Том 10, № 3 (2024)
КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКА
Анализ подходов к оптимизации V2X-систем: кластеризация, граничные и туманные вычисления
Аннотация
В обзорной статье ставится задача по анализу существующих решений для систем связи на основе технологии Vehicle-to-Everything (V2X) при использовании механизмов кластеризации и периферийных вычислений с целью определения концептуальной модели V2X-системы и наиболее значимых показателей качества обслуживания (QoS) с учетом применения указанного комплекса технологических решений. Новизна работы состоит в том, что исследование направлено на выявление возможностей интеграции механизмов кластеризации, граничных и туманных вычислений для определения оптимальных решений по развертыванию объектов придорожной сетевой инфраструктуры с сохранением высоких показателей QoS для техники средств связи данного типа. Результат заключается в том, что предложен научно-обоснованный технологический подход к построению концептуальной модели V2X-системы с заданными показателями QoS. Практическая и теоретическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и развертывании V2X-систем.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):7-22
7-22
ЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬ
Динамические туманные вычисления и бессерверная архитектура: на пути к зеленым ИКТ
Аннотация
Актуальность. В условиях роста парка оборудования центров обработки данных, развития сетей IMT-2020 и появлением услуг Телеприсутствия сетей IMT-2030 особо актуальным направлением современных исследований является поиск нетривиальных, нестандартных подходов и решений в области обеспечения вычислительными и сетевыми ресурсами. Данная статья освещает актуальные вопросы инфраструктурного направления сетей IMT-2030 ‒ динамических туманных вычислений. Рассматривается вклад данной технологии для повышения эффективности используемых ресурсов, приводятся актуальные сценарии сетей IMT-2030. В частности, исследуется задача поиска группы устройств в туманных вычислениях для последующей миграции типовых контейнеров платформы FaaS. Постановка задачи: исследование вопросов совместного использования бессерверной архитектуры и динамических туманных вычислений для эффективного распределения нагрузки услуг Телеприсутствия. Цель работы: исследование и разработка эффективного метода распределения группы микросервисов в динамических туманных вычислениях. Используемые методы: исследуемые алгоритмы относятся к типу метаэвристических алгоритмов для решения задач многокритериальной оптимизации. Для апробации метода был разработан сегмент лабораторной сети, который послужил генератором реальных данных работы тестируемых платформ в условиях роста нагрузки. На базе серии экспериментов были собраны данные для последующего моделирования предложенного метода, который, в свою очередь, был реализован на языке программирования Python. Анализ результатов показал эффективность предложенного метода в рамках поставленной задачи, что, в конечном итоге, позволяет значительно быстрее принимать решение о миграции. Новизна: разработаны модель и метод для бессерверной архитектуры с миграцией групп микросервисов на группы устройств туманных вычислений в условиях их подвижности, и использован метаэвристический алгоритм стаи серых волков с целью определения группы устройств для последующей миграции типовых микросервисов. Практическая значимость: разработанная модель и метод могут быть использованы при реализации туманных вычислений в условиях подвижности устройств, в том числе с целью достижения требований перспективных услуг Телеприсутствия.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):24-34
24-34
Интерференция между поднесущими частотами в системе DRM
Аннотация
Актуальность. В России и в мире идет процесс постепенного перехода к цифровому радиовещанию (ЦРВ), обеспечивающему более высокое качество воспроизведения звуковых программ, значительную экономию радиочастотного ресурса, высокую помехозащищенность, существенный энергетический выигрыш по сравнению с аналоговыми системами радиовещания, возможность построения одночастотных сетей. Свойственный системам ЦРВ пороговый эффект требует учета влияния уровня интерференции между поднесущими (ИМП) OFDM-сигнала (OFDM, аббр. от англ. Оrthogonal Frequency-Division Multiplexing) на изменение помехозащищенности систем ЦРВ в целом. Последнее обусловлено в том числе рассогласованием частот генераторов передающего и приемного трактов систем ЦРВ. Однако в рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ-R, ITU-R) и доступных публикациях отсутствуют требования, предъявляемые к стабильности частот генераторов. Работа восполняет данный пробел. Цель работы. Повышение помехозащищенности системы цифрового радиовещания DRM.Методы. На основе анализа данных, имеющихся в публикациях, развит метод расчета уровня интерференции между поднесущими частотами в ситуации, когда при приеме OFDM-сигнала нет потери ортогональности поднесущих частот, а в радиоканале присутствует только белый шум (AWGN, аббр. от англ. Additive White Gaussian Noise). Результаты. Исследовано и оценено влияние нормализованного частотного сдвига генераторов приемного и передающего трактов системы DRM на ухудшение отношения сигнал/шум при модуляции поднесущих частот QPSK для разных уровней помехозащищенности (PL0-PL3). Показано, что величина интерференции между поднесущими частотами OFDM-сигнала зависит от условий приема, вида модуляции, скорости кода, требуемого минимального значения напряженности электромагнитного поля сигнала передатчика и требуемого минимального отношения сигнал/шум в точке приема, от собственных шумов приемника и величины атмосферного шума. Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными других исследователей.Новизна. Полученные результаты являются новыми для системы DRM, при работе в режиме устойчивости Е в случае стационарного приема и модуляции поднесущих частот QAM-4 прием OFDM-сигнала системы DRM становится невозможным уже при рассогласовании частот генераторов приемного и передающего трактов более чем на (2,07… 2, 32) Гц. Практическая значимость. Знание уровня интерференции между поднесущими частотами OFDM-сигнала при расстройке частот генераторов передающего и приемного тактов систем ЦРВ необходимо для разработки национальных нормативных документов, регламентирующих эксплуатационные характеристики оборудования систем ЦРВ.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):35-44
35-44
Кодовое разделение на основе двойного расширения спектра сигнала
Аннотация
Актуальность: работа затрагивает проблемы широкополосной модуляции применительно к задачам множественного доступа. Обозначены преимущества кодового уплотнения в процессе расширения спектра сигнала, которое, как показано в работе, является перспективным методом параллельной передачи данных. Целью настоящей работы является, во-первых, повышение эффективности применения адресных последовательностей для идентификации отправителя и получателя информации; во-вторых, организация параллельного процесса передачи данных от одного узла ко многим, обеспечивающая анонимность получателя; и, в-третьих, сохранение низкого пик-фактора сигнала. В задачи работы входит выбор адресных кодовых конструкций, которые на двух этапах расширения спектра сигнала должны решить вопросы идентификации отправителей и получателей информации в сети на физическом уровне. Требуется построить модель системы, которая обеспечит параллельную передачу данных от одного узла ко многим. Важным требованием в такой сети множественного доступа должна стать возможность использования модуляции с наименьшим пик-фактором сигнала. Методы: в данной работе предлагается двухэтапная широкополосная модуляция методом прямого расширения спектра, где каждый узел-отправитель сначала формирует эквивалентный код Голда как сумму последовательностей максимальной длины, адресованных узлам-получателям, а затем использует идентифицирующую его самого адресную последовательность из набора ортогональных сигналов. В работе предложены методы обработки расширяющих спектр последовательностей на основе двойственного базиса поля Галуа, позволяющие достаточно эффективно выделять информацию, предназначенную для каждого получателя. Результаты: предложена модель системы параллельной передачи данных с множественным доступом на основе двухэтапного расширения спектра. Идентификация отправителей и получателей информации осуществляется механизмами формирования адресных сигнально-кодовых конструкций на физическом уровне. Возможен вариант реализации модели с анонимными получателями, когда любой из узлов-получателей не обладает информацией о данных, адресованных другим узлам. Также данная модель не противоречит использованию наиболее помехоустойчивого типа модуляции BPSK (или QPSK в режиме передачи одного разряда), который призван обеспечить предельно низкий пик-фактор сигнала. Новизна. Предложен принципиально новый метод адресации на физическом уровне для сети с параллельной передачей информации, который повышает эффективность использования частотного диапазона. Теоретическая и практическая значимость. Полученные в работе результаты, в перспективе, могут быть использованы при построении различных высоко помехоустойчивых сетей с множественным доступом, где важным требованием является, прежде всего, предельно низкий пик-фактор сигнала источников данных. К таким сетям можно отнести, в частности, сети, образованные роями БПЛА.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):45-58
45-58
Исследование средней задержки в сетях связи, предоставляющих телемедицинские услуги
Аннотация
Актуальность. По данным исследований консалтинговой компании Global Market Insights, объем рынка телемедицины на территории Российской Федерации к 2025 году оценивается в 96 млрд. руб., что более чем в 3 раза превышает показатели 2023 года. Изменения в области систем и сетей телекоммуникаций напрямую влияют на пересмотр архитектуры сети и расширение перечня предоставляемых услуг. Так, появление сетей связи пятого поколения является вынужденной мерой для обеспечения высокой плотности устройств (1 млн. на 1 кв. м) и величины круговой задержки 1 мс. Сети связи 2030 позволят расширить услуги первого набора телемедицинских услуг за счет голографических аватаров, услуг дополненной реальности, Тактильного Интернета. Цель. Определение зависимости задержки от интенсивности трафика и длительности облуживания пакетов для первого набора телемедицинских услуг в сетях связи пятого и последующих поколений. Анализ способов оценки качества предоставления услуг телемедицины. Методы. В работе использованы методы системного анализа, кластерного анализа и теории телетрафика. Выполнено математическое моделирование сети связи.Решение. Представлены характеристики медицинских данных, которыми оперирует телемедицинская сеть. Сформулированы показатели качества телемедицинских услуг. Разработана модель сети связи пятого и последующих поколений на основе качества предоставления услуг и кластеризации территории. Получены результаты расчетов для пиковых скоростей 5G и 4G, что позволяет определить зависимость задержки от коэффициента вариации длительности обслуживания и от коэффициента вариации интервала между заявками.Новизна. Элементами научной новизны обладает идея создания и расчета модели сети для предоставления первого набора телемедицинских услуг в сетях связи пятого и последующих поколений, а также использование термина «Quality of Experience» для оценки качества в сетях связи, предоставляющих услуги телемедицины.Значимость. Расположение центров обработки данных в областных или региональных центрах способно обеспечить повсеместное предоставление первого набора телемедицинских услуг в сетях связи с ультрамалыми задержками. За счет формирования цифровых кластеров повышается доступность обращений за медицинской помощью, что позволяет частично сократить цифровой разрыв без необходимости расширения числа медицинских организаций и увеличения численности кадров в удаленных населенных пунктах. Полученные в работе результаты могут быть использованы для определения характеристик оборудования, используемого для предоставления услуг реального времени в сетях связи пятого и последующих поколений.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):59-65
59-65
Методика автоматического профилирования электрических характеристик подстилающей поверхности на трассе распространения радиоволн диапазона очень низких частот
Аннотация
Актуальность. Сведения об электрических характеристиках подстилающей поверхности оказывают существенное влияние на результаты расчетов энергетических параметров радиотрасс диапазона очень низких частот. В настоящее время разработаны различные варианты цифровых карт, которые потенциально способны повысить точность расчетов и упростить действия оператора по вводу исходных данных, однако возможности цифровой картографии не внедрены в существующие методики прогнозирования. Целью исследования является снижение количества ручных операций в ходе прогнозирования энергетических параметров радиотрасс диапазона очень низких частот путем разработки методики, позволяющей автоматизировать ввод электрических характеристик подстилающей поверхности. Методы. Для рационального обоснования выбора уровней квантования электрических параметров радиотрасс в работе использованы методы математической статистики. Для получения профиля электрических характеристик, отвечающего требованиям методики прогнозирования, использован метод интерполяции с заданным коэффициентом децимации. Результаты. С помощью статистических оценок выбраны уровни и интервалы квантования электрических характеристик подстилающей поверхности, которые используются при формировании горизонтальных профилей. Далее для исключения участков с частым изменением значений характеристик выполняется интерполяция методом «ближайшего соседа» с заданным коэффициентом децимации, который выбирается исходя из того, что наименьшая длина однородного участка не должна быть меньше длины волны. Разработанная методика реализована в среде моделирования Matlab и представляет собой совокупность скриптов и вспомогательных функций. Приведен пример использования методики в рамках прогнозирования напряженности поля земной волны на разнородной трассе. Новизна заключается в разработке оригинальной методики, обеспечивающей рациональное профилирование электрической проводимости и диэлектрической проницаемости земной поверхности для последующего использования полученных данных в задачах прогнозирования энергетических параметров радиотрасс диапазона очень низких частот. Практическая значимость. Разработанная методика позволяет снизить нагрузку на оператора при вводе исходных данных и повысить точность представления этих данных. Методика может быть использована в скачковом методе прогнозирования энергетических параметров радиотрасс для определения векторной суммы пространственной и земной волн в точке приема.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):66-73
66-73
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Алгоритм защиты роевых робототехнических систем от атак вредоносных роботов с координированной стратегией поведения
Аннотация
Актуальность: Атаки вредоносных роботов относятся к так называемым «мягким» атакам, использующим перехват сообщений, формирование и передачу членам роя дезинформации, а также осуществляющих иные действия, которые не имеют идентифицируемых признаков вторжения роботов-диверсантов, и приводят к принятию ошибочного, или не являющегося оптимальным консолидированного решения группой роботов. Известные методы выявления и противодействия скоординированным деструктивным информационным воздействиям в роях роботов показывают свою эффективность при концентрации вредоносных элементов в рое не более 45 %. Данная статья посвящена описанию алгоритма, который позволит расширить возможности роя противодействовать «мягким» атакам. Постановка задачи: построение механизмов защиты мобильных мультиагентных робототехнических систем от атак со стороны вредоносных роботов с координированной стратегией поведения. Цель работы: повышение вероятности противодействия атакам вредоносных роботов с координированной стратегией поведения на самоорганизующиеся мультиагентные робототехнические системы. Используемые методы: предлагаемый алгоритм является развитием механизма самоорганизации роя роботов на основе метрик доверия и репутации для решения задачи выявления и устранения влияния вредоносных роботов. Корректность предлагаемых решений подтверждалась имитационным моделированием типовой задачи коллективного восприятия заданного полигона. Новизна: алгоритм основан на квантификации процесса достижения консенсуса членами гомогенной группы (роя) на последовательные такты (периоды), с последующей внутри- и межпериодной обработкой информации, продуцируемой роботами роя и вредоносными роботами в процессе информационного взаимодействия. Результат: эксперимент показал способность самоорганизующегося роя противодействовать координированной атаке вредоносных роботов при превышении их концентрации 51 % с вероятностью, близкой к 1. Практическая значимость: разработанный алгоритм может быть использован при построении систем защиты мультиагентных робототехнических систем от атак вредоносных роботов, осуществляемых в процессе информационного взаимодействия при решении роем поставленной задачи. Алгоритм позволяет успешно отражать скоординированные атаки типа атака «51 процент».
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):75-86
75-86
Оптимизация распределения информационных ресурсов в едином информационном пространстве
Аннотация
В статье решается проблема оптимального распределения информационных ресурсов по узлам хранения единого информационного пространства. Актуальность работы обусловлена противоречиями между требуемым уровнем своевременности в едином информационном пространстве и недостаточным уровнем разработки научно-методического аппарата повышения указанного свойства для аналогичных систем.Методы исследования основаны на использовании элементов теорий массового обслуживания, марковских цепей, эволюционных вычислений, а также статистики и общенаучных методов (анализ, синтез, сравнение, дедукция). Целью работы является повышение своевременности обработки запросов должностными лицами к единому информационному пространству с учетом выполнения требования по устойчивости и безопасности. Результаты. Цель достигнута благодаря разработке научно-методического обеспечения: модели обмена информационными ресурсами и методики оптимизации плана их распределения, а также научно-технических предложений по реализации, разработанных модели и методики. При создании модели использован концептуальный, аналитический и имитационный подходы, которые в совокупности позволяют рассчитать показатели своевременности, устойчивости и безопасности для любого плана распределения. Методика оптимизации плана распределения информационных ресурсов позволяет сформировать оптимальный план их распределения, удовлетворяющий заданным требованиям. Использование этих научных результатов в прикладной области позволило сформулировать научно-технические предложения по реализации и применению модели и методики. В заключение приводится экспериментальная оценка предложенного подхода, доказывающая его эффективность.Новизна. Научные результаты позволяют осуществлять оценку показателей единого информационного пространства, а также поиск оптимального плана распределения информационных ресурсов как на этапе проектирования, так и на этапе реконфигурации системы. Теоретическая значимость работы заключается в том, что она направлена на дальнейшее развитие теории построения единого информационного пространства в части оптимизации плана распределения информационных ресурсов, а практическая ‒ в разработке технико-прикладного инструментария, повышающего показатели своевременности, безопасности и устойчивости единого информационного пространства.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):87-103
87-103
Оценка характеристик мультифрактального спектра фрактальной размерности сетевого трафика и компьютерных атак в IоT
Аннотация
Актуальность. Изменение фрактальной размерности сетевого трафика может служить индикатором атак или аномальной активности. Фрактальный анализ позволяет выявлять изменения временной структуры трафика и сигнализировать о возможных угрозах. Наблюдаемое в широких временных масштабах самоподобие указывает на мультифрактальную природу аномалий, что требует дальнейшего изучения. Таким образом, разработка методов для обнаружения и классификации кибератак с использованием мультифрактального анализа является актуальной задачей для повышения информационной безопасности.Цель работы. Повышение эффективности обнаружения и классификации компьютерных атак в сетях IoT методами машинного обучения за счет расширения количества атрибутов, характеризующих параметры мультифрактального спектра фрактальной размерности.Методы исследования: дискретный вейвлет анализ, мультифрактальный анализ, машинное обучение, программная реализация комбинированного метода многоклассовой классификации в совокупности с методами фрактального анализа.Результаты. Разработана методология оценки характеристик мультифрактального спектра фрактальной размерности трафика с помощью последовательности текущих оценок фрактальной размерности в окне анализа фиксированной длины в зависимости от интервала разрешения (времени дискретизации). Приведены аналитические результаты экспериментальных оценок мультифрактального анализа обрабатываемых процессов в сетях IoT. Оценена информационная значимость дополнительных атрибутов компьютерных атак и нормального трафика для случая бинарной и многоклассовой классификации по индексу Джини для двух случаев: без добавления мультифрактального спектра фрактальной размерности и с добавлением мультифрактального спектра фрактальной размерности. Показано, что основная концентрация наиболее значимых атрибутов приходится на интервал дискретизации 500 мс…1,5 сНовизна. Введено понятие мультифрактального спектра фрактальной размерности в виде последовательности текущих оценок фрактальной размерности в окне анализа фиксированной длины в зависимости от интервала разрешения.Практическая значимость. Представленный метод оценки параметров мультифрактального спектра фрактальной размерности является универсальным и может быть применен в различных информационных системах.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):104-115
104-115
Оценка визуальных интерфейсов систем управления информационной безопасностью
Аннотация
Актуальность. В данной статье рассматриваются методы оценки эффективности форм представления информации в прикладном программном обеспечении, с акцентом на разработке комплексной методики для оценки интерфейсов систем мониторинга и управления информационной безопасностью. Пользовательский интерфейс является ключевым элементом, от которого зависит функциональность, удобство и эстетическая привлекательность программного обеспечения. Эти аспекты, в свою очередь, напрямую влияют на восприятие и качество работы пользователей с программными продуктами, что особенно важно в контексте систем информационной безопасности для обеспечения эффективного и своевременного реагирования на инциденты и угрозы. Целью данного исследования является разработка комплексной методики, которая бы позволила оценивать эффективность информационных представлений в системах безопасности, сочетая анкетирование пользователей для получения интегрального показателя качества интерфейса и использование метода GOMS (Goals, Operators, Methods, and Selection Rules) для оценки скорости выполнения задач. Предлагаемая методика включает два основных этапа: первый этап – анкетирование, которое позволяет собрать субъективные оценки пользователей и выявить интегральный показатель качества интерфейса; второй этап – применение метода GOMS, который позволяет провести количественную оценку эффективности интерфейса, измеряя время, затрачиваемое пользователем на выполнение задач. Эти два этапа взаимодополняют друг друга, обеспечивая всесторонний подход к оценке пользовательского интерфейса. Полученное таким образом решение позволяет классифицировать пользовательские интерфейсы на четыре уровня качества: «отличный», «хороший», «удовлетворительный» и «неудовлетворительный». Новизна исследования заключается в том, что предложенный подход, в отличие от аналогов, объединяет субъективные и объективные методы анализа, что обеспечивает более точную и всестороннюю оценку качества интерфейсов систем информационной безопасности. Теоретическая значимость работы состоит в создании новой методики оценки пользовательских интерфейсов, которая может быть применена к различным системам информационной безопасности. Практическая значимость заключается в возможности использования полученных результатов для улучшения взаимодействия операторов с системами мониторинга и управления информационной безопасности, что в конечном счете повышает общую защищенность и эффективность работы информационных систем за счет повышения качества принимаемых оператором решений. В рамках будущей работы планируется расширить исследование, включив в него учет дополнительных аспектов, таких как влияние когнитивных нагрузок на операторов и использование адаптивных методов визуализации, которые будут подстраиваться под индивидуальные особенности пользователей.
Труды учебных заведений связи. 2024;10(3):116-126
116-126