Том 10, № 4 (2024)
ЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬ
Подход к обоснованию требований к качеству видеопотока при FPV-управлении беспилотными системами
Аннотация
В настоящее время ключевую роль в различных отраслях экономики РФ играют гибридные орбитально-наземные сети связи, важной составной частью которых являются беспилотные системы на FPV-управлении. Важным элементом таких систем являются каналы информационного обмена, в составе которых широкое распространение получило использование нейросетевых кодеков. Главным критерием успешности решения ими своих целевых задач является удовлетворение требований к качеству восстановленного видеопотока, что обусловливает особенную актуальность обоснования этих требований.Целью настоящей статьи является представление подхода к количественному обоснованию требований к качеству передаваемого видеопотока. Сущность представленного подхода заключается в том, что требуемые значения показателей качества передаваемого изображения, используемые для обоснования приемлемых нейросетевых кодеков, определяются путем анализа различных видеопотоков, на основе которых формировались воздействия по управлению беспилотными системами, позволившие достичь целей их функционирования. Рассмотрены основные этапы подхода и их логическая взаимосвязь. Предложенный подход базируется на использовании методов статистического и риск-анализа, теории планирования эксперимента и теории вероятностей. Научная новизна предложенного подхода заключается в том, что требования к качеству передаваемого от беспилотной системы к оператору видеопотока, используемые для обоснования приемлемых нейросетевых кодеков, рассчитываются путем анализа совокупности видеопотоков, позволивших достичь целей ее функционирования, что дает возможность избавиться от субъективизма присущего использующимся в настоящее время для решения этой задачи экспертным методам.Теоретическая значимость: доказана возможность использования имитационного моделирования каналов информационного обмена для решения задачи коррекции требований к показателям качества восстановленного видеопотока при FPV-управлении. Предложенный подход также вносит вклад в совершенствование научно-методического аппарата в области проектирования альтернативных кодеков сжатия видеопотока с потерями. Практическая значимость предложенного подхода заключается в том, что полученные с помощью него требования к показателям качества передаваемого видеопотока могут быть в дальнейшем использованы для обоснования оптимальных проектных решений по созданию каналов информационного обмена между беспилотными системами и оператором, что существенно повысит эффективность использования этих систем.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):7-15
7-15
Комплекс моделей позиционирования устройств в сетях шестого поколения. Часть 1. Обзор методов и постановка задачи
Аннотация
Актуальность. На сегодняшний день терагерцовые радиосистемы рассматриваются как технологическая основа интеграции методов и средств радиосвязи и радиолокации в перспективных сетях шестого поколения. Если в сетях 4G LTE возможности позиционирования пользовательских устройств с использованием инфраструктуры базовых станций рассматривались как вспомогательные опции, то в сетях 5G NR технологии определения местоположения (ОМП) стали полноправными сервисами, требования к которым специфицированы наряду с услугами связи. Новой тенденцией позиционирования в сетях 5G NR, по сравнению с сетями 4G LTE, стала однопозиционная оценка координат и ориентации устройства по сигналам единственной базовой станции с возможностью различать прямые и отраженные сигналы. Сети 6G все еще находятся в стадии становления, однако уже можно констатировать, что они знаменуют собой очередной этап эволюции цифровых экосистем, который характеризуется конвергенцией технологий связи, локализации и зондирования радиоэфира и окружающего пространства радиотехническими средствами. Цель. Настоящая работа открывает цикл исследований, посвященный обзору моделей, методов и алгоритмов позиционирования устройств в сетях 6G. Целью цикла является поиск и обоснование новых радиотехнических средств достижения дециметровой точности оценок координат устройств 6G. В первой части цикла выполняется обзор методов и формализация модели сбора первичных измерений.Методом исследования является аналитический обзор состояния проблемы по актуальным научным публикациям, концептуальное моделирование, категориальный подход, экспертное комбинирование, сопоставительный анализ, формализация, математическое и имитационное моделирование.Решение/результаты. В результате обзора методов позиционирования устройств при переходе к сетям 6G актуализируются ключевые показатели эффективности и сценарии ОМП. В результате сопоставительного анализа сетей 5G и 6G систематизируются новые факторы, достоинства и недостатки технологий позиционирования при переходе от сетей диапазона миллиметровых волн к сетям терагерцового диапазона. Формализованная математическая модель сбора первичных измерений используется в имитационной модели оценки точности позиционирования устройств во второй части цикла.Новизна. Настоящий цикл является первым подобным исследованием в отечественном научном сегменте по сетевому позиционированию шестого поколения терагерцового диапазона, в котором в авторской редакции выполнен обзор методов и систематизирован комплекс новых факторов ОМП в сетях связи. Теоретическая значимость обзора-анализа заключается в установлении как технологических препятствий, так и новых возможностей по увеличению точности позиционирования при переходе к сетям 6G.Практическая значимость формализованной математической модели заключается в ее последующей программной реализации для численного обоснования пределов точности позиционирования в сетях 6G.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):73-98
73-98
Модель и методы маршрутизации трафика в сети связи с использованием БПЛА
Аннотация
Актуальность. Развитие сетей 5G и последующих поколений сопровождается развитием новых услуг, в частности, услуг виртуальной, дополненной реальностей, а также телеприсутствия и сетей радиодоступа. В частности, происходит повышение рабочих частот, что ставит дополнительные задачи по организации сети, способной обеспечить требования к качеству обслуживания трафика со стороны новых услуг и обеспечению доступности связи пользователям. Эти задачи могут решаться различными способами размещения точек доступа, в том числе с использованием БПЛА. Такой подход обеспечивает оперативность построения и гибкость структуры сети доступа, но также требует применения методов размещения точек доступа по отношению к пользователям и другим элементам сети связи.Постановка задачи: разработка методов размещения маршрутизаторов в рое БПЛА и выбора маршрутов пропуска трафика при организации сети доступа, в целях повышения эффективности функционирования сети связи.Цель работы: повышение эффективности построения сети доступа с использованием БПЛА за счет разработки методов кластеризации и распределения маршрутизаторов в рое БПЛА. Используемые методы. Исследования проводились с использованием положений теории информации, математических методов оптимизации, методов теории графов и методов кластеризации. Численные результаты получены методом численного моделирования на языке python.Результат. Разработанные модель и методы позволяют произвести распределение маршрутизаторов (точек доступа) сети, размещенных на БПЛА с учетом качества обслуживания и обеспечения построения связной mesh-сети и ее связи с сетью подвижной связи, которые могут быть использованы как в современных, так и перспективных сетях связи.Новизна: разработан модельно-методический аппарат, позволяющий повысить эффективность построения сетей беспроводного доступа с применением БПЛА, в частности позволяющий выбирать позиции размещения маршрутизаторов в рое БПЛА и логическую структуру сети. Разработанный модельно-методический аппарат решает задачу маршрутизации трафика с учетом качества его обслуживания. Практическая значимость: предложенные модель и методы могут быть использованы при организации обслуживания в сетях 5G и последующих поколений. В частности, они позволяют обеспечить доступность связи и оперативность организации сети в случаях недостаточного покрытия, а также в случаях выхода из строя отдельных элементов сети. Возможность выгрузки трафика в локальную сеть позволяет повысить качество обслуживания трафика в сети оператора связи.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):62-72
62-72
Реализация высокомобильного комплекса пеленгации для БПЛА с применением виртуальных магнитных диполей
Аннотация
Актуальность. В условиях развития современных широкополосных систем связи особенно актуальной становится задача выполнения пеленгации сигналов с использованием высокомобильных комплексов пеленгации (БПЛА), которые накладывают ограничения на размеры антенных элементов, на расстояние между ними, что приводит к росту математической ошибки пеленга.Постановка задачи. В статье ставится задача рассмотреть возможность повышения точности пеленгации высокомобильного комплекса путем применения технологии виртуальных магнитных диполей. Особенностью данного метода является минимизация искажений, которые вносятся корпусом-носителем в характеристики измеряемого поля. Для измерения характеристик поля, а также их парциальных компонент применялись векторные антенные элементы. Целью работы является исследование характеристик комплекса радиопеленгации с использованием методов виртуальных магнитных диполей в условиях искажений, вносимых корпусом-носителем. В качестве примера рассматриваются случаи пеленгации разнополяризованных волн, учета влияния обтекателей антенных элементов, оценка предельной точности разрешения, а также шумовой устойчивости. При моделировании использовался метод конечных элементов, реализованный в DS CST Studio Suite 2024. Результаты. Во время исследования на БПЛА с комплексом пеленгации падала плоская волна с разными пеленгами, что позволило проводить наиболее точное исследование. К результатам работы также следует отнести создание модели комплекса радиопеленгации, который может быть установлен на малом БПЛА, обеспечивающего высокую точность пеленгации волн в пассивном режиме.Новизна применяемого метода заключается в формировании виртуальных магнитных диполей на основе измеренных характеристик искаженного электрического поля. Также новизной данной работы являются случаи моделирования, которые связаны с шумовым подавлением, влиянием корпусов антенных элементов, а также оценки предельной разрешающей точности. Практическая значимость заключается в создании модели комплекса радиопеленгации на основе векторных антенных элементов, которые применяются для измерения характеристик электромагнитного поля с последующей пеленгацией на основе магнитного поля. В процессе исследования были рассмотрены все аспекты и случаи влияния внешних факторов на точность радиопеленгационного комплекса.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):48-61
48-61
Прогнозирование трафика трехмерной сети интернета вещей высокой плотности как многомерного случайного процесса
Аннотация
Актуальность рассматриваемой в статье тематики состоит в активной трансформации сетей связи и формировании трехмерной сети связи высокой плотности, которая изменяет структуру трафика данных, поэтому и для такого рода сети рассматривается модель трафика как многомерного случайного процесса.Целью исследования является повышение эффективности прогнозирования сетевого трафика за счет разработки метода, отличительной особенностью которого является прогнозирование трафика как многомерного случайного процесса с учетом взаимной зависимости отдельных потоков, производимых узлами сети. Методы. В работе рассмотрен алгоритм обучения искусственной нейронной сети (ИНС) на основе метода уменьшения значения корня средней квадратичной ошибки RMSE, а также предложены методы прогнозирования с использованием ИНС типа LSTM и адаптации параметров модели к изменяющимся условиям функционирования сети. Применение ИНС типа LSTM для прогнозирования многомерного случайного процесса, описывающего трафик в трехмерной сети высокой плотноcти, может дать лучшие результаты, чем прогнозирование отдельных потоков трафика, как независимых случайных процессов, за счет учета взаимных влияний между различными потоками трафика. Решение. Построение соответствующей модели, сбор статистики (получение обучающей выборки), обучение ИНС и выполнение прогноза требует использования вычислительных ресурсов. Таким образом эффективность прогнозирования можно определить, как снижение ошибки прогнозирования при сохранении объема используемых ресурсов или уменьшение объема ресурсов при сохранении ошибки прогнозирования. В ходе решения научной задачи выявлены критерии для выбора величины единичного интервала (лага), что в совокупности с интервалом прогнозирования существенно влияет на итоговый сценарий. Научная новизна работы заключается в оценке изменения ошибки погрешности при прогнозировании трафика трехмерной сети связи высокой плотности как многомерного случайного процесса, по сравнению с представлением прогноза этого же трафика как множества независимых случайных процессов. Значимость (теоретическая). Эффективность прогнозирования трафика как многомерного случайного процесса в трехмерной сети связи высокой плотности возрастает с увеличением размерности. Таким образом, такой трафик в задачах прогнозирования следует рассматривать как многомерный случайный процесс, размерность которого равна количеству узлов сети, производящих трафик. Значимость (практическая). Полученные в работе результаты в перспективе могут быть использованы с целью оптимизации функционирования системы управления трафиком.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):38-47
38-47
Задача маршрутизации в сети динамических туманных вычислений
Аннотация
Актуальность. В условиях роста трафика, перехода к сетям IMT-2030 и услугам Телеприсутствия, особое место занимают задачи эффективного управления сетевыми и вычислительными ресурсами. Туманные вычисления, как следующая стадия декомпозиции архитектуры многоуровневых облачных вычислений, призваны в корне изменить модели и методы распределения вычислительных задач, повлияв, в том числе, на модели взаимодействия «пользователь-оператор». На данный момент существует целый пласт научных задач для раскрытия возможностей туманных вычислений. Их возможно разделить на ряд направлений, таких как: исследование моделей и методов реализации услуг сверхнадежных сетей связи с ультрамалыми задержками, определенные еще в сетях IMT-2020; исследование моделей и методов обеспечения качества обслуживания, включая качество восприятия; исследование методов живой миграции микросервисов, а также групп типовых микросервисов; исследование моделей и методов распределения ресурсов динамических туманных вычислений с обеспечением устойчивости форм туманных вычислений (кластера, туманности); одним из потенциально эффективных направлений является исследования в области объединения федеративного обучения (Federated Learning) с динамическими туманными вычислениями. В данной статье решается задача маршрутизации, которую можно отнести к направлению инфраструктурных исследований динамических туманных вычислений. Постановка задачи: исследование эффективных методов определения маршрутов в сети динамических туманных вычислений, в том числе для задач миграции микросервисов услуг Телеприсутствия. Цель работы: исследование и разработка эффективного метода поиска пути миграции микросервисов в сети туманных вычислений, который мог бы обеспечивать учет характеристик соединений (граней графа сети), вычислительные возможности, ограничения устройств туманных вычислений, и их особенности – динамичность устройств вычислений. Используемые методы: для апробации предложенного метода была разработана модель в среде симулятора NS-3. Анализ полученных результатов показал эффективность предложенного метода в рамках поставленной задачи и различных сценариях применения. Новизна: разработан метод миграции микросервисов в качестве нового протокола маршрутизации в среде динамических туманных вычислений, отличающийся от известных тем, что этот метод обеспечивает взаимодействие устройств туманных вычислений для миграции микросервисов, при этом позволяет достичь снижения потребляемой энергии устройствами туманных вычислений на 41 % и уменьшить долю потерянных пакетов в среднем до 34 %. Практическая значимость: разработанный метод может быть использован при реализации туманных вычислений в условиях подвижности конечных устройств, в том числе с целью достижения требований перспективных услуг сетей IMT-2030.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):27-37
27-37
Анализ методов управления дисперсией для поддержания квазисолитоного режима распространения импульсов в высокоскоростной волоконно-оптической системе связи
Аннотация
Актуальность. С каждым годом возрастает необходимость в увеличении пропускной способности и дальности передачи данных в волоконно-оптических системах связи. Исследование методов управления дисперсией является актуальным и способствует поддержанию квазисолитонного режима, что важно для обеспечения высокоскоростной и надежной передачи данных в современных телекоммуникационных сетях. Проведенное моделирование и расчеты параметров волоконно-оптической системы связи делает исследование практическим и прикладным, что позволяет инженерам и исследователям точно прогнозировать поведение системы и оптимизировать ее характеристики до внедрения в реальных сетях.Постановка задачи: исследование процессов поддержания квазисолитонного режима в волокнах с уменьшающейся хроматической дисперсией и при чередовании волокон с разными знаками дисперсии, как с начальным чирпингом, так и без него.Цель работы: разработка и анализ методов управления дисперсией для поддержания квазисолитонного режима распространения импульсов в одномодовом оптическом волокне.Используемые методы: исследование процессов поддержания квазисолитонного режима проходило с помощью методов математического и численного моделирования. Для апробации методов был проведен теоретический анализ и расчеты, а также разработаны схемы квазисолитонной волоконно-оптической системы связи и проведено имитационное моделирование. Анализ результатов показал эффективность предложенного метода, продемонстрировав работоспособность и устойчивость предложенных решений в условиях, близких к реальным.Новизна: разработаны модели волоконно-оптических систем связи для поддержания квазисолитонного режима и методики их исследования, проведен анализ наиболее эффективных методов поддержания длительности и пиковой мощности квазисолитонных импульсов на больших расстояниях.Практическая значимость: разработанные модели и методики их исследования могут быть использованы в учебном процессе факультета инфокоммуникационных сетей и систем СПбГУТ и при создании реальных волоконно-оптических систем связи.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):16-26
16-26
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Энергоэффективный алгоритм выбора маршрута передачи данных в беспроводных сенсорных сетях высокой плотности
Аннотация
Актуальность. Повышение числа сенсорных устройств на единицу площади, как следствие, сокращает физическое расстояние между устройствами сенсорной сети. Такие сети, как правило, разворачиваются на большой площади и сенсорное устройство, которое хочет передать пакет данных, располагается далеко от базовой станции. В таком случае перед устройством-источником ставится задача выбрать такой путь передачи, при котором затрачивается наименьшее количество энергетических ресурсов и удовлетворяет требованиям времени доставки. Целью настоящего исследования является разработка и обоснование эффективности применения эмпирического алгоритма выбора маршрута передачи данных, снижающего энергопотребление беспроводных сенсорных сетей высокой плотности. Используются методы системного анализа, аналитического моделирования, геометрии и теорий вероятностей. Решение. Предполагается, что сенсорная сеть развернута на ограниченной территории и представляет собой совокупность устройств, которые связаны друг с другом информационно и энергетически. При построении маршрутов передачи данных допускается использование любых сенсорных устройств в качестве ретрансляторов. Новизна. Разработана новая математическая модель, основанная на теореме косинусов и формуле Фрииса, которая позволяет выбрать рациональный маршрут передачи данных от оконечного устройства на системный координатор по критерию совокупного энергопотребления всеми устройствами, составляющими маршрут. Значимость (теоретическая). Получены зависимости уровня энергопотребления от различных системных параметров, влияющих на процессы функционирования беспроводных сенсорных сетей высокой плотности.Значимость (практическая). Предложенный эмпирический алгоритм выбора рационального маршрута передачи данных в беспроводной сенсорной сети позволяет определить среди всех альтернативных тот маршрут к координатору, который требует наименьшей мощности. Эффективность предложенного эмпирического энергосберегающего алгоритма подтверждена имитационным моделированием.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):100-109
100-109
Обеспечение информационной безопасности интегрируемых информационных систем на базе доверия
Аннотация
Актуальность. Информационные системы интегрируются между собой, что приводит к необходимости обеспечить доверие к интегрированной системе. Обеспечение доверия требует формализовать понятие доверия, изучить его природу и структуру. Цель работы: снять противоречие между потребностями, предоставить доступ к ресурсам результирующей интегрированной системы и обеспечить выполнение требований информационной безопасности каждой из интегрируемых систем за счет формулировки понятия доверия с позиции информационной безопасности. Для чего были использованы методы системного анализа, теории управления рисками, резолюций, синтеза операторного уравнения iSOFT.Результаты. Выявлены основные недостатки существующих подходов к формализации понятия «доверие». На базе модели FIST информационной системы разработана функциональная структура доверия и оформлена в нотации IDEF0 для всех уровней интегрируемых информационных систем: обеспечивающего уровня, уровня персонала, уровней аппаратного и программного обеспечений. Приведены примеры нарушения доверия и примеры инструментов создания доверия для каждого уровня информационной системы. Адекватность модели проиллюстрирована на примере реальной интеграции информационных систем. Применение предложенной модели доверия позволило выявить особенности, которые увеличивают риски информационной безопасности для интегрированной информационной системы из примера. Новизна. Предложена трактовка доверия как меры информационной безопасности в отличие от «риска» как меры опасности, а также ‒ инструмент количественного оценивания доверия. Сформулировано и доказано методом резолюций необходимое и достаточное условие создания максимального доверия в информационной системе.Практическая значимость. Предлагаемая модель доверия может использоваться при разработке руководящих документов, регламентирующих процесс интеграции информационных систем, при выдвижении требований к обслуживающему персоналу и созданию программ его обучения, для разработки средств защиты информации и методик их применения.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):110-125
110-125
Прогресс в теории прикладной криптографии: обзор и некоторые новые результаты. Часть 1. Ключевая криптография
Аннотация
В настоящей работе, состоящей из двух частей, представлены как уже опубликованные ранее (но труднодоступные) результаты, так и новые. Актуальность данной работы заключается, во-первых, в том, что в последнее время получен ряд новых результатов в области прикладной криптографии, которые нуждаются как в разъяснении, так и в практическом применении. Именно это и является основной целью настоящей работы. Постановка проблемы в первой части статьи касается сложности взлома симметричных шифров, в то время как во второй части статьи обсуждается так называемая бесключевая криптография, а именно: концепция канала прослушивания, реализация каналов связи, позволяющих обеспечить информационную безопасность без процедуры обмена ключами между легитимными корреспонденциями. В работе широко используются методы прикладной математики, а именно: алгебры, чисел, вероятностей и теории информации. Также используется компьютерное моделирование. Новизна первой части работы заключается в следующем: во-первых, проясняется смысл ограничения времени жизни ключа для различных режимов симметричного шифрования, во-вторых, поясняется подход взлома шифра с использованием квантовых компьютеров, в-третьих, подробно исследуется аутентификация ключа для протокола Диффи ‒ Хеллмана на основе технологии «спаривания» мобильных устройств. Во второй части статьи представлена уязвимость криптосистемы Дина ‒ Голдсмита при некотором расширении атак. Основными результатами данной статьи являются: оценка времени жизни ключа для симметричного шифрования в режиме CBC, прояснение алгоритма Гровера взлома симметричных шифров методом грубой силы, разработка метода аутентификации значений Диффи ‒ Хеллмана на основе предварительно распределенных последовательностей, выбор шифров, позволяющих работать с протоколом Шамира без предварительного разделения ключа, взлом протокола Дина ‒ Голдсмита при некоторых условиях, доказательство факта о возможной взламываемости протокола разделения ключа по бесшумным каналам связи. Практическое применение результатов статьи заключается в стимулировании правильного выбора шифров и их параметров с целью обеспечения их устойчивости к различным атакам и большего внимания к алгоритмам бесключевой криптографии.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):126-141
126-141
Интеллектуальный метод мутации входных корпусов с обратной связью
Аннотация
Фаззинг-тестирование представляется одним из эффективных способов повышения надежности программного обеспечения и входит в обязательный перечень мероприятий, проводимых на этапе квалификационного тестирования согласно национальному стандарту ГОСТ Р 56939-2016. Использование штатных мутаторов сводит реализацию данной задачи практически к полному перебору, что негативно сказывается на времени обнаружения некорректного поведения программы. В этой связи актуальным является вопрос рационализации подбора входных данных, при котором учитывается специфика корпуса данных, а также контекст, описывающий реакцию тестируемого программного обеспечения и позволяющий определить область и метод мутации на следующей итерации тестирования.Цель настоящей работы ‒ повышение эффективности фаззинг-тестирования за счет интеллектуализации штатного мутатора с использованием аппарата нейронных сетей, предполагающей учет синтаксических и семантических особенностей входного корпуса и использующей обратную связь от тестируемой программы.Методы исследования. При выполнении работы использовались методы анализа и синтеза, теории алгоритмов, дискретной и вычислительной математики, машинного обучения. Результаты. Рассмотрены преимущества и недостатки штатного модуля модификации входных корпусов – мутатора – фаззера AFL. Приведено обоснование выбора искусственной нейронной сети на базе архитектуры долгой краткосрочной памяти в качестве механизма, реализующего интеллектуальное управление процессом генерации и преобразования входных корпусов. Описан предлагаемый метод мутации, подразумевающий интеграцию в работу штатного мутатора механизма принятия решения об объеме и формате необходимых мутаций для увеличения покрытия кода, а также последующее уточнение входных данных шелл-кодом для проверки работоспособности фрагмента, вызвавшего нештатное поведение программного обеспечения. Представлена схема работы модуля мутации, включающего в себя компонент преобразования входных корпусов для генерации трасс исполнения программы и компонент, направленный на подтверждение концепта и повторный вызов нештатного поведения программного обеспечения с использованием сформированного шелл-кода.Научная новизна. В отличие от известных предлагаемый метод использует обратную связь, фиксирующую реакцию программного обеспечения, при формировании стратегии мутации данных, что определяет научную новизну полученных результатов. Значимость. Предложенное решение позволяет уменьшить время тестирования программы при сохранении уровня покрытия кода. Полученные в работе результаты являются универсальными и, в перспективе, могут быть использованы при фаззинг-тестировании методами белого, черного и серого ящика.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(4):142-148
142-148