Ученые Лаборатории вычислительной физики МИЭМ НИУ ВШЭ разработали новую модель анализа коммуникационных сетей, которая может значительно повысить анализ свойств и скорости мобильной связи. Для этого исследователи использовали модели физики фазовых переходов и методы вычислительной физики. Оказалось, что работа сотовой сети во многом похожа на рост поверхностей в физике.
Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Physics. Мобильные сети позволяют нам звонить, отправлять сообщения и пользоваться интернетом. Но чтобы эти сети работали без сбоев, нужно уметь моделировать их работу. Моделирование помогает предсказать, как сеть будет вести себя в разных, в том числе экстремальных, ситуациях и что можно улучшить.
Один из ключевых инструментов изучения мобильных сетей — параллельное моделирование дискретных событий (ПМДС). В основе метода — деление системы на множество подсистем, что позволяет параллельно обрабатывать различные процессы. В каждой из таких подсистем существует свое локальное виртуальное время, не совпадающее с реальным. Если локальные времена сильно отличаются друг от друга, что выражается в десинхронизации процессов, то сеть начинает работать медленнее или с ошибками.
Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ Лев Щур и Лилия Жукова изучили, как меняется локальное виртуальное время в модели сотовой связи, и выявили аналогии с процессами роста поверхностей в физике.
«Проведя внимательный анализ процессов, мы заметили аналогии между изменениями локального времени при моделировании сотовой связи и изменением профиля поверхности при ее росте, например, методом напыления, ведь время всегда растет. Физика поверхности — хорошо изученная область, для которой существуют уравнения, позволяющие анализировать и моделировать различные процессы. Мы перенесли знания из этой сферы в область вычислительных технологий и построили модель изменения локальных виртуальных времен», — объясняет Лилия Жукова, доцент департамента прикладной математики Московского института электроники и математики имени А. Н. Тихонова НИУ ВШЭ.
Рост профиля локального виртуального времени в моделях мобильных сетей принадлежит к классу, к которому также относятся различные модели роста пористых материалов, бактериальных культур, формирования галактик.
Ученые сравнили полученные результаты с моделью реальной мобильной сети и обнаружили, что предложенный метод позволяет точно предсказывать критические моменты, когда сеть может начать работать хуже. Благодаря этому можно заранее устранить проблемы и улучшить работу сети.
«С помощью алгоритмов вычислительной физики можно определить момент, когда локальное время перестает расти. Эта точка в физике называется точкой фазового перехода. Мы можем описать, что происходит вблизи нее, и увидеть возможные перебои связи или изменение распределения нагрузки на станции сотовой связи. С этой моделью мы можем предложить индустрии лучшие инструменты для планирования, построения и функционирования мобильных сетей», — рассказывает Лев Щур, заведующий Лабораторией вычислительной физики МИЭМ имени А. Н. Тихонова НИУ ВШЭ.
Исследователи подчеркивают, что понимание того, как параллельные вычисления происходят в реальных высоконагруженных сетях, поможет быстрее и эффективнее моделировать мобильные сети и другие системы, использующие подобные вычисления, в таких областях, как инженерные и компьютерные науки, экономика и транспорт. Работа выполнена с использованием суперкомпьютерного комплекса cHARISMa НИУ ВШЭ.