Версия для печати
Вернуться к списку

ИНВЕСТИЦИИ В БЕСПРОВОДНУЮ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННУЮ ИНФРАСТРУКТУРУ: ОТ СЕТЕЙ СВЯЗИ ДО ПРОЕКТА «ИНТЕРВИДЕНИЕ»

Научная сессия ОНИТ РАН открылась вступительным словом Почетного Президента НИЦ «Курчатовский институт», академика-секретаря ОНИТ РАН академика РАН Е.П.Велихова. Евгений Павлович кратко охарактеризовал направления проводимых работ в российских академических институтах и образовательных учреждениях и наметил перспективы развития совместных проектов отечественных и зарубежных научных организаций.

Научный руководитель ФГБУН «ИППИ РАН», ректор Сколковского института науки и технологий (СколТех), заместитель академика-секретаря ОНИТ РАН академик РАН А.П.Кулешов представил коллективы ученых, проводящие в ИППИ РАН разработки. Александр Петрович отметил, что Институту в 2004 г было присвоено имя основателя – Первого руководителя ФГБУН «ИППИ РАН» академика АН СССР А.А.Харкевича (03.021904–30.03.1965), создавшего в 1961 г академическое учреждение из отдельных научных групп, работавших в сфере радиотехники, электросвязи, информационных технологий и электроакустических аппаратов и приборов.

В выступлении д.т.н., Заслуженного деятеля науки РФ, профессора Е.А.Крука (ФГАОУ ВО «СПГУАП») затрагивалась проблематика кодовых методов передачи информации для беспроводных сетей следующих поколений. Евгений Аврамович сфокусировал внимание участников и гостей научной сессии на современном состоянии теории и практики кодирования, проблематике Big Data («больших данных»), шифровании для сжатии и уменьшения задержки и криптографии с открытым ключом, включая вопросы «легкой криптографии» и «облачной» безопасности. Обсуждались проблемы защиты физического уровня сетей, достижения пределов помехоустойчивости, применения Гауссовского канала и сравнения блоковых и сверточных кодов. Отмечалось, что основными проблемами Big Data являются хранение (в частности, распределение, сжатие и структурирование), обеспечение безопасности (например, при распределенных вычислениях, использовании общих данных или обмене информационными потоками) и передача/прием с полным/частичным задействованием вычислительных ресурсов. В многопользовательских системах часто возникают проблемы при совместном использовании частотно-временных ресурсов.

При хранении Big Data пользователям знакома проблема сжатия: разные данные и различные задачи на базе единой транскодировочной платформы обуславливают применение широкого спектра универсальных и проблемно-ориентированных методов. При структурировании задача агрегации данных напрямую связана с их пошаговым восстановлением, а при структурировании целостность данных благодаря обменным алгоритмам упрощает их поиск. С заоблачных высот на Землю возвращает глубина проработки вопросов обеспечения безопасности при «облачном хранении данных»: в распределенном хранилище общий доступ и структурирование предполагают защиту обработки информационных потоков, а совместные вычисления – их скрытость (например, за счет применения стеганографических технологий). В выступлении были приведены примеры моделирования работы бесшумного многопользовательского суммирующего канала, сжатия изображений с применением различных технологий снижения объема изображений, кодирования на транспортном уровне сети. Поскольку для квантового компьютера, уже созданного канадской компанией «D-Wave Systems» и с 2013 г функционирующего в NASA, существуют высокоэффективные технологии, применяемые для взлома шифров, необходима интенсивная разработка нового поколения алгоритмов защиты данных, предполагающих противодействие квантовым компьютерам для обеспечения безопасности информационных потоков.

Доклад заведующего лабораторией ФГБУН «ИППИ РАН», д.т.н. В.В.Зяблова был посвящен теории информации и кодирования, исторической ретроспективе и перспективам развития телекоммуникационных средств и систем. Виктор Васильевич представил элементы методологии помехоустойчивого кодирования, включая язык и основные принципы, его роль для систем хранения, цифрового ТВ, Интернета, оптической, космической и мобильной связи. В докладе рассматривались особенности развития теории информации и кодирования в СССР и России, сравнивались периоды 1965-1990 и 1991-2016, упоминались руководители и основные работы всемирно-известных научных школ и центров по теории информации и кодирования. В СССР в силу важности решаемых задач регулярно проводились всесоюзные конференции по теории информации и кодирования, представители научных академических институтов отправлялись на международные форумы и симпозиумы, семинары, зимние и летние сессии научных школ. Стажировки научных специалистов и проекты Комитета по науке, правительственная поддержка отраслевых проектов различных организаций в СССР обеспечила длительное успешное развитие отечественной науки в сфере обеспечения информационной безопасности и защиты данных. В новейшей российской истории явной поддержки отрасли не наблюдалось: из-за намеренного снижения финансирования, отъезда высококвалифицированных специалистов за рубеж и естественного увеличения среднего возраста исследователей в настоящее время специалисты РФ стараются сократить технологический разрыв и догнать тройку лидеров из США, ЕС (например, Финляндии) и стран Юго-Восточной Азии (в частности, КНР).

Научное сообщение д.т.н. А.М.Тюрликова (ФГАОУ ВО «СПГУАП») касалось методов поддержки большого числа пользователей в беспроводных сетях пятого поколения. Андрей Михайлович уточнил их количественные характеристики в соответствии с рекомендациями ITU-R M.2083-0 (09/2015): плотность трафика, количество подключенных абонентских устройств на единицу площади, воспринимаемая пользователем скорость, скорость передвижения абонента, спектральная эффективность, задержка на передачу сообщения, максимальная скорость передачи данных и спектральная эффективность. Одной из важных особенностей сетей пятого поколения является взаимодействие устройств без участия человека, что подразумевает интенсивное развитие «доселе дремавших отраслевых сегментов»: «Интернет вещей» и «индустриальный Интернет». Для достижения необходимых значений параметров предлагается ряд организационных и технических решений, включающих применение методов кодирования для каналов множественного доступа и широковещательных каналов, случайного множественного доступа, стохастической геометрии и теории распространения радиоволн, в т.ч., с использованием миллиметрового диапазона, непосредственным (без участия человека) взаимодействием абонентских устройств, совместным применением разных временно-частотных ресурсов разными пользователями, оптимизированной скоординированной работой малых и больших приемопередающих станций и новыми схемами множественного доступа. Для поддержки большого числа абонентов в сетях пятого поколения применяется метод случайного множественного доступа, учитывающий не только изменение моделей с учетом особенностей построения системы для миллиметрового диапазона, но и совместное рассмотрение алгоритмов и процедур «компенсаций конфликтных сигналов», а также переходом от метастабильных к стабильным алгоритмам, в частности, для ограниченной обратной связи. Особенности функционирования системы в том, что древовидные алгоритмы не обеспечивают стабильную работу системы в случае, если абоненты не отличают конфликт устройств от отсутствия передачи. Отметим, что для реализации базового алгоритма с компенсацией конфликтных сигналов требуется неограниченная память и алгоритм не работоспособен при ошибках компенсации.

Выступление к.т.н. А.А.Крещука (ФГБУН «ИППИ РАН») по сигнально-кодовым конструкциям для работы в условиях мощных полосовых помех (представителя научной школы д.т.н. В.В.Зяблова) открылось рассмотрением методов прямой последовательности для расширения спектра и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Алексей Андреевич обосновал принцип, согласно которому при упрощенной передаче в рабочей полосе выбираются несколько блоков из 8 частот для частотно-позиционного кодирования, при этом в каждом блоке передатчиком выбирается одна частота, на которой передается единичный сигнал в течение нескольких OFDM-символов, а задача приемника – выявить, на какой из 8 частот проводилась передача данных. Поскольку передача в каждом блоке производится на одной и той же частоте в течение 45 OFDM-символов, предлагается выбрать несколько последовательностей частот длины 45. Информационный символ будет определять выбор одной последовательности из этого набора. В этом случае каждому OFDM-символу применяется известная передатчику и приемнику псевдослучайная перестановка: перед декодированием приемник применяет обратную перестановку, выбираемую заново для каждого OFDM-символа, и произведение кодов Рида-Соломона может применяться в качестве внешнего кода (представленная схема может функционировать без опции оценки канала). Важно отметить, что приемник мог выбирать ту частоту, на которой получает больше энергии, если бы помеха отсутствовала. Схема прекращает работу в случае мощного препятствующего сигнала, поскольку дисперсия мощной помехи больше мощности полезного сигнала. Разработаны алгоритмы, ориентированные на идентификацию пораженных помехой символов для их игнорирования в процессе декодирования. Иные алгоритмы предназначены для нормализации сигнала с целью снижения влияния мощной помехи, что на модель помехи накладывает ряд ограничений. При приеме по критерию однородности необходимо избавиться от испорченной помехами информации для повышения устойчивости приема, поскольку вероятностные распределения для неправильного и правильного распределений различаются (необходима информация о псевдослучайной перестановке частот для компенсации различий в распределениях).

Поскольку для принятия решений в случае одного распределения для двух выборок применяются разные критерии однородности, для описанной схемы декодирования предлагаются критерий согласия Колмогорова-Смирнова и критерий суммы рангов Уилкоксона: оба критерия с низкой степенью сложности рассчитываются по рангам принятых сигналов в общем вариационном ряду, а критерий суммы рангов применим для декодирования по решетке (декодер Витерби).

В ФГБУН «ИППИ РАН» было проведено компьютерное моделирование для оценки эффективности разработанных алгоритмов декодирования: скорость без учета циклического префикса – 44 кбит/с, выбран тип канала для холмистой местности с относительной скоростью 120 км/ч, спектральная эффективность порядка 1/700, мощность мешающего сигнала на 20-30 дБ выше мощности полезного сигнала с шириной полосы в четверть или в половину ширины полосы приемника. По результатам моделирования в ФГБУН «ИППИ РАН» установлена высокая эффективность конструкции в канале с отношением «сигнал-помеха» 20дБ и «сигнал-помеха» 30 дБ, доказан широкий рабочий диапазон отношений «сигнал-шум» алгоритмов приема, а для определенных параметров канала рекомендуется выбирать конкретный критерий однородности для декодера.

Новый взгляд на обработку сигналов и кодирования в системе широкополосной тропосферной связи был представлен в докладе ведущего инженера ФГБУН «ИППИ РАН» к.т.н. В.Б.Афанасьева и с.н.с. ФГБУН «ИППИ РАН» к.т.н. В.Г.Потапова. Валентин Борисович и Владимир Георгиевич проанализировали стандартный формат последовательной передачи модулированных символов и блоков данных с кодированием, в котором этапы синхронизации по фазе и такту, зондирования канала с поиском и выбором частот занимают много времени в канале с «быстрым замиранием» сигнала. Авторами предложен инновационный подход с применением каскадных кодовых конструкций с Q-KAM и рассчитанным на группирование ошибок внутренним кодом, новым форматом для широкополосного тропосферного канала, совмещением синхронизации и иными принципами коррекции принятого сигнала. В ФГБУН «ИППИ РАН» разработаны новые форматы последовательной передачи модулированных символов и блоков данных с кодированием и различные варианты коррекции принятого сигнала. Например, для случая быстрых глубоких замираний предлагается восстановление символов блока с помощью интерполяции Лагранжа, применение преобразования Фурье и исключение частотных позиций с глубокими замираниями.

В научном сообщении сотрудника Лаборатории методов анализа и синтеза сетевых протоколов ФГБУН «ИППИ РАН» А.Г.Кирьянова получили освещение научные проблемы и технологические решения, связанные с эволюцией Wi–Fi технологий. В 1997 г был разработан первый стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi), согласно которому скорость передачи данных составляла 2 Мбит/с в частотном диапазоне 2,4 ГГц с максимальной шириной канала 22 МГц. В 2016 г по стандарту IEEE 802.11ah скорость передачи данных составит 346 Мбит/с в частотном диапазоне 0,9 ГГц с максимальной шириной канала 16 МГц. Согласно данным ведущих научных лабораторий лидеров рынка, к 2019 г по стандартам IEEE 802.11ax и 802.11ay, скорость передачи данных превысит 10000 и 20000 Мбит/с в частотном диапазоне 2,4 и 60 ГГц с максимальной шириной канала 160 и 8000 МГц соответственно. Присутствие в сети разных типов трафика обуславливает различные требования в обслуживании. Например, скорости передачи данных до 54 Мбит/с достаточно для веб-браузинга и работы с электронной почтой, но при передаче видеопотоков и голосовых данных возможны проблемы с приемом/передачей сигнала. В частности, низкая задержка важна для голосового трафика, а для трансляции видеофайла важно его корректное получение. Т.о., в дополнение к стандарту IEEE 802.11e для выполнения ряда дополнительных требований реализована функция приоритезации трафика, согласно которой общая очередь разделена на 4 по 4 типам категорий, в каждой из которых – свои параметры доступа к каналу. Подобный механизм помогает получать доступ к каналу независимо от других очередей и повысить его пропускную способность при передаче данных различных типов. Но приоритезация не могла гарантировать выполнение ряда дополнительных требований к качеству обслуживания, в частности, ограничений на долю потерянных пакетов данных и ограничений на время доставки пакетов. Для гарантии выполнения требований к качеству обслуживания в дополнении к стандарту IEEE 802.11e был предложен метод детерминированного доступа – передачи по расписанию, генерируемому по степени готовности точками доступа, что позволяет им практически в любой момент выделить ресурс для приемопередающей станции при получении доступа к среде. В стандарте определен механизм выполнения передачи по расписанию, но в нем не указано, как именно расписание составляется для гарантированного выполнения требований к качеству обслуживания. Но как поступить в случае, когда зоны «радиовидимости» разных точек доступа с различными собственными расписаниями пересекаются? Ведь составление собственного расписания передач внутри своей сети не исключает пересечения с расписанием точки доступа соседней сети! Для обеспечения возможности согласования расписаний различными точками доступа к сети в ФГБУН «ИППИ РАН» усовершенствован специальный протокол, описанный в стандарте, но для определения реального объема канального ресурса и пропускной способности требуются дополнительные исследования. При увеличении трафика существенно возрастают нагрузки на точки доступа, поскольку они являются посредниками даже в случае передачи объемов данных между станциями одной беспроводной сети: например, вместо одной «прямой передачи» необходимо выполнить две передачи от станции 1 к точке доступа, и только от нее к станции 2, что снижает пропускную способность и увеличивает время передачи. В дополнении 802.11e разрешено применять «прямые соединения» и реализовывать передачу напрямую между парой станций без промежуточной точки доступа, но в этом случае стал проявляться эффект «скрытой коммуникации»: например, станция B «слышит» передачи соседних станций A и C, находящихся друг от друга вне зоны «радиовидимости». Прямые соединения влияют на неравномерную загрузку каналов даже вплоть до ситуации, когда пропускная способность одного из соединений в сети почти нулевая. Например, в случае насыщенного трафика по соединению C-D, станция B не сможет принять ни один пакет данных от станции A. Теоретические обоснования наблюдаемого эффекта и способы решения возникшей проблемы были впервые получены в ФГБУН «ИППИ РАН». Применение прямых соединений затрагивает вопрос энергосбережения, поскольку получатель и приемник должны находиться в активном режиме одновременно, что предполагает дополнительную синхронизацию. В ФГБУН «ИППИ РАН» был разработан механизм энергосбережения при применении прямых соединений, ставший частью дополнения стандарта 802.11z.

Также на научной сессии ОНИТ РАН состоялся ряд других выступлений, в которых рассматривались результаты проведенных научных исследований и полученные программно-аппаратные решения, повышающие эффективность функционирования беспроводных телекоммуникационных сетей.

Выводы и рекомендации:

1. Научная сессия ОНИТ РАН подтвердила высокий уровень разработок и продемонстрировала мощный кадровый потенциал Отделения старейшей отечественной Академии. Наличие в академических институтах и научно-образовательных учреждениях молодых кандидатов и докторов наук обеспечивает реализацию международных инвестиционных и инновационных проектов в сотрудничестве с ведущими зарубежными вузами и научными организациями стран ЕС и Юго-Восточной Азии. Созданный при активном участии АН СССР не только для оперативной передачи правительственных сообщений, но и для экстренной межгосударственной телекоммуникации, известный отечественный и международный проект телекоммуникационной связи «Интервидение» нуждается в доработке. В частности, в рамках и под эгидой проекта «Интервидение» возможна реализация и различных культурных проектов – например, по аналогии с «Евровидением», международных творческих конкурсов с аналогичным названием.

2. К трехсотлетнему юбилею Российской академии наук, отмечаемому менее, чем через 8 лет – 8 февраля 2024 года, целесообразна реализация ряда мультидисциплинарных проектов, посвященных истории старейшей отечественной Академии. Один из них связан с созданием доступной на академическом сайте полной серии видеофильмов, посвященных всем(!) Президентам Российской академии наук (каждому Президенту – один или несколько видеофильмов). Учитывая, что часть фильмов серии уже издана, необходимо ускорить процесс подготовки материалов для оставшихся фильмов серии (с участием ЮНЕСКО и ряда государственных Национальных Академий Наук): например, переговоры о финансовом участии в фильме о Первом Президенте Академии Л.Л.Блюментросте и инвестиционной поддержке коллектива крупными немецкими компаниями, продолжающими работу и развитие бизнеса «вопреки санкциям» в РФ, могут быть проведены уже во второй половине 2016 года.