и их мощностей по антеннам) можно повысить суммарную мощность принимаемого полезного сигнала на пользовательском устройстве пропорционально числу используемых антенн. В реальных системах измерения качества канала происходят с некоторой периодичностью, а фактическая передача данных осуществляется с задержкой. В связи с этим использование последних измерений для построения прекодера может приводить к тому, что с течением времени реальная мощность принимаемого сигнала может оказаться значительно меньше максимально достижимой (т.е. мощности, которую можно достичь при известном состоянии канала). В случае многоадресной передачи необходимо также учитывать, что различные пользователи-адресаты сообщения могут находиться на различном расстоянии (иметь различные канальные условиях), поэтому оптимально выбранный прекодер, максимизирующий мощность принимаемого сигнала для одного пользователя, не является оптимальным для другого.

В рамках данной задачи предлагается исследовать эффективность известного в литературе метода построения прекодера для многоадресной передачи в сценарии с несколькими URLLC пользователями. Для простоты, сначала предлагается исследовать сценарий с одной группой одноантенных пользователей, принимающих одни и те же данные от базовой станции, использующей для передачи массив антенн.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2021 «Исследование алгоритмов группировки пользователей при многоадресной передаче данных в многоантенных системах» (текст статьи)

Задача 2. Экспериментальное исследование резервирующих сигналов для UL-NOMA

Куратор: Алексей Куреев 

Студент: Руслан Зарипов

Для сетей Wi-Fi характерны ситуации, когда точка доступа принимает сигнал сразу от устройств, при этом сигналы пересекаются во времени и частоте. В современных сетях в таком случае возникает коллизия и ни один из сигналов не может быть успешно декодирован принимающим устройством. Коллизии снижают эффективность работы сети и увеличивают задержки передачи данных. Особенно остро проблема разрешения коллизий и декодирования множества одновременно переданных сигналов встает в плотных беспроводных сетях с большим количеством устройств, подключенных к центральному узлу. Решением данной проблемы является метод неортогонального множественного доступа в восходящем потоке (англ.: Uplink Non-Orthogonal Multiple Access, UL-NOMA), позволяющий декодировать сразу несколько сигналов от разных устройств на точке доступа. В UL-NOMA перед непосредственно передачей кадра с данными устройства Wi-Fi передают резервирующие сигналы, позволяющие точке доступа Wi-Fi выбрать те устройства, которые будут передавать дальше данные в UL-NOMA. Передача в UL-NOMA с помощью резервирующих сигналов позволяет значительно сократить количество коллизий и повысить спектральную эффективность Wi-Fi. В рамках летней школы предлагается исследовать способ резервирования UL-NOMA передачи с помощью передачи ограниченного числа поднесущих в OFDM-символе Wi-Fi. Для этого необходимо разработать передатчик, способный передавать два независимых сигнала, состоящих из ограниченного числа поднесущих, а также приемник, способный детектировать два независимых сигнала. Передатчик и приемник будут собраны на базе SDR USRP 2944R.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2021 «Экспериментальное исследование резервирующих сигналов в UL-NOMA Wi-Fi» (текст статьи)

Задача 3. Разработка и исследование алгоритмов “пропуска полос” при агрегировании частотных каналов в сетях Wi-Fi

Куратор: Илья Левицкий 

Студент: Антон Третьяков

Для повышения скорости передачи данных в сетях Wi-Fi применяется принцип агрегирования частотных каналов: передача данных ведется в более широком частотном канале, объединяющем несколько смежных частотных каналов. Таким образом, при увеличении ширины частотного канала в N раз номинальная скорость передачи данных также возрастает примерно в N раз.

Сети Wi-Fi работают в нелицензированном спектре. Это означает, что кроме рассматриваемой беспроводной сети в данный момент времени другая беспроводная сеть также может вести передачу в том же канале или подканале. Кроме этого, в нелицензированном частотном диапазоне может наблюдаться интерференция от различных устройств и бытовых приборов, в качестве примера которых можно привести микроволновую печь. Из-за возникающих помех передачи данных в беспроводной сети часто могут быть неудачными. Таким образом, при принятии решения об агрегировании нескольких частотных каналов для передачи данных необходимо учитывать уровень интерференции и шума в каждом из них.

Стандарты современных сетей Wi-Fi позволяют гибко агрегировать частотные каналы, в том числе позволяют агрегировать несмежные частотные каналы, “пропуская” некоторые полосы. Однако стандарты технологий содержат только описания правил, которым необходимо следовать, используя тот или иной метод агрегирования, а конкретные алгоритмы применения того или иного метода разрабатываются отдельно каждым производителем оборудования. От того, насколько эффективным будет разработанный алгоритм, зависит производительность выпускаемого устройства.

В рамках данной задачи планируется разработать алгоритмы “пропуска полос” при агрегировании частотных каналов в Wi-Fi. Алгоритм будет зависеть от множества параматров: объема данных на передачу, уровня интерференции в каждом канале, ширину агрегированного канала, используемую сигнально-кодовую конструкцию, мощности передачи и других. Таким образом, разработка эффективного алгоритма является сложной оптимизационной задачей. Для ее решения которой будет построена имитационная модель, учитывающая это множество факторов. С помощью имитационного моделирования будет изучена эффективность разработанного алгоритма пропуска полос и его чувствительность к вышеперечисленным факторам.

Результаты:

• Статья в журнале Информационные процессы «Исследование алгоритмов выбора ширины канала с возможностью пропуска подканалов в сетях IEEE 802.11ax и IEEE 802.11be» (текст статьи)
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Разработка и исследование алгоритмов “пропуска полос” при агрегировании частотных каналов в сетях Wi-Fi» (текст статьи)

Задача 4. Реализация и исследование методов использования нескольких каналов в сетях 802.11be в среде имитационного моделирования ns-3

Куратор: Александр Кротов

Студент: Владислав Парошин

Ширина доступного канала - параметр, определяющий производительность сети Wi-Fi: большая ширина обеспечивает большую пропускную способность. Кроме расширения одной частотной полосы, повысить общую доступную ширину канала можно, используя несколько различных частотных полос. Для этого, например, можно оборудовать беспроводную станцию несколькими радиоинтерфейсами. Две таких беспроводных станции, имеющие возможность обмениваться друг с другом кадрами данных по нескольким частотным каналам, могут передавать больше данных за единицу времени. Каналы, используемые совместно парой станций для обмена кадрами, могут находиться как на далеких друг от друга частотах, так и на близких. В первом случае, управление доступом к среде можно проводить независимо. Во втором случае, в силу наличия взаимной интерференции между соседними каналами, независимый доступ к среде будет неэффективен. Из-за интерференции одна станция не может одновременно принимать и передавать сигнал (non-simultaneous transmission and reception, non-STR) - возможен либо прием, либо передача. В связи с этим доступ к среде должен производиться синхронно для всех близкорасположенных по частоте каналов. Возникает задача обеспечения координации между радиоинтерфейсами.

В рамках данной задачи планируется рассмотреть и исследовать несколько методов доступа к среде в случае использования нескольких каналов non-STR станциями. При помощи имитационного моделирования будет проведено сравнение методов. Разработанные модели позволят выбрать алгоритмы синхронного доступа к среде, повышающие суммарную пропускную способность каналов.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2021 «Исследование многоканальных методов доступа в Wi-Fi 7 с использованием NS-3» (текст статьи)

Задача 5. Математическое моделирование метода доступа к каналу в сетях NB-Fi

Куратор: Дмитрий Банков 

Студент: Полина Левченко

Два года назад был принят предварительный национальный стандарт Российской Федерации ПНСТ 54-2019, который описывает технологию беспроводной передачи данных для Интернета вещей NB-Fi. Это технология LPWAN (англ. Low Power Wide Area Networks, энергоэффективные сети дальнего радиуса действия), которая использует узкополосную модуляцию для борьбы с шумом: устройства передают сигналы в узкой частотной полосе в пределах выделенного частотного диапазона. Центральная частота сигнала выбирается случайно. Для передачи данных "вверх" (от конечных устройств к базовой станции) используются метод доступа к каналу <<Асинхронная ALOHA>>: перед передачей конечные устройства не прослушивают канал. При этом, передача данных "вниз" (от базовой станции к конечному устройству) зависит от того, в каком режиме работает конечное устройство. В частности, устройство, работающее в режиме DRX (Discontinuous Reception) после своей передачи в течение некоторого времени прослушивает канал, и в заданный интервал времени может получить, например, подтверждение успешной передачи. В данном аспекте технология NB-Fi во многом повторяет широко распространённую в мире технологию Sigfox, однако у NB-Fi есть важные особенности.

Во-первых, в NB-Fi устройства могут передавать используя набор сигнально-кодовых конструкций (СКК), которые отличаются друг от друга длительность символов и, соответственно, шириной сигнала по частоте. Сигналы разных СКК имеют разную надёжность и разную вероятность коллизии с другими сигналами. При этом пересечение сигналов от разных СКК не всегда приводит к коллизии: с некоторой вероятностью можно принять хотя бы один из сигналов. Во-вторых, в NB-Fi устройства в случае неуспешной передачи осуществляют повторные попытки передачи через случайное время, выбираемое из некоторого интервала. Ширина данного интервала зависит от СКК: чем длиннее символы, тем шире интервал. В данном случае технология NB-Fi немного напоминает технологию LoRaWAN.

Из-за особенностей СКК и метода доступа к каналу в NB-Fi возникает некоторый простор для оптимизации: распределяя СКК в сети можно снизить вероятность коллизии кадров и, соответственно, повысить пропускную способность сети и энергоэффективность. Для решения данной задачи в рамках летней школы будет разработана математическая модель сети NB-Fi, с помощью которой можно будет выразить показатели эффективности работы сети как функцию от нагрузки на сеть и распределения СКК. Далее на основе разработанной математической модели будет разработан алгоритм назначения СКК устройствам.

Результаты:

• Статья в журнале Информационные процессы: «Анализ эффективности метода доступа к каналу в сетях NB-Fi» (текст статьи)
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Об особенностях метода доступа к каналу в сетях NB-Fi» (текст статьи)

Задача 6. Использование Discrete Density Evolution для оптимизации декодеров свёрточных кодов с малой плотностью проверок

Куратор: Алексей Крещук

Студент: Артем Угловский

Во многих современных стандартах систем связи вы можете найти протоматрицы МПП-кодов, исправляющих ошибки, вносимые каналом. Такие коды просто кодируются и декодируются, а самая сложная задача — их проектирование, то есть выбор хорошей протоматрицы. На практике для этого часто используют Дискретную эволюцию плотностей (Discrete Density Evolution), которая предсказывает распределения случайных величин на выходе декодера, а значит и вероятность ошибочного декодирования.

У МПП-кодов также есть свёрточная модификация, которая превращает код конечной длины в полубесконечный (Spatially-Coupled LDPC). Такие коды сложнее в использовании, но имеют лучшую корректирующую способность. Основная область применения этого класса кодов — волоконно-оптические линии связи. К сожалению, для них очень сложно использовать Дискретную эволюцию плотностей, так как работа декодера существенно меняется в зависимости от времени, прошедшего от «начала» кода. В данном задаче предлагается попробовать несколько подходов для реализации Дискретной эволюции плотностей для свёрточного МПП кода.

В рамках данной задачи можно исследовать и другие проблемы анализа свёрточных МПП-кодов. Например, алгоритм для поиска всех циклов в бесконечном периодическом двудольном графе позволил бы улучшить алгоритмы построения матрицы МПП кода по его протоматрице.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2021 «Использование Discrete Density Evolution при конструировании матриц сверточных кодов» (текст статьи)

Задача 7. Реализация layered schedule для Information Bottleneck

Куратор: Алексей Крещук

Студент: Игнат Мельников

Во многих современных стандартах систем связи вы можете найти протоматрицы МПП-кодов, исправляющих ошибки, вносимые каналом. Такие коды просто кодируются и декодируются, а самая сложная задача — их проектирование, то есть выбор хорошей протоматрицы. На практике для этого часто используют Дискретную эволюцию плотностей (Discrete Density Evolution), которая предсказывает распределения случайных величин на выходе декодера, а значит и вероятность ошибочного декодирования.

Но Дискретная эволюция плотностей позволяет оптимизировать не только выбор матрицы, но и выбор декодера. Наиболее гибким (и современным) подходом к оптимизации декодера является Information Bottleneck. Каждая бинарная операция в декодере задаётся таблицей (Lookup Table), содержимое которой оптимизируется на этапе DDE для максимизации взаимной информации. На практике бывает полезно реализовать обратную операцию (как вычитание для сложения), но задачу выбора таблицы для обратной операции достаточно трудно сформулировать в терминах взаимной информации. В данной задаче предлагается найти хороший теоретический подход для построения обратных таблиц.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2021 «Реализация Layered Schedule для Information Bottleneck» (текст статьи)

Задача 8. Исследование методов обслуживания трафика приложений реального времени в сетях 802.11be при использовании нескольких радиоинтерфейсов

Куратор: Дмитрий Банков

Студент: Кирилл Чемров 

Следующим после 802.11ax основным дополнением к стандарту 802.11 станет дополнение 802.11be или Wi-Fi 7. Одним из главных нововведений данного дополнения станет введение понятия Multi-Link Device (MLD) --- устройств, имеющих несколько радиоинтерфейсов. При помощи нескольких радиоинтерфейсов MLD могут передавать и принимать данные в нескольких частотных каналах одновременно. Новый функционал 802.11be потенциально можно использовать для приоритетного обслуживания трафика реального времени (англ. Real-Time Applications, RTA). Возникает вопрос, как можно наиболее эффективно использовать многоканальный доступ для доставки срочных (требующих задержку не более 10 мс с вероятностью 99.999%) кадров.

В рамках летней школы будут рассмотрены подходы для обеспечения требований на качество обслуживания RTA в сетях 802.11be, в которых также присутствуют станции, передающие не  срочные данные.

Первый подход состоит в том, чтобы совместно обслуживать трафик RTA и не-RTA во всех доступных каналах. Чтобы гарантировать низкие задержки, трафику RTA надо задать приоритетные параметры доступа к каналу. Второй подход состоит в том, что каждая станция использует два канала: основной для передачи данных и служебный для передачи короткого кадра, который сигнализирует о необходимости освободить основной канал для передачи срочных данных. Третий подход предполагает обслуживание трафика RTA и не-RTA в разных каналах. Для этого будет использоваться механизм TID-to-link mapping, который вводится в дополнении 802.11be.  В рамках четвертого подхода, устройство, которому необходимо передать срочный кадр, будет пытаться получить доступ сразу к нескольким каналам и передать кадр в первом доступном канале.

Необходимо разработать модели передачи данных при использовании данных подходов, и исследовать, какой подход более эффективен в зависимости от параметров трафика и сети.

 Результаты:

• Статья в журнале Информационные процессы: «Об использовании многоканальных методов доступа для обслуживания приложений реального времени в сетях Wi-Fi» (текст статьи)
• Статья на конференции ИТиС 2021: «Обслуживание чувствительного к задержке трафика при помощи многоканальных методов доступа в сетях Wi-Fi» (текст статьи).
• Тезисы на 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ: «Многоканальный доступ в IEEE 802.11be для обслуживания приложений реального времени» (победитель, лучший доклад).

Примеры задач летней школы 2020

Задача 1. Предварительный доступ к каналу в сетях Wi-Fi для RTA

Куратор: Дмитрий Банков 

Студент: Кирилл Чемров 

Последние 2 года в комитете по стандартизации сетей Wi-Fi активно развивается тема поддержки приложений реального времени в сетях Wi-Fi. Такие приложения требуют обеспечения низкой задержки (1-10 мс) и высокой надёжности (вероятность потери пакета не выше 1e-5) при передаче данных. Примером таких приложений может служить виртуальная и дополненная реальность, удалённое управление, индустриальные приложения.

Проблема обслуживания трафика реального времени в сетях Wi-Fi состоит в том, что устройства разделяют общий канал и, пока канал занят чьей-либо передачей, устройство не может передавать, даже если у него имеются более срочные и приоритетные данные. В комитете по стандартизации предлагаются различные подходы для того, чтобы в сетях Wi-Fi можно было гарантировать требуемое качество обслуживания. Один из таких подходов предлагается к рассмотрению в рамках летней школы. Суть данного подхода в том, чтобы устройство, планирующее передачу приоритетного пакета данных, заранее получало доступ к каналу и резервировало канал на некоторое время, достаточное для поступления и передачи пакета.

При использовании данного метода возникают вопросы, связанные с тем, насколько заблаговременно должно устройство резервировать канал, насколько подобные резервирования будут вредить другим устройствам (т.к. резервирования отнимают у них канальные ресурсы), причём как передающим несрочные, так и срочные пакеты, и как обеспечить требуемую низкую задержку и надёжную передачу данных, если оценка времени поступления пакета не точная, а "зашумлена".

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2020 «Об эффективности предварительного доступа к каналу для обслуживания трафика реального времени в сетях Wi-Fi (текст статьи)
• Статья на конференции International Conference on Ultra Modern Telecommunications and Workshops (ICUMT) 2020 «Tuning Channel Access to Enable Real-Time Applications in Wi-Fi 7» (текст статьи)

Задача 2. Метод разрешения коллизий для базовых станций NR-U

Куратор: Вячеслав Логинов

Студент: Александр Троегубов

Для того чтобы увеличить пропускную способность сотовых сетей был разработал ряд технологий (LTE-LAA, NR-U), позволяющих базовой станции передавать данные в нелицензируемом диапазоне частот. Поскольку эти частоты уже активно используются беспроводными локальными сетями Wi-Fi, при создании метода доступа было крайне важно обеспечить справедливое и эффективное совместное использование частотных ресурсов устройствами обоих технологий. В связи с этим, в сотовых сетях NR-U используется метод доступа к каналу, имеющий много сходств с методом доступа к каналу в сетях Wi-Fi.

В частности, подобно точкам доступа Wi-Fi, базовая станция NR-U выполняет процедуру отсрочки перед каждой попыткой передачи. Однако базовая станция сотовой сети может начать передачу данных только на границах слотов в лицензируемом канале, что приводит к длинному уязвимому интервалу между окончанием процедуры отсрочки и началом передачи данных. Для того чтобы защитить передачу NR-U во многих работах предлагается посылать в течение уязвимого интервала резервирующий сигнал (шум). Несмотря на то что такой подход положительно влияет на пропускную способность сотовых сетей, он может приводить к значительному ухудшению производительности беспроводных локальных сетей, работающих в том же канале.

В рамках предварительных исследований коллективом лаборатории был предложен метод передачи резервирующего сигнала для базовых станций сотовой сети [1], позволяющий детектировать коллизии с передачами устройств Wi-Fi и повысить эффективность метода доступа NR-U. В ходе летней школы предполагается усовершенствовать предложенный ранее подход, чтобы позволить базовой станции сотовой сети не только детектировать, но и разрешать коллизии. В частности, предполагается что базовая станция будет несколько раз приостанавливать передачу резервирующего сигнала для прослушивания канала и детектирования коллизии, и прекращать передачу в случае её обнаружения.

[1] P. Kutsevol et al. New Collision Detection Method for Fair LTE-LAA and Wi-Fi Coexistence 2019 IEEE 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). – IEEE, 2019. – С. 1-6. ( ​https://www.researchgate.net/publication/337501029_New_Collision_Detection_Method_for_Fair_LTE-LAA_and_Wi-Fi_Coexistence )

Результаты:

• Статья в журнале IEEE Access «Enhanced Collision Resolution Methods With Mini-Slot Support for 5G NR-U » (текст статьи)
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Механизм разрешения коллизий с поддержкой мини-слотов для базовых станций сетей 5G NR-U» (текст статьи)
• Статья на 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ «Новый метод доступа к каналу в нелицензированном спектре в сетях пятого поколения» 
• Статья на конференции ИТиС 2020 «Исследование механизма разрешения коллизий для базовых станций NR-U» (текст статьи)

Задача 3. Построение аналитической модели периодического окна ограниченного доступа для случая коротких слотов

Куратор: Руслан Юсупов

Студент: Елизавета Зажигина

В стандарте IEEE 802.11ah был введён механизм окна ограниченного доступа (Restricted Access Window, RAW). Данный механизм позволяет улучшить производительность беспроводной сети посредством ограничения числа станций, одновременно конкурирующих за доступ к каналу, а также защиты определённых категорий станций, к примеру редко передающих данные сенсоров, от необходимости конкурировать за доступ к каналу с другими станциями, которым требуется передавать данные относительно часто. При использовании механизма RAW точка доступа выделяет станциям специальный интервал времени – окно ограниченного доступа (RAW). Внутри окна могут передавать данные только заранее выбранные станции; для передачи используется метод доступа CSMA/CA, однако параметры этого метода сбрасываются каждый раз когда станции входят в RAW. Точка доступа также может назначить периодическое RAW.

Хотя для механизма RAW уже было построено много аналитических моделей (см. к примеру [1], а также список литературы в [1]), не все аналитические модели являются одновременно точными и вычислительно простыми. В рамках данной задачи предлагается построить аналитическую модель для анализа короткого RAW. Использование короткого RAW позволяет существенно упростить построение модели. В рамках задачи предлагается рассмотреть передачу пуассоновского on-off трафика с использованием короткого периодического RAW.

[1] Evgeny Khorov, Alexander Krotov, Andrey Lyakhov, Ruslan Yusupov, Massimo Condoluci, Mischa Dohler & Ian Akyildiz. Enabling the Internet of Things With Wi-Fi Halow — Performance Evaluation of the Restricted Access Window, IEEE Access 7 (2019) ​https://ieeexplore.ieee.org/document/8826287

Результаты:

• Статья в журнале MDPI Electronics «Analytical Study of Periodic Restricted Access Window Mechanism for Short Slots» (текст статьи)
• Статья на конференции ИТиС 2020 «Построение аналитической модели периодического окна ограниченного доступа для коротких слотов» (текст статьи)
• Статья на 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ «Построение аналитической модели периодического окна ограниченного доступа для случая коротких слотов в сценарии быстрой и надёжной доставки данных»  (Призер 2 степени)

Задача 4. Исследование явления утечки энергии в соседние каналы

Куратор: Илья Левицкий 

Студент: Ярослав Окатьев

Одной из ключевых технологий, обеспечивающих высокую пропускную способность в сетях Wi-Fi следующих поколений, является одновременные передача и прием в соседних каналах (simultaneous transmission and reception, STR). Данную технологию планируется реализовать в дополнении к стандарту Wi-Fi 802.11be, которое будет носить название Wi-Fi 7. Такая передача данных может вызывать интерференцию на принимающем радиоинтерфейсе из-за перекрытия спектральных масок. В результате происходит ухудшение сигнала на приемнике. На качество сигнала влияет также и расстояние между антеннами, поскольку чем ближе находится принимающая антенна к передающей, тем сильнее интерференция со стороны передающей антенны. В связи с этим возникает проблема определения минимального расстояния (в МГц) между соседними каналами при различных положениях антенн, при котором возможно использовать STR с обеспечением заданного значения доли потерянных кадров на принимающем радиоинтерфейсе.

В рамках задачи планируется исследовать взаимное влияние соседних каналов друг на друга во время передачи данных на одном из них. Для этого будет построена экспериментальная установка на базе программно-определяемых радиосистем USRP-2944R. USRP-2944R имеет два независимых радиоинтерфейса, что позволяет реализовать STR как с помощью одного радиоинтерфейса, так и с помощью двух радиоинтерфейсов.

При помощи экспериментальной установки также планируется исследовать чувствительности существующих приемо-передающих модулей на мобильных устройствах в режиме STR. Для этого одна USRP будет вести передачу в непосредственной близости к мобильному устройству, выполняя роль его дополнительного радиоинтерфейса, в то время как другая USRP будет передавать данные мобильному устройству на соседнем канале. Планируемая экспериментальная установка позволяет изменять расстояние между соседними каналами и измерять долю потерянных кадров на мобильном телефоне при заданном расстоянии между антеннами, что позволит определить минимальное расстояние между соседними каналами, гарантирующее заявленные требования к качеству передачи кадров.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2020 «Исследование возможности использования нескольких каналов Wi-Fi в дуплексном режиме» (текст статьи)
• Статья на конференции International Conference Engineering and Telecommunication (En&T) 2020 «Study on Simultaneous Transmission and Reception on Multiple Links in IEEE 802.11 be Networks» (текст статьи)
• Статья на 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ «Исследование возможности использования асинхронной многоканальной передачи мобильными устройствами в сетях Wi-Fi» 
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Исследование возможности использования асинхронной многоканальной передачи мобильными устройствами Wi-Fi» (текст статьи)

Задача 5. Экспериментальное определение порогов Energy Detection в Wi-Fi устройствах

Куратор: Егор Ендовицкий 

Студент: Арсений Пойда 

Важной частью протокола доступа устройства Wi-Fi к каналу является механизм прослушивания среды перед отправкой. Если устройство регистрирует на приемнике сигнал выше некоторого порога Signal Detecton (SD), то оно пытается засинхронизироваться на возможный прием кадра стандарта 802.11. Если же форма сигнала не соответствует преамбуле какого-либо кадра и выше порога Energy Detection (ED), то устройство считает канал физически занятым и воздерживается от передачи или уменьшения счетчика отсрочки (backoff counter). Согласно стандарту, ED порог обычно выставляется на 20dB выше, чем минимальная чувствительность приемника. Тем не менее, производители редко указывают данный параметр в спецификациях устройств, хотя, как показывает имитационное моделирование, влияние этого параметра на производительность сети нужно учитывать: повышение порога ED может существенном образом сказаться на поведении устройств в сценариях с плотным развертыванием беспроводных сетей, и наличии засвеченных и скрытых узлов.

Предлагается собрать установку с помощью программно-определяемого радио, которая бы позволила измерить порог ED в ноутбуках и смартфонах. В качестве программно-определяемого радио будет использоваться USRP RIO, способная формировать сигнал на частотах Wi-Fi. Результаты работы помогут сформировать понимание механизмов приема сигналов в устройствах Wi-Fi и правильным образом производить моделирование беспроводных сетей и их анализ эффективности.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2020 «Экспериментальное определение порогов Energy Detection в Wi-Fi устройствах» (https://elibrary.ru/item.asp?id=46489327)
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Исследование скорости передачи данных и поведения устройств Wi-Fi в условиях сильной интерференции» (текст статьи)

Задача 6. Экспериментальное исследование использования неполного количества пилотных поднесущих для коррекции фазы в NOMA Wi-Fi

Куратор: Алексей Куреев

Студент: Роман Злобин

Для сетей Wi-Fi характерны ситуации, когда точка доступа принимает сигнал сразу от устройств, при этом сигналы пересекаются во времени и частоте. В современных сетях в таком случае возникает коллизия и ни один из сигналов не может быть успешно декодирован принимающим устройством. Коллизии снижают эффективность работы сети и увеличивают задержки передачи данных. Особенно остро проблема разрешения коллизий и декодирования множества одновременно переданных сигналов встает в плотных беспроводных сетях с большим количеством устройств, подключенных к центральному узлу. Решением данной проблемы является метод неортогонального множественного доступа в восходящем потоке (англ.: Uplink Non-Orthogonal Multiple Access, UL-NOMA), позволяющий декодировать сразу несколько сигналов от разных устройств на точке доступа. Реализация данного метода является непростой задачей, и поэтому существует не так много работ, в которых данный метод был реализован. Одной из главных проблем для реализации UL-NOMA в сетях Wi-Fi является перекрытие пилотных поднесущих. В случае, если несколько устройств используют одни и те же пилотные поднесущих, точка доступа не может правильно проводить корректировку фазы и, как следствие оба сигнала принимаются неуспешно.

Для решения данной проблемы предлагается в первую очередь исследовать влияние сокращения числа пилотных поднесущих на прием кадров, чтобы в дальнейшем, при реализации UL-NOMA, разделить все имеющиеся пилотные поднесущие между двумя или более кадрами, передающимся с помощью Uplink-NOMA. Для проверки влияния пилотных поднесущих будет разработана экспериментальная установка на базе программно-определяемого радио USRP RIO. В данной установке уже реализован прототип передатчика и приемника, работающего согласно стандарту IEEE 802.11. Его необходимо модифицировать, чтобы передатчик отправлял информацию не во всех пилотных поднесущих, а приемник, соответственно декодировал только определенные пилотные поднесущие. Результат этой работы будет первым шагом в построении системы Uplink NOMA в сетях Wi-Fi.

Результаты:

• Статья на 64-й Всероссийской научной конференции МФТИ «Разработка приемника поддерживающего неортогональный множественный доступ в восходящем канале в сетях Wi-Fi» (Призер 2 степени)
• Статья на конференции ИТиС 2020 «Экспериментальное исследование использования неполного количества пилотных поднесущих для коррекции фазы в UL-NOMA Wi-Fi» (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46489325)
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Прототип приемника UL-NOMA в Wi-Fi» (текст статьи)
• Статья на конференции IEEE Conference on Computer Communications 2022 (IEEE INFOCOM 2022) «Receiver Design and Frame Format for Uplink NOMA in Wi-Fi» (принята)

Задача 7. Аналитическое исследование Uplink NOMA в сетях Wi-Fi

Куратор: Алексей Куреев

Студент: Григорий Королев 

Для сетей Wi-Fi характерны ситуации, когда точка доступа принимает сигнал сразу от устройств, при этом сигналы пересекаются во времени и частоте. В современных сетях в таком случае возникает коллизия и ни один из сигналов не может быть успешно декодирован принимающим устройством. Коллизии снижают эффективность работы сети и увеличивают задержки передачи данных. Особенно остро проблема разрешения коллизий и декодирования множества одновременно переданных сигналов встает в плотных беспроводных сетях с большим количеством устройств, подключенных к центральному узлу.

Решением данной проблемы является метод неортогонального множественного доступа в восходящем потоке (англ.: Uplink Non-Orthogonal Multiple Access, UL-NOMA), позволяющий декодировать сразу несколько сигналов от разных устройств на точке доступа. В сетях пятого поколения UL-NOMA уже является частью стандарта, в то время как для сетей Wi-Fi его эффективность необходимо доказать.

Для этого в рамках данного исследования будет построена аналитическая модель механизма случайного доступа Wi-Fi с использованием UL-NOMA. Аналитическая модель будет основана на модели Бьянки. Моделируется сеть из N станций, раскиданных в круге радиусом R вокруг точки доступа и передающих в насыщении с одинаковой мощностью P. В каждом кадре присутствует информация о мощности текущего кадра на приемнике. Все станции слышат передачи друг друга. Если мощность приема кадра от выбранной станции выше чем мощность приема кадра, передаваемого в данный момент, то выбранная станция решает осуществить передачу с помощью UL-NOMA с вероятностью p. Необходимо оценить производительность сети Wi-Fi, использующей UL-NOMA и оценить значение p, при котором достигается наибольшая суммарная пропускная способность.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2020 «Имитационное исследование Uplink NOMA в сетях Wi-Fi» (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46489322)
• Статья на конференции International Conference Engineering and Telecommunication (En&T) 2021 «Enabling Synchronous Uplink NOMA in Wi-Fi Networks» (текст статьи)
• Статья на конференции International Conference Engineering and Telecommunication (En&T) 2020 «Performance Evaluation of Uplink NOMA in Wi-Fi Networks» (https://ieeexplore.ieee.org/document/9431276)
• Статья на конференции ИТиС 2021 «Оценка производительности сети Wi-Fi с использованием Uplink NOMA и резервирующих сигналов» (текст статьи)

Задача 8. Разработка алгоритма классификации трафика по данным, содержащимся в обмене ключами шифрования TLS

Куратор: Данил Шамсимухаметов

Студент: Антон Курапов

Классификация трафика в сетях необходима для обеспечения высокого качества совместного обслуживания потоков трафика разных типов. Использование протоколов шифрования современными веб-приложениями не позволяет напрямую анализировать содержание пакетов с данными и определять тип трафика.

Обмен ключами шифрования TLS осуществляется в начале каждого потока данных. Пакеты обмена ключами не шифруются, а поэтому сетевой узел может проанализировать информацию из данных пакетов и тем самым идентифицировать сервер/веб-приложения/тип трафика. Например, было обнаружено, что среди открытой информации, содержащейся в обмене ключами, часто фигурирует доменное имя сервера. Используя данное поле возможно идентифицировать ряд популярных веб-сервисов. Однако ожидается, что в ближайших версиях протокола TLS данное поле будет зашифровано.

В рамках летней школы предлагается разработать алгоритм, который бы анализировал другую информацию, содержащуюся в обмене ключами шифрования, и по ней с высокой точностью идентифицировал вид приложения/тип трафика. Проиллюстрировать влияние различной информации из обмена ключами на финальные результаты классификации.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2020 «Разработка и исследование алгоритмов классификации шифрованного трафика для будущих версий протокола TLS» (текст статьи)

Задача 9. Имплементация модифицированного алгоритма суммирования синусоид в Quadriga

Куратор: Алексей Куреев

Студент: Илья Буртаков 

Классический подход к реализации эволюции канала во времени основанный на реализации Допплеровского смещения на каждом из сигналов, приходящих от разных отражателей, приводит к сильной скореллированности канала во времени и псевдопериодичности сигнала в смысле одинакового расстояния между соседними максимумами. Модифицированный алгоритм суммирования синусоид, предполагающий уточнение параметров отражающих кластеров и уточнение допплеровских частот, может решить эту проблему.

Результаты:

• Статья на конференции ИТиС 2020 «Реализация модифицированного алгоритма суммирования синусоид с учетом доплеровского изменения частоты в Quadriga» (текст статьи)