Кто создает будущее беспроводной связи

В области беспроводной связи в России пока нет технологических компаний мирового уровня, но уже есть передовые научные группы. В лаборатории беспроводных сетей Института проблем передачи информации имени А. А. Харкевича (ИППИ) РАН делаются работы в области Wi-Fi, сотовых сетей и интернета вещей, которые востребованы корпорациями — мировыми лидерами. Руководитель этой лаборатории, член рабочей группы по разработке стандартов сетей Wi-Fi Евгений Хоров рассказал о том, как сделать связь стабильной и без задержек, как на одной частоте получать одновременно два сообщения и как строить тотальное покрытие интернет-связью. 

Новое поколение сетей Wi-Fi

— Вы и ваши коллеги первыми в мире создали прототип устройства с так называемым неортогональным доступом в сетях Wi-Fi. И это, насколько мы понимаем, важная инновация в беспроводных сетях. В чем идея?

— Обычно на одной частоте от одноантенного устройства к другим одноантенным устройствам можно передать только один поток информации. Но с помощью неортогонального доступа вы можете с помощью одной антенны передать двум разным устройствам два потока информации, используя одни и те же радиочастотные ресурсы. И в обратную сторону — два потока с двух устройств на одну антенну.

— Как это? Эти два потока чем-то отличаются?

— Потоки отличаются мощностью. И получается следующее: пусть два устройства, которые принимают, находятся на каком-то расстоянии друг от друга, одно — ближе, другое — дальше. Мы передаем сумму двух сообщений, при этом каждое сообщение суммируется со своим весом-мощностью. Сообщение дальнему пользователю мы передаем с чуть большей мощностью, а сообщение ближнему пользователю — с меньшей мощностью. Дальний пользователь в результате может вычленить свое сообщение, рассматривая другое сообщение, о существовании которого он не знает, просто как шум. Поскольку мощность его сообщения больше, а затухание мощности обоих сообщений одинаковое, то свое сообщение дальний пользователь получает с большей мощностью и может его декодировать. Ближний пользователь тоже декодирует это сообщение, но так как оно предназначено не ему, он чужое сообщение вычитает, а оставшееся декодирует и принимает как свое сообщение. Этот метод позволяет повысить скорость передачи данных, когда нам нужно передать данные нескольким пользователям или от нескольких пользователей.

— Красивая технология!

— Это не наше изобретение, широко известно, что так можно передавать информацию. Но на момент, когда мы начали делать свою работу, эта тема только набирала популярность, и не было никаких идей, как заставить этот метод работать в сетях Wi-Fi. Мы сделали первый в мире прототип устройств Wi-Fi, которые используют неортогональный доступ. Правда до реального рыночного продукта, роутера нового типа, еще далеко. Однако мы продемонстрировали, что это вообще работает. Одно из подключенных устройств было обычным ноутбуком, который вообще не знал, что используется неортогональный доступ. Нам удалось не только внедрить эту технологию в сеть Wi-Fi, но сделать этот метод обратно совместимым. Этот результат имеет очень высокую практическую ценность, потому что в современных сетях Wi-Fi одновременно могут находиться устройства разных поколений, и точка доступа вынуждена с одним устройством общаться по одной версии протокола, с другим устройством — по другой версии. Благодаря нашему подходу одновременно можно использовать одни и те же радиоресурсы, чтобы общаться по разным принципам передачи данных. По одному может идти поток для старых устройств, по другому — для новых. Это критично для поддержки приложений реального времени, когда важна низкая задержка при доставке данных. Благодаря тому, что мы можем одновременно передавать данные, мы можем снизить задержку. Этот прототип в 2022 году на конференции MobiHoc (одна из топовых конференций в области информационных технологий) получил награду за лучшую демонстрационную экспериментальную разработку. Эту идею мы предлагали внедрить в новый стандарт Wi-Fi. Хотя у нас не получилось (не все предложения, увы, принимают), мы получили комментарий, что стандартизация не требуется. Благодаря тому, что мы показали, как сделать обратную совместимость, нет необходимости внедрять разработку в стандарт Wi-Fi, производители могут реализовывать этот подход без оглядки на стандарт, просто потому, что технология совместима с любым стандартом. Мы делали эту разработку на протяжении нескольких лет.

Как работают создатели будущего

— Как устроена «кухня» вашей работы? Вам нужно инженерное остроумие или программистское? Вы и ваши сотрудники создаете устройства или пишете код?

— Мы работаем на стыке математики, программирования и инженерии. Надо понимать, что телекоммуникации относятся к техническим наукам, научные разработки должны воплощаться в новые устройства связи, технологии. Часть моей докторской вошла в стандарт Wi-Fi-6. Методы, которые возникли в результате попытки ответить на научные вопросы, реализовались в виде части стандарта Wi-Fi.

— То есть вы инженеры с сильной математикой в сфере передачи данных.

— Надо очень аккуратно говорить о силе нашей математики. Чистые математики скажут, что у нас в отрасли нет математических проблем тысячелетия и что у нас нет фундаментальных задач. Фундаментальная математика сама себе ставит задачи и развивается сама из себя, а в технической области задачи ставятся практикой, развитие подталкивается запросами из технической сферы. Чаще всего у прикладных специалистов нет времени на развитие нового математического аппарата, мы используем уже известный аппарат для решения конкретных инженерных задач. Тем не менее существуют примеры, когда именно из технических задач зарождались целые области математики, впоследствии далеко уходя от изначальных задач, ради которых они создавались. Так что граница прикладной и фундаментальной математикой все же проницаемая.

— Вы сказали, что ваша работа вошла в один из прошлых протоколов Wi-Fi. А почему производители Wi-Fi заинтересованы в вашей научной работе или кого-то еще, почему это было важно для них?

— Мы работаем с производителями телекоммуникационного оборудования, с международными компаниями. Сейчас ситуация стала немного хуже, по понятным причинам, но я считаю, что это все временно, и мы в будущем сильно расширимся, причем будем работать не только с международными компаниями, но и с российскими. Наша лаборатория делает новые алгоритмы, которые повышают производительность передачи данных, и мы участвуем в создании решений для фирм-производителей, и в стандартизации, то есть доводим какие-то из наших решений до международных стандартов. Если производитель захочет выпускать оборудование, работающее по протоколу стандарта Wi-Fi, то он должен эти наши решения поддерживать. В одном из наших предложений, которое вошло в стандарт Wi-Fi, потребовалось очень долго объяснять представителям компаний — лидеров в области связи, почему наше решение хорошее. На самом деле, это были интересные и продуктивные дискуссии, в результате которых мы подкорректировали наше видение. Это сложный процесс, но если ты предлагаешь решения, которые сделают технологию лучше, то они могут войти в стандарт.

— А как принимаются стандарты, которые влияют на рынки и на производителей. У кого решающее слово?

— Прямо сейчас проходит заседание Комитета по стандартизации в Ванкувере, я и еще пять человек из нашей команды участвуем в нем дистанционно. В разработке стандарта принимают участие инженеры и ученые из мировых технологических компаний, но представлены и несколько научных центров, в том числе наша группа из России. Там всего около 500 чел. Для того чтобы какое-то решение было принято, оно должно набрать три четверти голосов.

— Судя по тому, что ваша группа одна из немногих научных групп в этом комитете, она находится на уровне разработчиков крупнейших мировых компаний.

— Мы стараемся. У нас молодая команда, но мы стараемся выступать на очень высоком уровне.

Когда в России будут востребованы инновации

— Российские индустриальные производители никак в этом процессе не участвуют, они как раз отстают?

— Россия задумалась о том, что нужно производить телекоммуникационное оборудование беспроводной связи только пару лет назад. Мы видим определенные меры на государственном уровне, но этих мер явно недостаточно. Сейчас нескольким компаниям, которые занимаются созданием отечественного оборудования сотовой связи, важно не то, чтобы их оборудование было лучше импортных аналогов, а чтобы оно хотя бы как-то работало. Пока, увы, иностранные компании работают с российскими учеными, а потом уже российские компании покупают у иностранных товары и технологии, в которых есть российские разработки. Но плюс в том, что, благодаря работе российских ученых с иностранными компаниями даже в нынешних условиях в России существуют центры компетенций в высокотехнологичных сферах. И я надеюсь, что когда-нибудь российские компании, которые сейчас пытаются сделать отечественное оборудование, дойдут в своем развитии до понимания того, что для дальнейшего развития им нужны умные алгоритмы, им нужны новые технологические решения, причем не как лабораторные образцы, а как продукты для миллионов пользователей. На первый взгляд кажется, что для создания оборудования в сфере связи достаточно открыть спецификацию (они почти все открытые) и реализовать ее. Казалось бы, здесь не нужно делать никаких исследований и разработок, все же написано — читаем, конвертируем текст в код и запускаем, все должно работать. На практике это совсем не так. Любой стандарт носит рамочный характер и описывает только минимальный функционал, который необходим, чтобы два устройства понимали друг друга. Аналогия: мы с вами говорим по-русски, русский язык — своего рода стандарт. Мы можем писать друг другу сообщения и понимаем их. Но мысли, которые мы можем друг другу излагать, не заложены изначально в самом в русском языке, это наши с вами мысли. Задача интеллектуальных алгоритмов в том, что мы должны не просто уметь отправлять сообщение, а понимать, как, когда, с какими параметрами нужно это сообщение отправить. Один из наших первых индустриальных проектов с крупным производителем телекоммуникационного оборудования привел к следующему результату. Мы, не меняя параметров физического канала, смогли передавать данные таким образом, что у пользователей веб-страницы стали загружаться в полтора-два раза быстрее. Оказалось, можно получить двукратный рост производительности, не меняя ничего, кроме короткого алгоритма. Но этот алгоритм был результатом длительного и сложного исследования. И в этом и заключается, на мой взгляд, самое интересное, что есть в нашей работе, потому что, когда ты много всего изучал и в конце концов приходишь к какому-то компактному и очень эффективному решению, это самое приятное и волнующее, что есть в нашей работе.

— Но этот алгоритм нельзя было сделать «из головы», надо было еще проводить эксперименты с реальным оборудованием?

— Не обязательно работать с реальным оборудованием. Мы активно используем имитационное моделирование. Есть специальное программное обеспечение, которое эмулирует работу сетевых устройств. Есть международная платформа имитационного моделирования NS-3, ряд модулей этой платформы был сделан в стенах Института проблем передачи информации. Также мы много стали работать с программно-конфигурируемым радио, стали делать устройства под названием «Реконфигурируемые отражающие поверхности». Помните в фильме «Иван Васильевич меняет профессию» Шурик сделал машину, которая искажает пространство и время. Время мы пока не научились искажать, а вот пространство можем. Реконфигурируемые отражающие поверхности представляют собой поверхность из металлических ячеек, состояние которых можно с помощью контроллера менять так, что радиоволна отразится от этой поверхности в заданном направлении. Это — зеркало для радиоволн, параметрами которого можно управлять. Многие считают, что реконфигурируемые отражающие поверхности (или интеллектуальные отражающие поверхности), будут одним из ключевых нововведений в сотовых сетях шестого поколения. Это очень простое и дешевое решение, которое сильно повысит качество покрытия беспроводной связи. Сейчас нередко так: недалеко от базовой станции, в зоне прямой видимости сигнал очень хороший, а, скажем, между двух небоскребов или же в подземном паркинге, под мостом качество очень плохое. Сейчас значительные усилия направляются на то, чтобы сделать покрытие сплошным, чтобы доступ к интернету был всегда и везде, в каждой точке. С помощью таких поверхностей можно этого очень дешево достичь, потому что стоимость такой поверхности по сравнению со стоимостью базовой станции — копейки. Что мы в этой области интересного сделали? Мы сделали прототип, на котором тестируем алгоритмы настройки этих поверхностей. Непонятно, когда российские производители смогут делать коммерчески успешное российское оборудование для сотовой связи. А если оборудование не наше, неясно, как в будущем реконфигурируемую отражающую поверхность сопрячь с базовой станцией. Поэтому мы делаем поверхности, которые могут управляться с помощью телефона, а не из базовой станции. Вот как это работает. Вы находитесь рядом с интеллектуальной поверхностью и можете «попросить» ее улучшить сигнал от далекой базовой станции. Поскольку сама поверхность ничего не излучает, она только умеет отражать сигнал, нужны умные алгоритмы, которые по небольшому количеству измерений телефоном качества сигнала базовой станции поймут, как правильно настроить поверхность таким образом, чтобы получился прирост производительности. В этой работе активно участвуют студенты и аспиранты МФТИ и НИУ ВШЭ. Многообещающая история, на мой взгляд.

— Это прямо передний край инженерной науки в сфере беспроводной связи?

— Это одна из горячих тем, которая активно развивается. Поначалу реконфигурируемые отражающие поверхности рассматривались в качестве способа улучшить покрытие миллиметрового и субтерагерцового диапазона радиоволн, там без них вообще все очень сложно. Но мы делали эксперименты даже в обычной сотовой сети 4G одного из российских операторов, проверяли, насколько в ней мы можем получить выигрыш по производительности. Так вот — технология может быть эффективной и для более низких, традиционных частот, в которых работает сотовая связь.

— Если говорить о ваших потенциальных российских индустриальных партнерах, то пока они заинтересованы в чем-то простом, они пока не нуждаются в центрах высоких компетенций типа вашего. Но если появится какой-то производитель, который захочет произвести что-то действительно передовое, то он будет знать, куда идти.

— Безусловно. Последние год-полтора мы очень активно пытаемся найти точки соприкосновения с российскими производителями и операторами. К сожалению, пока это взаимодействие не очень интенсивное. Мы пытаемся начать работать с российскими производителями, понимая, что в современных реалиях наши результаты нужны России. Но пока именно иностранные компании стараются усилить взаимодействие с нами.

— Какие еще актуальные темы есть в вашей лаборатории?

— У нас в лаборатории беспроводных сетей три основных направления исследований. Первое — локальные сети Wi-Fi, здесь мы участвуем в стандартизации, делаем разные устройства, теоретические исследования. Одно из ключевых нововведений технологий Wi-Fi-7 — одновременное использование нескольких каналов передачи для повышения скорости передачи данных. Мы используем несколько каналов, они работают на разных частотах, и задача состоит в том, как правильно их использовать, чтобы как можно быстрее передать данные. На первый взгляд кажется, что передача данных в обоих каналах независима, на самом деле там есть некоторые зависимости, и те или иные решения, принятые в отношении передачи данных в одном канале, могут оказывать негативное влияние на передачу данных в другом канале. У меня один из аспирантов Илья Левицкий недавно на конференции «Наука будущего в руках молодых» в Самаре занял второе место. Я очень горжусь им, потому что он работает реально здорово. Он скоро выходит на защиту, диссертация у него посвящена работе многоканальных устройств Wi-Fi-7. Мы для этих устройств получили сильный математический результат — сформулировали теорему, которая описывает оптимальный режим работы устройств, как надо правильно принимать решение по передаче данных в некоторых условиях, чтобы максимизировать пропускную способность при использовании нескольких каналов.

 Второе направление — сотовая связь 5G, 6G. И помимо работы с реконфигурируемыми поверхностями, мы решаем сложные задачи, связанные с планированием радиоресурсов в больших сетях для обеспечения сверхнадежной связи с малой задержкой. Для чего это нужно? Например, в КНР строят заводы, которые работают вообще без людей, там есть порт, который работает практически без людей. Для таких производств нужно, чтобы все станки, роботы, устройства могли друг с другом общаться в режиме реального времени, с очень маленькими задержками и очень надежно. И вот нужна сверхнадежная связь с малой задержкой. Задача состоит в том, чтобы обеспечить такую связь в жестких условиях — когда у нас есть огромное количество металлических предметов, которые затеняют передачу данных, когда устройства двигаются. Еще одно применение — беспилотные автомобили, которые потихоньку начинают появляться в разных городах. В таких автомобилях водитель заменен роботом, но при этом внешне по своим техническим характеристикам этот автомобиль очень похож на обычный автомобиль с водителем, просто водителю не нужно платить зарплату. Если таких автомобилей будет много, то, казалось бы, ничего не изменится. Но если эти автомобили начнут друг с другом общаться, и это общение будет с очень маленькой задержкой и очень надежное, то тогда мы можем радикально изменить саму транспортную инфраструктур города. Например, мы сможем строить перекрестки без светофоров. Два потока автомобилей будут проходить сквозь друг друга просто за счет того, что они будут выверять свое расстояние и правильно управлять движением. В городе исчезнут пробки, дороги станут уже, тротуары станут шире, зеленее. Это будет переход такого же масштаба, как переход от конного транспорта к бензиновому и электрическому. Но для этого перехода нужна сверхнадежная связь с малой задержкой. Сверхнадежная связь с малой задержкой — это то, что могло было быть внедрено уже рамках сетей пятого поколения, но многие идеи остались только на бумаге, до практики не дошли, потому очень сложны в реализации. Поэтому нужны новые алгоритмы, более эффективные, более производительные, с более низкой вычислительной сложностью. Это позволит им быть развернутыми даже на дешевых сетевых устройствах с ограниченными вычислительными ресурсами.

Кстати, интересная вещь, мы, работая над обеспечением сверхнадежной связи с малой задержкой в 5G, пришли с аналогичной идеей в комитет по стандартизации Wi-Fi. Я сказал: «Почему сообщество разработчиков Wi-Fi не думает над поддержкой приложений реального времени, хотя в сотовых сетях думают. В сотовой связи есть много проблем, связанных с обеспечением низкой задержки — там большие расстояния, там сама архитектура не позволяет обеспечивать задержки сильно меньше миллисекунды. А Wi-Fi может в теории». Тогда это вызвало бурную дискуссию, но через полгода в комитете была создана группа по исследованию возможностей поддержки приложений реального времени, потом в стандарте Wi-Fi-7 поддержка приложений реального времени заявлена одной из ключевых целей, и теперь эта тема уже продолжается в рамках стандарта Wi-Fi-8. Я думаю, что во многих случаях с помощью технологии Wi-Fi можно гораздо легче достичь требуемых параметров, чем в сотовых сетях.

Третье направление нашей лаборатории — интернет вещей. 10 лет назад про это много говорили, сейчас «хайп» немного угас, но проблемы остались, это число устройств, вовлеченных в межсетевое взаимодействие. Дальше встает вопрос: насколько хорошо технологии работают, когда число устройств повышается? При большом количестве устройств может возникнуть хаос, очень много помех, и производительность падает. И мы работаем над методами, которые позволили бы повысить производительность.

Где берутся мотивация и высокие цели

— А что вас лично больше мотивирует — интересная задача или изменение будущего, практическое применение того, что вы делаете?

— Я считаю, что интересная задача приводит к изменениям будущего так или иначе. Значительная часть интереса к задаче связана с тем, насколько это сделает мир лучше. Мы занимаемся техническими науками. А в технических науках очень важно, чтобы ты не просто доказал теорему, а чтобы она имела практический смысл. И, наверное, иногда даже можно не получить точное решение, но важно, чтобы решение было практичное, чтобы «уравнения были интегрируемые», как говорил Жуковский про аэродинамику. И здесь очень важную роль играет умение выделить основное и построить правильную модель. Потому что математика работает с идеальными объектами, моделями, когда реальные вещи сильно упрощены. В прикладной науке главное — умение построить хорошую модель, которая, с одной стороны, не сильно врет, близка к реальности и позволяет достаточно точно предсказать поведение реальной системы, а с другой стороны, она вычислима и эти вычисления занимают небольшое время. И это, наверное, самое интересное.

— Вы по образованию из Физтеха? Это место, где большую науку «поженили» с техникой. А ваши аспиранты откуда?

— Да, я окончил МФТИ в 2010 году. Более того, на 90% наша лаборатория — выпускники Физтеха. Несколько коллег из Вышки, есть аспирант из МГУ. Наша базовая кафедра на Физтехе, но мы читаем в других вузах отдельные курсы именно для того, чтобы привлечь в коллектив сильных студентов.

— Ваша научная карьера кажется довольно стремительной. Вы специально «целились» в область, где можете быстро стать одним из мировых лидеров?

— Я считаю, что у нас коллектив сильный, но на роль мирового лидера я пока еще не гожусь. В Институт проблем передачи информации я попал случайно, когда учился на младших курсах Физтеха, я хотел быть программистом. И уже на четвертом курсе я стал тимлидом в компании, которая делала программное обеспечение для операторов связи. Параллельно с этим я делал диплом в ИППИ, и мой научный руководитель Андрей Игоревич Ляхов меня заинтересовал наукой. Потом важную роль в моей судьбе сыграл Александр Петрович Кулешов, на тот момент директор института, он советовал идти в науку и показывал большие перспективы. В ночь перед дедлайном, когда нужно было принимать решение — быть программистом или быть ученым, я долго думал. Быть программистом — это понятно. Любой школьник имеет представление о работе программиста, и оно даже похоже на правду. Что такое быть ученым и работать в НИИ, это и сейчас мало кому понятно. Но я считаю, что сделал правильный выбор. Я защитился рано, на втором году аспирантуры. Но было время и сомнений: романтика занятия наукой исчезла, проблем очень много, а большой цели нет. Почти сразу после защиты Кулешов дал второй урок. Мы тогда «занимались наукой» в позднесоветском смысле, то есть удовлетворяли свое любопытство за государственный счет. Он вдруг срезал зарплату, сказав: «Ребята, вы занимаетесь наукой. Наука может быть фундаментальной — тогда где ваши крутые публикации? Наука может быть прикладной, но тогда где ваши миллионные контракты?» То, что нам срезали зарплату, стало началом построения сильного коллектива. Но, конечно, тогда я был очень зол на Кулешова, он же сам звал в науку, обещал, что все будет замечательно. Мы стали подаваться на гранты и за несколько месяцев из шести заявок мы выиграли пять. Потом я для себя понял, что если я остался в науке, то надо публиковаться в топовых журналах и нужно делать то, что реально востребовано. Мы начали работать с индустрией. Потом мы получили мегагрант (прошлое руководство ИППИ во главе с Андреем Соболевским нам всячески помогало его реализовать), и нам удалось пригласить в Россию одного из наиболее цитируемых ученых в области компьютерных наук Яна Акилдиза из США. Он был с нами три года (до ковида), и многому меня научил. Я ему очень благодарен за то, что нам удалось выстроить целеполагание для коллектива. Также большую помощь нам оказывало руководство Физтеха и факультета радиотехники и кибернетики, сейчас — Физтех-школа радиотехники и компьютерных технологий. И со стороны Вышки аналогично чувствуется очень большая поддержка.

В работе со студентами мы задаем высокую планку — у нас на кафедре есть правило: чтобы защитить дипломную работу на 10 из 10, должна быть публикация в высокорейтинговом журнале. Я очень доволен аспирантами, мы ведем много разных проектов, я пытаюсь на все проекты аспирантов привлечь, причем на максимально высокую позицию, на которую они могут претендовать, чтобы они росли. Когда человек чувствует ответственность, конечно, он набивает шишки, но растет. И есть старшие товарищи, которые, если что, поправят и помогут. 

— Вы упомянули американского коллегу, который помог вам сформировать целеполагание. А какое сейчас у вашей группы видение будущего и целеполагание?

— Наша стратегия — быть центром компетенций, разрабатывающим передовые технологии связи, которые бы использовались повсеместно. Понятно, что в такой цели нет финальной точки, это вектор развития, и, принимая решения, мы соотносим их с этой стратегией. Мы видим, что в нашей стране в последние десятилетия отрасль нуждается в развитии, и нам крайне важно сделать так, чтобы в России появился центр компетенций мирового уровня. Всем же понятно, кто есть кто в разных отраслях, какая бы ни была политическая ситуация в мире. Когда нам пишут коллеги из других стран и предлагают даже в наше непростое время академические кооперации (например, неделю назад мы выиграли международный грант РНФ с Китаем), то это показывает, что мы движемся в правильном направлении.

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571 (и всемерной поддержке Физтех-Союза).}