С.Б. Макаров
Инфокоммуникации: реальность и перспективы
“Брак между средствами связи и
вычислительной техникой заключен,
медовый месяц позади, и супруги начинают
понимать, как они тесно зависят друг от друга».
Основоположник теории информации Роберт Фано
Инфокоммуникационные цифровые системы становятся всё более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса и из-за того, что цифровая передача предлагает возможности обработки информации, не доступные при использовании традиционной аналоговой передачи. Отличительной особенностью инфокоммуникационных цифровых систем является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличии от аналоговой передачи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов). В инфокоммуникационных цифровых системах задачей получателя информации является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искажённого шумами сигнала, какой именно информационный сигнал из конечного набора был передан источником. Это и является новой технологией цифровой передачи информации. Прежде чем рассмотреть преимущества инфокоммуникационных цифровых систем, попробуем проанализировать их место в пространстве «новых технологий». В определенном историческом периоде развития [1] и наступающем будущем можно выделить основные типы «превалирующего труда», характерных для своего времени (рис.1).

Рис.1. Основные типы «превалирующего труда»
Наверное, можно выделить и другие типы развития общества, но для целей данной работы важно отметить, что инфокоммуникационный период приходит вслед за промышленным. Важным является, что инфокоммуникационные услуги необходимы для людей определённого вида труда. Даже традиционное сельскохозяйственное производство меняется и можно ожидать, что технологии инфокоммуникаций окажутся востребованными и в этой области. Рассматривать человека как источника и получателя информации, а инфокоммуникационные системы как средства обеспечения доставки сообщений было бы справедливым до появления компьютеров. Однако при межкомпьютерном обмене источником и получателем информации становятся электронные устройства, автоматические системы управления и пр. Всё это создает новые условия для прогнозирования развития инфокоммуникаций.

Рис.2. График внедрения новых технологий
Внедрение новых технологий, в том числе и инфокоммуникационных технологий, подчиняется некоторому общему закону, который графически можно представить кривой, изображенной на рис.2. В данном случае эта характеристика проявляется в отношении общества в новым технологиям в различных своих проявлениях, а именно, существующего законодательства, не учитывающего новые технологии, необходимости поиска дополнительных финансовых инвестиций, неготовности к восприятию нового со стороны потенциальных пользователей, рыночные противоречия и пр., что совершенно объективно тормозит появление нового.

Рис.3. Создание электронного правительства
Особая ценность состоит в том, что скачкообразные изменения и теоретически и практически невозможны! Это хорошо видно на примере создания электронного правительства (рис.3). Поэтому, оценивая перспективу, следует понимать объективно существующий переходной процесс и оценивать его параметры, например, продолжительность, глубину впадины разочарований и пр.
Так что же делать с новыми инфокоммуникационными технологиями? Оказывается, их надо не только разрабатывать, но и создавать условия для их внедрения, обеспечивая максимально широкую «полосу пропускания». Конечно, приведённые зависимости носят более качественный, чем количественный характер. Важным является то, что зависимости имеют не монотонный характер – это объективная реальность, которая может быть не замечена в начале пути, но обязательно проявится в процессе практической реализации.
Рассматривая перспективу развития инфокоммуникационных технологий, безусловно важно, анализируя прошлое, заглянуть в будущее по ряду основных показателей. К числу таких, в первую очередь, следует отнести элементную базу инфокоммуникаций.

Рис.4. Развитие элементной базы электроники
С появлением новой элементной базы инфокоммуникационных технологий достигается фантастический экономический эффект (увеличение в 1000 раз за 20 лет). Сама элементная база (лампа, транзистор, микросхема) меняется со временем, обуславливая тем самым время появления новых достижений в инфокоммуникациях. Достижения электроники достаточно наглядно представлены на рис. 4.

Рис.5. Динамика роста инфокоммуникационных систем
Интересен график на рис.5. Динамика роста инфокоммуникационных систем охватывает всё большее число людей. Диаграммы на этом рисунке отражают качественные изменения. Они не учитывают, что развитие инфокоммуникаций происходит настолько быстро, что уже сейчас говорят об использовании интерактивного телевидения, что в принципе меняет создание телевизионных программ и передач. Происходит исчезновение старых компонент (вспомним аналоговое телевидение) и это является определённым тормозом в развитии инфокоммуникационных систем.

Рис.6. Три этапа модернизации
Исчезновение старых технологий, ориентированных на отдельно взятый контент, например, радио и телевидение, с заменой на новые интеграционные решения, состоят из трёх принципиальных этапов: первый цифровизация (рис.6), второй – пакетизация и третий – использование универсальных протоколов, учитывающих возможные требования и особенности передачи, распределения, хранения, защиты информации.
В настоящее время речевой контент сотовой подвижной связи предопределил бурное развитие сотовой телефонии, обладающий при этом новым, очень удобным качеством – мобильностью источника и получателя информации. Это имеет очень серьёзные последствия (рис.7): начиная с банкротства компаний, занимающихся фиксированной связью, до общественно-политических всплесков, связанных с наличием новых услуг (наблюдение за перемещениями абонентов, несанкционированные наблюдения и пр.).

Рис.7. Последствия модернизации
На рисунках 8 и 9 показаны устройства для новых инфокоммуникационных технологий (на примере изделий Санкт-Петербургского государственного политехнического университета): новые модемы OFDM сигналов (рис.8), используемые для передачи информации в телекоммуникационных системах в стандартах WiMAX и LTE и мультисенсорная беспроводная телекоммуникационная система. Мультисенсорная телекоммуникационная система (рис.9), предназначена для беспроводной передачи информации о состоянии (деформации, вибрации, изменении положения в пространстве и пр.) объекта. Информация передаётся с датчиков, включающих в себя сенсор и приёмопередатчик и расположенных на различных частях объекта, на персональный компьютер с возможностью визуализации и сохранения результатов измерений. Программное обеспечение предоставляет собой графический оконный интерфейс и функционирует в операционных системах семейства Windows.

Рис.8. Модемы OFDM сигналов

Рис.9. Мультисенсорная телекоммуникационная система
Новым типом инфокоммуникационных технологий являются метеорные системы связи и передачи данных. В частности, СПбГПУ разработана имитационная модель метеорного прерывистого канала передачи, включающая в себя приемно-передающие блоки, непрерывный канал (рис.10), мешающие станции. Она позволяет провести исследование повышения пропускной способности путём перехода к переменной скорости передачи данных в условиях аддитивного шума и при наличии структурных помех, мешающих приёму информации [9 – 12].

Рис.10. Имитационная модель метеорного прерывистого канала передачи
Для систем цифрового телевидения и радиовещания разработаны цифровые широкополосные сигналы с пониженным пик-фактором колебаний, применяемые в телекоммуникационных системах. В том же СПбГПУ разработано устройство формирования и приёма сигналов с OFDM с большим (5000) числом поднесущих частот. Для снижения пик-фактора используется метод предварительного кодирования блоков входных информационных символов. Найдены коды, позволяющие снизить значение пик-фактора сигналов с OFDM на 6 дБ для 4 и 8 поднесущих при использовании на каждой поднесущей КАМ = 16. Разрабатываются спектрально-эффективные сигналы и алгоритмы их приёма, позволяющие увеличить скорость передачи информации почти в два раза по сравнению с существующими системами стандартов GSM, CDMA.
Исследуются возможности использования стандартов Wi-Fi, Wi-MAX для позиционирования в пространстве предметов и определения координат и перемещений с использованием радиометок. Для наблюдения за перемещениями абонентов разработаны методы позиционирования мобильных абонентов в сетях беспроводного доступа. Для сетей Wi-Fi рассмотрены различные методы «внутреннего» позиционирования мобильных абонентов, основанные на технологии «снятия радиоотпечатков», радиочастотных меток (RFID) и др.
Для сетей WiMax предложен метод «внешнего» позиционирования, основанный на приёме и последующих структурном и семантическом анализе радиосигналов, которыми обмениваются абоненты с сетью в режиме WirelessMAN-OFDMA. Смоделирована составная процедура синхронизации принимаемого OFDM-сигнала. Предусмотрена возможность визуализации результатов работы системы синхронизации на различных этапах в блоках.

Рис.11. Грубая временная синхронизация (временное представление)
Приложением инфокоммуникационных технологий для скрытой передачи информации является стеганография. Разработаны алгоритмы встраивания информационных символов в цифровые изображения (рис.12) и видеофрагменты, основанные на методах стеганографии, цифровой обработки сигналов, теории связи и информации. Методы стеганографии позволяют не только скрытно передавать данные, но и решать задачи помехоустойчивой аутентификации, защиты информации от несанкционированного копирования, отслеживания распространения информации по сетям связи, поиска информации в мультимедийных базах данных.

Фотография без внедрения информации

Фотография с внедрённой информацией
Рис.12. Пример стеганографии: в рисунок справа внедрён весь текст этой статьи
(использована программа АТТ, автор – чл.-корр. АТТ Л.В. Никиенков)
Заметим здесь, что методы стеганографии не являются способом шифрования, – они подобны записям между строк, например, молоком.  Они легко обнаружимы, если наличие таковых известно, по сути, это просто способ компактной передачи информации,– отсюда и название. Но, поскольку «неворужённым глазом» заметить отличие «пустого» рисунка от рисунка, содержащего скрытую информацию, невозможно, то эти методы, конечно, можно использовать в криптографических целях. Гораздо интереснее то, что любая трансформация рисунка приводит к необратимому уничтожению скрытого текста, что делает её полезной для защиты информации от несанкционированного копирования и других подобных целей.
Литература.
1. Аджемов А.С. Телекоммуникации, инфокоммуникации – что дальше? М.: «ИД Медиа Паблишер», 2011.-140 с.
2. Рашич А. В. Применение блочного кодирования для снижения пик-фактора сигналов с OFDM / А.В.Рашич, С.Б.Макаров // Труды СПбГТУ № 507. – СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2008. – С. 170 – 178.
3. Рашич А. В. Снижение пик-фактора сигналов с ортогональным частотным уплотнением / А. В. Рашич, С. Б. Макаров // Научно-технические ведомости СПбГПУ № 2(55)/2008. – СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2008. – С. 79 – 84.
4. Рашич А.В. Снижение пик-фактора OFDM-сигналов с помощью блочного кодирования /А.В.Рашич,С.Б.Макаров, Д.В.Салюк //12-я Санкт-Петербургская международная конференция Межрегиональная информатика-2008. Труды конференции. – СПб. : СПОИСУ, 2008. – С. 141 – 146.
5. Рашич А.В. Принципы обработки изображений : учеб. пособие/А.В.Рашич. – СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2008. – 149 с.
6. Рашич А. В. Метод формирования спектрально-эффективных OFDM-сигналов на основе неортогональных базисных функций / А. В. Рашич, С. Б. Макаров // Научно-технические ведомости СПбГПУ № 2(76)/2009. – СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2009. – С. 94 – 98.
7. Рашич А.В. Метод формирования спектрально-эффективных OFDM-сигналов/ А.В.Рашич // 64-я научно-техническая конференция СПб НТОРЭС им. А.С. Попова. Труды конференции. – СПб. : ООО «Технопромимпорт», 2009. – С. 73 – 74.
8. Рашич А. В.Формирование спектрально-эффективных OFDM-сигналов / А.В.Рашич, С.Б.Макаров // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – С. 45 – 47.
9. Волвенко С.В., Макаров С.Б. Имитационная модель метеорной радиотехнической системы передачи сообщений. Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета. Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. №1, 2007г.
10. Волвенко С.В. Временные и частотные характеристики спектрально-эффективных сигналов для систем метеорной связи. Тезисы докладов 53 научно-технической конференции Санкт-Петербургское НТОРЭС им. А.С. Попова, Санкт-Петербург, 1998.
11. Волвенко С.В., Макаров С.Б. Алгоритмы обработки радиосигналов при пакетной передаче сообщений в системах метеорной связи. Сборник трудов III Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи», Воронеж, май 1997.
12. Волвенко С.В., Макаров С.Б. Модель метеорного канала связи. Труды СПбГТУ №469 «Вычислительная техника, автоматика, радиоэлектроника», Санкт-Петербург, Изд. СПбГТУ, 1997.
13. Ветров Ю.В., Завьялов С.В. Помехоустойчивость приема символов, встроенных в цифровые изображения // Научно-технические ведомости СПбГПУ № 6(113)/2010. – СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2010. – С. 19 – 27.
14. Макаров С.Б., Сиверс М.А., Попов Е.А., Певцов Н.В., Телекоммуникационные технологии: введение в технологии GSM. Учебное пособие для вузов. Издательство Академия, 2006, с.256.
15. Макаров С.Б., Е.А.Попов Влияние нелинейного преобразования ограничительного типа на форму энергетического спектра случайных последовательностей многопозиционных сигналов с АФМ Радиотехника, №4, 2003 год.

– «»