Информационно-телекоммуникационные системы в глобализованном мире

Игорь Дулькейт, к. т. н., ОмГТУ

В статье анализируются роль и место информационно-телекоммуникационных систем в современном мире, их взаимодействие на различных уровнях и основные тенденции развития.

 

Автором ставшего уже привычным термина «глобализация» считается американский экономист Теодор Левитт, который в 1983 г. опубликовал в журнале Harvard Business Review статью «Глобализация рынков». Сегодня глобализация охватила практически все сферы человеческой жизни. В области систем управления свое развитие она получила в концепции «сетецентрической войны» (Network-centric warfare). Ее авторами принято считать начальника штаба ВМС США адмирала Джея Джонсона, вице-адмирала ВМС ВС США Артура Себровски, и профессора Джона Гарстка, которые в январе 1998 г. опубликовали в журнале Proceedings статью «Сетецентрическая война: ее происхождение и будущее» [1].

Названная концепция была доработана и представлена в книге Джона Гарстка, Давида Альбертса и Фреда Стейна [2]. Сегодня сетецентрические подходы в той или иной степени реализуются в системе государственного управления, бизнесе, экономике и технике. В концептуальном плане Себровски и Гарстка представили модель сетецентрической войны как систему, состоящую из трех подсистем: информационной, сенсорной и боевой (рис. 1).

Рис. 1. Модель сетецентрической войны как системы трех компонентов: информационного, сенсорного и боевого

 

Основу всей системы составляет информационная подсистема (средства обработки и представления информации), пронизывающая всю систему. На нее накладываются сенсорная и боевая подсистемы. Элементами сенсорной подсистемы являются «сенсоры» (средства мониторинга – источники информации), а элементами боевой подсистемы – «стрелки» (исполнительные средства – потребители информации). Эти две группы элементов объединяются органами управления и командования.
Несмотря на кажущуюся простоту модели, взаимоотношения между всеми элементами подсистем и самими подсистемами довольно сложные и многоплановые. Международная организация по стандартам (International Standards Organization – ISO) разработала модель, которая описывает различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие задачи должен решать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection – OSI) или моделью ISO/OSI и в определенной степени стандартизует это многоплановое взаимодействие.
Рассмотрим функции уровней модели ISO/OSI, применительно к информационно-телекоммуникационным системам (рис. 2).

Рис. 2. Уровни модели ISO/OSI

 

Физический уровень (physical layer) имеет дело с передачей сигналов по физическим каналам, проводным (кабельным) линиям или радиоканалам и описывает физические характеристики электрических сигналов и соответствующие им параметры телекоммуникационного оборудования. На этом уровне осуществляется поэлементный (побитный) прием/передача сигналов.

Канальный уровень (data link layer) решает задачу повышения частотно-энергетической эффективности информационно-телекоммуникационной системы за счет использования сложных сигнально-кодовых конструкций, с применением различных методов мультиплексирования и разделения физических каналов в целях повышения спектральной эффективности всей системы. Прием и формирование сигналов осуществляется в целом в рамках используемой сигнально-кодовой конструкции. К информационному сигналу добавляется помехоустойчивое кодирование.

Сетевой уровень (network layer) служит для образования транспортной системы, объединяющей несколько канальных уровней. Он имеет дело уже не с сигналами, а с пакетами (packets) данных. Соединения внутри сети осуществляются маршрутизаторами, которые пересылают пакеты сетевого уровня по назначению. Главной задачей сетевого уровня является выбор наилучшего пути – маршрутизация пакетов.

Транспортный уровень (transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека – сеансовому и прикладному – передачу данных с заданной степенью достоверности. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены, утеряны или нарушен порядок их следования. Задача транспортного уровня заключается в том, чтобы устранить искажения пакетов в зависимости от надежности системы передачи данных предыдущих уровней и в соответствии с требованиями к ним со стороны последующих. На этом уровне реализуются, например, такие технологии, как прямая коррекция ошибок (Forward Error Correction – FEC) и автоматический запрос повторения непринятых пакетов (Automatic Repetition reQuest – ARQ).

Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает управление диалогом на нем, в частности, реализуется технологии автоматического составления канала связи (Automatic Link Establishment – ALE) с автовыбором рабочей частоты. Сейчас в системах профессиональной связи используется третье поколение 3G-ALE, которое позволяет:

• производить вызовы корреспондентов;
• согласовывать сетевое время;
• передавать сообщения о качестве связи;
• организовывать зондирование каналов распространения сигналов и определять его режимы;
• устанавливать интервалы и слоты;
• задавать количество сканируемых частот;
• устанавливать лучший канал для ведения связи.

В сетях общего пользования широко внедряется уже четвертое поколение стандарта беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов 4G LTE (Long-Term Evolution), основанного на развитии сетевых технологий GSM/EDGE и UMTS/HSPA, включающего в себя стек протоколов различных уровней.

Уровень представления (presentation layer) обеспечивает преобразование сообщений, передаваемых прикладным уровнем, к виду, удобному для передачи по каналам связи, которые описываются предыдущими уровнями.

Важность этого уровня можно проиллюстрировать на примере цифрового телевизионного вещания. Теоретическая возможность и основные положения цифровой передачи информации были заложены еще в 30-х гг. прошлого века в работах В.А. Котельникова, Найквиста и Шеннона. Практическая реализация цифрового телевизионного вещания стала возможна только после того, как в конце прошлого века группа специалистов Moving Picture Experts Group (MPEG), сформированная международной организацией ISO, разработала протоколы сжатия цифровой видео- и аудиоинформации для передачи их по каналам связи.

Таким образом, уровень представления, по сути, отвечает за возможность практической реализации передачи информации по каналам связи и за выбор последних.

Прикладной уровень (application layer) оперирует единицами данных, которые называются сообщением (message), формируются сообщения в «сенсорной» подсистеме, а их потребителями являются «стрелки» или исполнительные средства, если оперировать терминами сетецентрического управления.

Описываются сообщения прикладного уровня терминами теории информации, из которой известно [4], что характеристикой, позволяющей оценить информационные свойства источника сообщений, является среднее количество информации, приходящееся на одно сообщение, которое называется энтропией сообщения.

Количество передаваемой инфор­мации можно увеличить не только за счет увеличения числа сооб­щений, но и путем повышения энтропии источника, т. е. информационной емкости его сообщений, с учетом степени осведомленности приемника сообщений. Информацию необходимо передавать такими сообщениями, ин­формационная емкость которых используется наиболее пол­но. Этому условию удовлетворяют равновероятные и незави­симые элементы сообщения. Увеличение статисти­ческой взаимосвязи между элементами сообщения ведет к снижению его информационной емкости и уменьшению энтропии источника.

Таким образом, два верхних уровня имеют дело непосредственно с информацией подлежащей передаче по каналам связи, и их задача – максимально повысить информативность сообщения, его энтропию: на прикладном уровне за счет исключения из сообщения информации с высокой степенью вероятности известной получателю, а на уровне представления путем устранения статистической связи между элементами сообщения, поскольку если характер этой связи извес­тен, то часть сообщения является из­быточной и может быть восстановлена по извест­ным статистическим связям.

Именно на верхних уровнях решается задача, являющаяся основой концепции сетецентрического управления – максимальное приближение обработки информации к ее источнику и передача по каналам связи уже обработанной информации с максимальной энтропией.

Однако при передаче сообщения на физическом уровне в него вносятся искажения, обусловленные как каналом распространения, так и несовершенством аналоговой части телекоммуникационного оборудования, что может привести к утрате сообщения полностью или частично. Поэтому на средних четырех уровнях в передаваемые сообщения вносится избыточность, но не информационная, а структурная. То есть вводится известная статистическая зависимость между отдельными элементами сообщения, позволяющая восстановить его на приемном конце.

Практическая реализация такого подхода стала возможной благодаря развитию компьютерной техники, что позволило значительно продвинуться в области обработки информации, и широкому внедрению цифровых методов передачи сообщений, когда подлежащие передаче анало­говые сигналы преобразуются в цифровую форму на пере­дающей стороне до модуляции.

Достижения в микроэлектронике, обеспечившие возможность создавать вычислительные средства, обладающие высоким быст­родействием, малыми габаритами, весом и энергопотреблением, обусловили широкое применение цифровой обработки сигналов. Она включает в себя додетекторную обработ­ку (предварительную фильтрацию), детектирование и последетекторную обработку сигналов цифровыми методами на приемной стороне, а также форми­рование модулированных или манипулированных сигналов на передающей стороне цифровыми методами.

Цифровая обработка сигналов имеет ряд преиму­ществ перед аналоговой:

• значительно более высокая точность обработки сигналов и возможность использования для этого сложных алгоритмов;
• гибкая перестройка алгоритмов обработки сиг­налов, обеспечивающая как создание многорежимных устройств, так и реализацию адаптивных систем с оперативной перестройкой;
• высокая технологичность изготовления устройств обработки, свя­занная с отсутствием необходимости настройки при изготовлении и регулировке в эксплуатации;
• высокая степень совпадения и повторяемость характеристик реализованных устройств с расчетными характеристиками;
• возможность построения саморазвивающихся интеллектуальных систем, способных к реконфигурации, поиску и обнаружению не­исправностей;
• широкие возможности автоматизации проектирования уст­ройств и обеспечения стабильности их эксплуатационных характеристик.

 

Структурно аппаратура с цифровой обработкой сигналов включает в себя аппаратную часть и программное обеспечение – виртуальную часть. В свою очередь, аппаратная часть функционально делится на три части (рис. 3).

Рис. 3. Функциональная схема аппаратной части оборудования с цифровой обработкой сигналов

 

Аналоговая часть (радиомодуль) включает в себя антенно-фидерные устройства, систему предварительной аналоговой фильтрации, усилители сигналов радиочастоты (предусилитель для радиоприемников и усилитель мощности для передатчиков). Если характеристики аналого-цифровой части не позволяют применять прямое цифровое преобразование частоты, используются аналоговые конверторы (повышающие или понижающие) частоты.

Аналого-цифровая часть включает в себя аналого-цифровой преобразователь – АЦП (Analog-to-digital converter – ADC) для приемной части и цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП (Digital-to-analog converter – DAC) для передающей части.

Между АЦП и цифровым вычислителем в радиоприемнике, как правило, используется цифровой понижающий преобразователь (Digital Down Converter – DDC), который переносит спектр сигнала на нулевую частоту с формированием квадратур, осуществляет предварительную цифровую фильтрацию и понижение частоты дискретизации (децимацию) сигнала.

В передатчике между ЦАП и цифровым вычислителем используется цифровой повышающий преобразователь (Digital Up Converter – DUC), который имеет в своем составе два канала интерполяторов для каждой из квадратур передаваемого сигнала, синтезатор косинусного и синусного компонентов сигнала несущей частоты, комплексный перемножитель для квадратур сигнала и несущей частоты. В результате DUC переносит спектр исходного сигнала на радиочастоту, а АЦП формирует действительный аналоговый сигнал, предназначенный для передачи по каналу связи.

Цифровой вычислитель собственно и осуществляет цифровую обработку квадратур сигнала на нулевой частоте, в нем используется цифровой сигнальный процессор (Digital signal processor – DSP). Архитектура сигнальных процессоров по сравнению с микропроцессорами общего применения имеет некоторые особенности, связанные со стремлением максимально ускорить выполнение типовых задач цифровой обработки сигналов, таких как цифровая фильтрация сигналов, дискретное преобразование Фурье и т. п.

Дальнейшим развитием цифровой аппаратуры, является использование принципов открытой модульной архитектуры со стандартными интерфейсами и единой операционной средой, так называемая, технология программируемого радио (Software-defined Radio – SDR) [5], позволяющая программно конфигурировать технические средства в зависимости от решаемых задач.

Сама по себе технология SDR включает две основные составляющие:

• технологию программируемой связной архитектуры (Software Communications Architecture – SCA). Внедрение технологий удаленных аппаратных радиомодулей, связанных между собой и с центром обработки данных высокоскоростными стандартными интерфейсами (рис. 4), влечет за собой расширение его функциональных возможностей и обеспечивает более эффективное использование, так как дает возможность программно конфигурировать аппаратные средства под круг решаемых задач, подключая соответствующие аппаратные модули;

Рис. 4. Технология программируемой связной архитектуры – SCA

• технологию распределенного информационного взаимодействия на базе объектно-ориентированного программного обеспечения (рис. 5), которая обеспечивает взаимодействие аппаратных модулей между собой и другим оборудованием, а также реализует дружественный интерфейс взаимодействия с оператором.

Рис. 5. Технология распределенного информационного взаимодействия на базе объектно-ориентированного программного обеспечения

 

Кроме того, SDR-технология позволяет заменять отдельные аппаратные реализации устройств их программными реализациями. При таком подходе возможно выполнение на одном устройстве нескольких функций, которые раньше осуществлялись разными аппаратными устройствами.

Однако сегодня еще рано говорить о полномасштабном использовании технологии SDR. Речь идет скорее о программно-управляемом оборудовании (Software Controlled Radio – SCR). Эти устройства характеризуются несколько ограниченными функциями программного управления – в первую очередь это возможность программного подключения аналого-цифровых модулей различного назначения и варьирование их параметров в пределах технических характеристик этих модулей.

Основная причина – физический уровень, который ограничивает возможности использования аналоговых устройств. Прежде всего, это антенно-фидерные устройства, которые согласуют на физическом уровне аналого-цифровое оборудование со средой распространения сигналов и в обозримом будущем останутся аналоговыми.

Только за десятилетний период 1980–1990 гг. количество антенн на боевых кораблях основных классов ВМС США практически удвоилось [6]. Это повлекло за собой массу проблем, начиная с электромагнитной совместимости (повышенное затенение антенн, электромагнитные помехи и увеличение площади радиозаметности корабля для радаров) и заканчивая проблемой обслуживания множества различных радиосистем. Поэтому большое внимание было уделено созданию универсальных антенно-фидерных устройств, т. е. интеграции многофункциональных радиотехнических систем на физическом уровне.

Первой программой по указанной тематике стала «Концепция перспективной многофункциональной системы радиодиапазона» (Advanced Multifunctional Radio Frequency Concept – AMRFC) [6, 7]. Ее реализация началась в конце прошлого века в интересах Военно-морских сил США, после того как она была профинансирована Управлением военно-морских исследований (Office of Naval Research – ONR).

В создании аппаратуры и программного обеспечения для этой программы участвовали такие компании, как Lockheed Martin Corporation, Northrop Grumman Corporation, Raytheon и General Dynamics Corporation.

В европейских странах для разработки общей архитектуры многофункциональных радиотехнических систем в рамках Европейского оборонного агентства открыта программа «Наращиваемые многофункциональные системы радиодиапазона» (Scalable Multifunction Radio Frequency Systems – SMFR). В 2002 г. группа европейских стран и ведущих европейских компаний приступила к работе над проектом «Наращиваемые многофункциональные системы радиодиапазона. Компромиссный анализ» (Scalable Multifunction Radio Frequency Systems Trade-off Studies – STRATA).

Суть этой концепции заключается в переходе от одиночных антенн к антенным системам – активным фазированным антенным решеткам с электронным управлением. Активная фазированная антенная решетка состоит из собственно излучающего элемента и активного устройства – приемопередающего радиомодуля, который усиливает передаваемый и (или) принимаемый этим элементом радиосигнал, а также устройства управления, чаще цифрового, осуществляющего фазирование сигналов, поступающих на излучатели для формирования необходимых характеристик антенной системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Наиболее известный и глобальный американский научно-исследовательский проект, использующий фазированную антенную решетку, – «Программа исследования полярных сияний высокочастотным воздействием» (High Frequency Active Auroral Research Program – HAARP) [8]. Его антенное поле показано на рис. 6.

Рис. 6. Антенное поле системы HAARP

 

Таким образом, сохраняется общая концепция сокращения аналоговой части телекоммуникационного оборудования путем использования достаточно простых излучателей и приемопередающих радиомодулей и переноса основной нагрузки по формированию характеристик антенно-фидерных систем на цифровое диаграммообразующее устройство.

Введя в состав радиоинтерфейсной части радиосистемы, кроме антенно-фидерных устройств и приемопередающих радиотрактов, среду распространения радиоволн – физическую среду передачи данных, мы переходим к парадигме системы когнитивного радио (Cognitive Radio System – CRS). Международный союз электросвязи определяет систему когнитивного радио следующим образом [9]: «Радиосистема, которая ис­пользует технологию, позволяющую этой системе получать зна­ния о своей среде эксплуатации и географической среде, об устано­вившихся правилах и о своем внутреннем состоянии; динамически и автономно корректировать свои эксплуатационные параметры и протоколы согласно полученным знаниям для достижения заранее поставленных целей и учиться на основе полученных результатов».

Таким образом, если до сих пор физический уровень рассматривался как инструмент информационного взаимодействия, то в когнитивном радио ему отводится одна из ведущих ролей обеспечения этого взаимодействия. Главная роль делится между верхним прикладным уровнем, определяющим информационную составляющую сообщения, и нижним физическим уровнем, охватывающим физическую среду передачи данных и определяющим телекоммуникационную составляющую информационного взаимодействия. Эти уровни управляют промежуточными, адаптируя их под задачи информационно-телекоммуникационного взаимодействия.

 

Выводы

Глобальное информационное общество в постиндустриальной экономической системе базируется на обеспечении гарантированного доступа ко всем видам инфокоммуникационных взаимодействий, образующих единое информационное пространство, которое, по сути, стирает национальные особенности и различия. Многоплановый характер взаимодействия информационных систем обусловил необходимость нормирования различных уровней такого взаимодействия и формализации задач информационного взаимодействия на каждом уровне.

Возрастающий объем информации, циркулирующей в информационно-телекоммуникационных системах, стимулирует бурное развитие последних. Благодаря прорывным достижениям в микроэлектронике это развитие идет по направлению все более широкого внедрения цифровых технологий как при передаче самих информационных сообщений, так и при обработке сигналов – носителей информации.

Цифровое телекоммуникационное оборудование состоит из двух частей: виртуальной – алгоритмы и программное обеспечение и аппаратной платформы. Последняя, в свою очередь, включает в себя аналоговую, аналого-цифровую и цифровую части.

Главенствующая роль при создании информационно-телекоммуникационных систем принадлежит верхним уровням, определяющим собственно информативность сообщения, его энтропию. На второе место в системах «умного» радио выходит низший – физический уровень, включающий в себя среду распространения сигналов. Оба эти уровня с точки зрения инфокоммуникационной системы априорно заданы и степень ее влияния на них крайне ограничена. Промежуточные уровни служат для адаптивного согласования информационного сообщения и среды передачи информации.

 

Литература

 

1. Cebrowski Arthur K. and John J. Garstka. Network-Centric Warfare: Its Origins and Future. U. S. Naval Institute Proceedings, January 1998.

2. Alberts D.S., Garstka J.J., Stein F.P. Network Centric Warfare: Developing and Leveraging Information Superiority // CCRP Publ., 2nd Edition (Revised). Aug 1999, Second Print Feb 2000, P. 284. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dodccrp.org/files/Alberts_NCW.pdf

1. ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99. Взаимосвязь открытых систем. Базовая эталонная модель. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vak.ru/pub/gost/gost-r-iso-mek-7498-1-99.pdf

4. Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. М.: Советское радио, 1974.
5. Силин А. Технология Software Defined Radio. Теория, принципы и примеры аппаратных платформ // Беспроводные технологии. 2007. № 2. С. 22–27. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/200
6. Леонов Е. Создание многофункциональных радиотехнических систем для надводных кораблей ВМС США и стран Европы // Зарубежное военное обозрение. 2014. № 5. С. 86–93.
7. C. Tavik, I.D. Olin. The Advanced Multifunction RF Concept (amrfc) Test bed electronics and electromagnetics 2005 NRL Review. Р. 133–135.
8. HAARP [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/HAARP
9. Report ITU-R 2152 «Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS)» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0c/06/R0C060000560005PDFE.pdf
10. Mitola J. III; Maguire G.Q. Jr. Cognitive radio: making software radios more personal, IEEE Personal Communications, Volume 6, Issue 4, Aug 1999 Page(s): 3–8 – Digital Object Identifier 10.1109/98.788210.

 

Следите за нашими новостями в Телеграм-канале Connect

Следите за нашими новостями в
Телеграм-канале Connect