АНАЛІЗ РОЗВИТКУ МЕРЕЖ ЗВ’ЯЗКУ П’ЯТОГО ПОКОЛІННЯ

Анотація

Стаття присвячена комплексному аналізу ключових аспектів розвитку мереж зв’язку п’ятого покоління
(5G) в Україні. Досліджено актуальні проблеми та перспективи впровадження 5G, враховуючи технологічні,
економічні та регуляторні аспекти. Запропоновано математичні моделі та алгоритми для оптимізації
розподілу радіочастотного спектра, розміщення базових станцій, впровадження віртуалізації мережевих
функцій Network Function Virtualization (NFV) та програмно-конфігурованих мереж Software-Defined Networking
(SDN), а також забезпечення якості обслуговування (QoS) для різних класів трафіку.

Розроблені рішення дозволяють підвищити ефективність розгортання та експлуатації 5G мереж
в умовах обмежених ресурсів. Розроблено математичну модель оптимізації розподілу спектра з використанням
лінійного програмування, яка враховує ефективність використання спектра різними операторами.
Для оптимізації розміщення базових станцій запропоновано підхід на основі теорії ігор, що враховує обмеження
на пропускну здатність та витрати на розміщення при забезпеченні необхідного покриття. Представлено
математичну модель для оптимізації розміщення віртуалізованих мережевих функцій на серверах
з обмеженими ресурсами з метою мінімізації витрат та забезпечення необхідної продуктивності.
Запропоновано алгоритм на основі градієнтного спуску для динамічного управління ресурсами та
забезпечення QoS.

На основі порівняльного аналізу методів оптимізації розроблено інтегрований підхід до вирішення
ключових задач впровадження 5G. Запропоновано математичну модель оптимізації розподілу радіочастотного
спектра на основі лінійного програмування, яка забезпечує підвищення спектральної ефективності на 23–27 %
порівняно з базовими методами. Представлено теоретико-ігровий підхід до оптимізації розміщення базових
станцій, що дозволяє знизити кількість перевантажених секторів на 45 % та підвищити енергоефективність
на 13,3 %. Розроблено генетичний алгоритм оптимізації розміщення віртуалізованих мережевих функцій (VNF),
який забезпечує на 21,4 % вищу утилізацію ресурсів. Експериментальні дослідження підтвердили, що
запропоновані рішення дозволяють досягти загального підвищення ефективності мережі на 20–25 % при
зниженні експлуатаційних витрат на 15–20 %. Результати створюють методологічну основу для ефективного
планування та розгортання мереж 5G в Україні.

Посилання:

1. Shafi M., Molisch A. F., Smith P. J., Haustein T., Zhu P., De Silva P., Tufvesson F., Benjebbour A.,
   Wunder G. 5G: A Tutorial Overview of Standards, Trials, Challenges, Deployment, and Practice. IEEE Journal
   on Selected Areas in Communications. 2017. Vol. 35, No. 6. P. 1201–1221.
   2. Dahlman E., Parkvall S., Skold J. 5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology.
   Academic Press, 2022. 466 p.
   3. Osseiran A., Monserrat J. F., Marsch P. 5G Mobile and Wireless Communications Technology.
   Cambridge University Press, 2021. 439 p.
   4. Parkvall S., Dahlman E., Furuskar A., Frenne M. NR: The New 5G Radio Access Technology. IEEE
   Communications Standards Magazine. 2017. Vol. 1, No. 4. P. 24–30.
   5. Holma H., Toskala A., Nakamura T. 5G Technology: 3GPP New Radio. Wiley, 2023. 448 p.
   6. Agiwal M., Roy A., Saxena N. Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey.
   IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. Vol. 18, No. 3. P. 1617–1655.
   7. Forge S., Blackman C., Bohlin R. The Role of 5G in Private Networks for Vertical Industries.
   European Commission, 2021. 51 p.
   8. Xiao M., Mumtaz S., Huang Y., Dai L., Li Y., Matthaiou M., Karagiannidis G. K., Björnson E., Yang
   K., Chih-Lin I., Ghosh A. Millimeter Wave Communications for Future Mobile Networks. IEEE Journal on
   Selected Areas in Communications. 2017. Vol. 35, No. 9. P. 1909–1935.
   9. Wu Y., Khisti A., Xiao C., Caire G., Wong K. K., Gao X. A Survey of Security and Privacy in 5G
   Networks: Challenges and Opportunities. IEEE Access. 2023. Vol. 6. P. 4850–4874.
   10. Ahmad I., Kumar T., Liyanage M., Okwuibe J., Ylianttila M., Gurtov A. 5G Security: Analysis of
   Threats and Solutions. IEEE Communications Standards Magazine. 2021. Vol. 2, No. 1. P. 49–55.
   11. Liyanage M., Ahmad I., Abro A. B., Gurtov A., Ylianttila M. A Comprehensive Guide to 5G
   Security. Wiley, 2023. 528 p.
   12. Zhang H., Liu N., Chu X., Long K., Aghvami A., Leung V. C. M. Network Slicing Based 5G and
   Future Mobile Networks: Mobility, Resource Management, and Challenges. IEEE Communications
   Magazine. 2023. Vol. 55, No. 8. P. 138–145.
   13. Liang C., Yu F. R., Zhang X. Information-centric network function virtualization over 5G mobile
   wireless networks. IEEE Network. 2015. Vol. 29, No. 3. P. 68–74.
   14. Oughton E. J., Frias Z., Russell T., Sicker D., Cleevely D. D. Towards 5G: Scenario-based
   assessment of the future supply and demand for mobile telecommunications infrastructure. Technological
   Forecasting and Social Change. 2022. Vol. 133. P. 141–155.
   15. Chiaraviglio L., D’Andreagiovanni F., Lancellotti R., Shojafar M., Blefari-Melazzi N., Canali C. An
   approach to balance maintenance costs and electricity consumption in cloud data centers. IEEE Transactions
   on Sustainable Computing. 2018. Vol. 3, No. 4. P. 274–287.
   16. Ordonez-Lucena J., Ameigeiras P., Lopez D., Ramos-Munoz J. J., Lorca J., Folgueira J. Network
   Slicing for 5G with SDN/NFV: Concepts, Architectures, and Challenges. IEEE Communications Magazine.
   2020. Vol. 55, No. 5. P. 80–87.
   17. Mijumbi R., Serrat J., Gorricho J., Bouten N., De Turck F., Boutaba R. Network Function
   Virtualization: State-of-the-Art and Research Challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019.
   Vol. 18, No. 1. P. 236–262.
   18. Обіход Т. В. Перспективи та недоліки 5G зв’язку в Україні / Т. В. Обіход // Інститут ядерних
   досліджень НАН України. Київ, 2023. DOI: 10.13140/RG.2.2.23786.70085.
   19. Zhang H., Dong Y., Cheng J., Hossain M. J., Leung V. C. M. Fronthauling for 5G LTE-U Ultra
   Dense Cloud Small Cell Networks. IEEE Wireless Communications. 2016. Vol. 23, No. 6. P. 48-53.
   20. Гнатюк С. О. Потенціал технологій 5G для відбудови та розвитку України: аналітична
   записка / С. О. Гнатюк // Національний інститут стратегічних досліджень, Центр безпекових
   досліджень. Київ: НІСД [Електронний ресурс].
   21. Barakabitze A. A., Ahmad A., Mijumbi R., Hines A. 5G network slicing using SDN and NFV:
   A survey of taxonomy, architectures and future challenges. Computer Networks. 2023. Vol. 167. 106984.
   22. Бєляков Р. О. Концептуальна модель управління наземно-повітряною мережею MANET і
   FANET класів спеціального призначення / Р. О. Бєляков, О. Д. Фесенко // Вісник Херсонського
   національного технічного університету. 2024. № 1. DOI: 10.35546/kntu2078-4481.2024.1.28.
   23. Конфендрат В. М. Порівняння моделей поширення радіохвиль в умовах міської забудови /
   В. М. Конфендрат, Д. О. Маковеєнко // Цифрові технології. 2020. № 27. С. 86–93 // Одеська
   національна академія зв’язку ім. О. С. Попова, Український науково-дослідний інститут радіо і
   телебачення. Одеса, 2020.