Стенд 5G/6G в НИИТ ВШЭ представляет собой исследовательскую платформу, образовательную лабораторию и основу для создания новых программных компонентов для сетей будущего. Он не только позволяет наблюдать за работой мобильной сети, но и изменять условия её функционирования, а также измерять такие показатели, как скорость передачи данных, задержки, ошибки, использование радиоресурсов и другие параметры. Исследователи планируют использовать стенд для разработки технологий MIMO, O-RAN, xApp и IAB, а также для экспериментов с искусственным интеллектом.
В Научно-исследовательском институте телекоммуникаций (НИИТ) НИУ ВШЭ был создан экспериментальный стенд 5G/6G, на котором можно развернуть тестовую сеть мобильной связи и исследовать её работу в различных условиях. На данный момент на платформе уже работают ключевые программные компоненты 5G, исследователи собирают телеметрию на различных уровнях протокольного стека и проводят тесты MIMO. Следующий этап будет связан с технологиями 6G, включая O-RAN, xApp, IAB, реалистичное моделирование радиоканала и решения на основе нейросетей. В дальнейшем стенд должен объединять научные идеи, компьютерные модели и экспериментальные прототипы.
Физически стенд представляет собой лабораторный комплекс, позволяющий развернуть полноценную тестовую сеть мобильной связи, включающую вычислительные серверы, программные компоненты сети, оборудование для организации радиоканала, программно-определяемые радиосистемы USRP, антенны, пользовательские устройства и средства измерения.
Среди основных компонентов уже реализованной части стенда можно выделить базовую станцию 5G, пользовательское устройство и ядро сети. Управление ими осуществляется через специальный веб-интерфейс, что позволяет запускать и останавливать компоненты, изменять условия радиоканала, формировать нагрузку и отслеживать изменения параметров связи. На экране отображаются состояние сети, характеристики радиоканала, скорость передачи данных, уровень ошибок, отношение сигнал/шум и другие показатели.
Важно отметить, что стенд не ограничивается одним методом проведения экспериментов. Его модульная архитектура позволяет адаптироваться к различным потребностям: для одних исследований критично работать с реальным радиооборудованием, для других — быстро и воспроизводимо моделировать заданные сценарии.
Евгений Кучерявый
Как отметил директор НИИТ НИУ ВШЭ Евгений Кучерявый, уже разработана и функционирует исследовательская платформа 5G, включающая ряд программных компонентов для 6G. На ней развернуты ядро 5G, программная базовая станция OAI gNB, программное пользовательское устройство OAI UE, средства моделирования радиоканала, генерации трафика и мониторинга.
На стенде уже успешно запущены OAI gNB, OAI UE, 5G Core и FlexRIC — платформа для взаимодействия с интеллектуальным контроллером радиосети. Исследователи провели тестирование сборов данных на различных уровнях протокольного стека — MAC, RLC и PDCP — при различных типах трафика. Это позволяет получать детализированную телеметрию о том, как сеть передаёт данные и использует радиоресурсы.
Отдельно была протестирована функциональность MIMO — технологии, позволяющей одновременно передавать несколько потоков данных. Эксперименты проводились как с использованием USRP, так и в программном симуляторе.
Моделирование и эксперимент
Один из примечательных экспериментов на стенде связан со сбором телеметрии из работающей сети 5G. Исследователи сначала запускают базовую станцию, пользовательское устройство и ядро сети, затем создают различные типы трафика. Специальное приложение собирает данные о работе сети: скорость передачи, задержки на разных уровнях протокольного стека, количество занятых радиоресурсов, качество сигнала и ошибки передачи.
Например, при интенсивной передаче данных видно, как увеличивается нагрузка на радиоканал, сколько ресурсов выделяется пользователю и как изменяются скорость и качество передачи.
«Ценность такого эксперимента в том, что мы наблюдаем не абстрактную модель, а работу реального программно-аппаратного комплекса», — подчеркивает Евгений Кучерявый.
Полученные данные могут использоваться для разработки алгоритмов, которые автоматически принимают решения по управлению сетевыми ресурсами. На стенде уже тестировался сбор данных на уровнях MAC, RLC и PDCP при разных типах трафика. Система позволяет получить показатели пропускной способности пользовательского устройства, задержки на уровне RLC и использования радиоресурсов.
Такой подход важен, так как компьютерная модель и физический эксперимент решают разные задачи. Модель позволяет быстро проверять идеи, изменять множество параметров и проводить различные эксперименты. Однако любая модель основана на определённых предположениях. В реальной системе возникают нюансы взаимодействия программных компонентов, задержки обработки, ограничения оборудования, ошибки синхронизации и реальные характеристики радиоканала, которые сложно учесть заранее.
«Моделирование и физический эксперимент не соперничают друг с другом — они решают различные задачи», — отмечает Евгений Кучерявый.
Собственная экспериментальная инфраструктура позволяет пройти весь путь исследования: сначала проверить разработку в программной среде имитационного моделирования, затем встроить её в работающую сеть и проанализировать, как она работает в реальных условиях.
Например, новый алгоритм может хорошо себя показать в математической модели, но после интеграции в сеть может выясниться, что данные поступают недостаточно быстро или что управляющие действия невозможно реализовать через существующие интерфейсы. Стенд позволяет выявить такие ограничения уже на этапе эксперимента.
Скорость, эффективность и интеллектуальное управление
Одно из ключевых направлений развития стенда связано с радиоинтерфейсом. MIMO позволяет одновременно использовать несколько антенн: вместо одного пути передачи данных сеть получает несколько параллельных, что повышает скорость и эффективность связи.
Следующий шаг — massive MIMO, где количество антенн существенно увеличивается. Это позволяет точнее направлять радиосигналы и обслуживать больше пользователей одновременно. Такие технологии могут использоваться не только для повышения скорости данных, но и для анализа окружающей среды (радиозондирование).
Также важны направления, связанные с архитектурой сети. O-RAN подразумевает более открытую архитектуру, где функции сети можно разделять и подключать дополнительные программные приложения. xApp — это небольшое специализированное приложение для управления или анализа сети. Например, оно может следить за нагрузкой и качеством связи и рекомендовать или выполнять изменения параметров работы сети.
Технология IAB, в свою очередь, позволяет использовать мобильную сеть не только для связи с пользователями, но и для сопряжения самих элементов инфраструктуры. Некоторые базовые станции или узлы могут получать связь по беспроводному каналу, что исключает необходимость прокладывать кабель к каждому из них.
Для текущего этапа развития стенда Евгений Кучерявый выделяет три основных направления: MIMO, O-RAN вместе с xApp и IAB. MIMO связано с улучшением радиоинтерфейса и расширением возможностей сети, O-RAN и xApp способствуют переходу от простого наблюдения за сетью к интеллектуальному управлению, а IAB позволяет исследовать более гибкие и распределённые архитектуры будущих сетей.
Следующий этап развития стенда включает интеграцию Sionna для более реалистичного моделирования радиоканала и эксперименты с нейросетевым приемником.
ИИ для сети и сеть для ИИ
Отдельным направлением исследований является искусственный интеллект. Здесь, по словам директора НИИТ, важно различать два аспекта.
«Искусственный интеллект для сети» подразумевает использование ИИ для повышения эффективности работы самой сети: он анализирует телеметрию, прогнозирует нагрузки и оптимизирует использование радиоресурсов.
«Сеть для искусственного интеллекта» — обратный принцип. В этом случае сеть становится инфраструктурой, позволяющей создавать и предоставлять пользователям интеллектуальные услуги.
Одним из практических сценариев, рассматриваемых для стенда, является IMS и ИИ-агенты. IMS представляет собой программную платформу для создания коммуникационных услуг на базе мобильной сети: голосовой связи, мультимедийных и современных интеллектуальных сервисов.
Также в рамках развития стенда планируется создать эмуляционную среду IMS и демонстрационную услугу обработки речи, способную автоматически определять и маскировать отдельные слова или фрагменты аудиопотока. В перспективе во время обычного разговора система сможет в реальном времени обрабатывать речь и предоставлять дополнительные функции — например, перевод разговора, интеллектуальную помощь оператору или автоматическую обработку информации. Для пользователя это будет выглядеть как обычный звонок, однако сеть в процессе будет предоставлять дополнительные интеллектуальные услуги.
Сценарии с использованием IMS, ИИ-агентов и, например, перевода звонков в реальном времени рассматриваются как одно из направлений дальнейшего развития стенда.
Для науки и образования
Стенд создаётся не только как исследовательский инструмент. Он обозначает сразу несколько задач — от научных экспериментов до обучения и предварительной проверки прикладных решений.
Для исследователей это площадка для тестирования новых алгоритмов управления сетью, изучения MIMO, Open RAN, IAB и интеллектуального управления. Для студентов это возможность перейти от теории архитектуры 5G/6G к самостоятельным экспериментам: развернуть сеть, подключить пользовательское устройство, изменить параметры канала, создать нагрузку и проанализировать результаты.
Для стенда уже создан набор лабораторных работ, которые могут быть использованы в образовательных программах университета. Эти работы также могут стать частью программы дополнительного профессионального образования.
Кроме того, стенд может быть использован в совместных проектах с компаниями как площадка для предварительной проверки новых решений. Алгоритм можно разработать, протестировать в программной среде, а затем проверить в составе работающего экспериментального комплекса.
Таким образом, стенд одновременно выступает как исследовательская инфраструктура, образовательная лаборатория и потенциальная площадка для прикладных разработок.
Из лаборатории в промышленное применение
Потенциальные результаты таких исследований могут быть востребованы в различных отраслях.
В промышленности и робототехнике мобильные роботы, датчики и системы видеонаблюдения создают значительную нагрузку на сеть. Для таких сценариев важны надёжность связи, низкие задержки и способность быстро адаптироваться к изменениям нагрузки.
В транспорте и беспилотных системах надёжный обмен данными необходим для автономного транспорта, беспилотников и подключённой инфраструктуры. Здесь могут применяться MIMO, распределённые сети и интеллектуальное управление радиоресурсами.
Ещё одно направление — умные города и новые интеллектуальные услуги. Сеть может объединять множество устройств и одновременно предоставлять сервисы, связанные с обработкой данных и искусственным интеллектом, включая услуги на базе ИИ-агентов.
Отдельный сценарий включает территории, где прокладка кабельной инфраструктуры затруднена или дорогостояща. В этом случае интерес представляет IAB, позволяющий исследовать беспроводные соединения элементов сетевой инфраструктуры.
Однако на пути от научной идеи к промышленному применению находятся несколько этапов. По словам Евгения Кучерявого, сначала формулируется научная гипотеза или создаётся алгоритм, который затем проверяется математически и в программной среде имитационного моделирования. После этого алгоритм встраивается в функционирующую сеть на стенде, где измеряется его влияние на скорость, задержку, ошибки, устойчивость соединения и использование ресурсов.
Если результаты эксперимента положительные, создаётся более завершённая версия решения — программный модуль, xApp, компонент сети или услуга. Следующий шаг — пилотный проект, возможно совместно с индустриальным партнёром. И лишь после подтверждения эффективности технология может быть адаптирована для конкретного продукта, инфраструктуры или отраслевого сценария.
«Стенд закрывает важный промежуточный этап между научной идеей и внедрением. Он позволяет перейти от формулы или компьютерной модели к экспериментально подтверждённому прототипу», — подчеркивает Евгений Кучерявый.
Ближайшие планы
В ближайший год исследователи намерены получить ряд измеримых результатов. Среди них — подтверждение работоспособности MIMO как части стенда, сравнительные измерения пропускной способности при различных конфигурациях передачи, измерения средней задержки и устойчивости передачи данных, а также оценка доли успешно установленных и поддерживаемых сеансов связи.
Кроме того, планируется создать набор воспроизводимых экспериментальных сценариев для MIMO и работающую систему сбора сетевой телеметрии, а также разработать xApp для анализа параметров работы сети и провести первые эксперименты по интеллектуальному управлению сетью.
Несколько задач связаны непосредственно с развитием технологий 6G: развертывание и проверка минимальной цепочки IAB, запуск реалистичного моделирования радиоканала с учётом трёхмерной среды и первые испытания нейросетевого приёмника или функционально близкого решения.
Таким образом, ключевым результатом следующего этапа станет появление экспериментально подтверждённой платформы для сопоставимого измерения скорости, задержки, надёжности и эффективности различных алгоритмов.
В дальнейшем стенд будет расширяться технологиями 6G и инструментами искусственного интеллекта — как для управления сетью, так и для разработки новых интеллектуальных услуг. На данный момент стандарты 6G находятся в процессе разработки международным форумом 3GPP.
Для НИИТ ВШЭ такая инфраструктура выступает связующим звеном между фундаментальными и прикладными исследованиями, подготовкой специалистов и созданием прототипов. Её принципиальное отличие от обычной программной модели заключается в возможности проверки разработки не только в симуляции, но и в работающем программно-аппаратном комплексе, постепенно приближая научный результат к условиям реального применения.