Технологии беспроводной связи

Профиль Технологии беспроводной связи напрямую связан с потребностью современного мира в надежной и производительной связи в условиях постоянного роста числа подключаемых устройств и объемов передаваемого трафика. Ключевыми перспективными областями отрасли являются космическая сфера, промышленность, подводная и мобильная робототехника.

Чем дальше развиваются технологии, тем сильнее люди оказываются в ситуации, когда, имея большой пользовательский опыт, они не понимают, как работают эти технологии. Поэтому вопросы цифровой грамотности, безопасности данных, безопасности и развития инфраструктур становятся все более актуальными.

Задачи инженерного (практического) тура профиля перекликаются с актуальными задачами систем связи: от работы с различными форматами данных и организации помехоустойчивого кодирования для передачи информации в условиях шумов до разработки адаптивных систем слежения и протоколов связи.

Команды работают со слежением за подвижным объектом и источником сигнала, кодированием и декодированием сигналов, изучают характер шумов, а также создают собственные протоколы передачи данных с учетом определенных требований к надежности, характеру помех в канале, скорости передачи и взаимосвязи данных в многоканальных системах.

Главный вызов настоящего времени — технологический. Критически необходимым является развитие сквозных технологий, а также инфраструктурное обеспечение технологического развития. Это создает условия принципиально нового качества устойчивого экономического роста за пределами периода восстановления.

К числу сквозных технологий относятся технологии беспроводной связи, касающиеся как мобильных сетей передачи данных 5G, так и каналов связи спутников и интернета вещей IoT. Именно этому направлению посвящен профиль. Внедрение цифровых технологий и развитие отечественных ИТ-решений в отрасли беспроводной связи является частью цифровой трансформации — одной из национальных целей развития Российской Федерации.

Знакомство школьников с современной инженерной задачей во время соревнований и подготовки к ним позволяет не просто ввести их в курс дела, но дает возможность получить личный практический опыт решения небольших, но реальных задач в данной области.

Навык создания собственных протоколов — базовый в технологиях связи, огромном растущем рынке в мире с увеличивающимся спросом на специалистов. Дальнейшее развитие беспроводных технологий связи — это не только технологии связи для спутников или подводных аппаратов, но и для домашних устройств, систем сенсоров, сельскохозяйственных дронов и других объектов интернета вещей — все они требуют создания протоколов связи.

В настоящее время количество различных протоколов связи, а также систем, где их важно проектировать, непрерывно растет, но понимание базовых принципов и способность конструировать такие каналы падает в связи с ростом сложности протоколов. Поэтому важно работать, с одной стороны, с максимально современной постановкой задачи, а с другой — с максимальной прозрачностью и возможностью ее увидеть и «пощупать».

Знакомство с профилем начинается с «Урока НТО» по профилю Технологии беспроводной связи, который проводится в средних общеобразовательных учреждениях. Материалы для его проведения размещены на сайте https://nto-lesson.ru/.

Задачи профиля составлены таким образом, что для их решения требуются не только уровень школьной подготовки, но и углубленные знания в области программирования, математики и геометрии, а также основные представления в области по помехоустойчивого кодирования.

От этапа к этапу увеличивается сложность и специфика этих задач. По мере продвижения к заключительному этапу проводятся вебинары, предоставляются дополнительные методические материалы по сложным темам:

методы исследования каналов связи и обработки сигналов;
методы борьбы с шумами;
получение практических навыков по помехоустойчивому кодированию в системах связи;
практика работы с двоичными данными на уровне байтов и битов;
практика анализа текстовой и графической информации.

Для их освоения созданы онлайн-курсы от разработчиков по тематике профиля.

Первый отборочный этап (дистанционный индивидуальный) состоит из предметного и инженерного туров.

Предметный тур определяет уровень подготовки школьников по математике и информатике, устанавливая необходимую планку для участия во втором этапе и работы с обучающими материалами.

Задачи инженерного тура первого этапа сформулированы таким образом, чтобы отразить специфику профиля. Они проще, чем задачи второго тура, и затрагивают актуальные темы в системах связи, но (в отличие от второго тура) могут быть решены участниками индивидуально.

Второй этап — это не только отборочное соревнование, но и введение в профиль. Здесь задачи сформулированы таким образом, чтобы отразить специфику профиля, они затрагивают актуальные темы в системах связи, а также готовят команды к финальным испытаниям и способствуют развитию элементов научного исследовательского подхода (работа со сложными моделями, информационный поиск и нестандартное мышление) и навыков командной работы.

Все задачи этапа сочетают в себе математику и информатику. Для их решения необходима не только школьная подготовка, но и факультативные знания в области программирования, математики и геометрии — методические рекомендации позволяют очертить область знаний и навыков для самостоятельного изучения. Второй этап полностью построен вокруг компетенций и ролей, которые требуются на заключительном этапе.

Совместная деятельность участников начинается во время командного этапа второго тура. Помимо общих механизмов НТО для профиля создано условие, направленное на командное взаимодействие, — ограниченное число попыток решения задач. Это приводит к необходимости уже на начальном этапе договариваться об общекомандной стратегии сдачи решений. Второй тур предлагается завершать командам совместной рефлексией и выявлением слабых и сильных сторон у каждого члена команды, а также белых пятен в знаниях и навыках.

Рис. 1.1. Взаимосвязь задач инженерного командного тура и тем задач второго этапа

Заключительный этап профиля состоит из семи задач. Задачи командной части, с одной стороны, независимы, а другой — взаимосвязаны между собой и с финальной задачей. Количество одновременно решаемых задач определяет слаженность командной работы.

Вся работа проводится в рамках регламента, ограничивающего временные слоты, это побуждает участников активизировать совместную деятельность, планировать командное распределение задач с самого начала заключительного этапа, а кроме того, вносит игровой соревновательный элемент.

Заключительный этап 2024–25 гг. проходит на комплексе стендов, взаимосвязанных по компетенциям и моделирующих реальную задачу передачи данных по физическому каналу, анализа данных и создания помехозащищенных протоколов. Итог работы — набор протоколов передачи данных с учетом физических особенностей среды.

На инженерном туре команды профиля Технологии беспроводной связи работают со стендами:

«Узконаправленные низкоэнергетические каналы связи» — УНКС. Программно-аппаратная платформа стенда УНКС позволяет работать с адаптивными алгоритмами и точностью передачи сигнала. При создании стенда разработчиками и экспертами выступали специалисты ИСЗФ СО РАН с реальным опытом работы проектирования систем слежения — современных радаров.
«Каналы связи и кодирование» — О-БТС. Стенды УНКС и О-БТС входят в образовательный комплекс «Беспроводные технологии связи», разработанный компанией ИнСитиЛаб, и созданы в логике моделирования реальных инженерных задач по созданию протоколов связи. Стенд О-БТС стал нововведением, добавив задачи на оптический канал связи.
«Турнир Юных Киберфизиков «Акустика» — ТЮК-А. На комплекте для проведения турнира юных киберфизиков «Акустика-1», разработанном компанией «ИнСитиЛаб» в рамках Национальной киберфизической платформы, участники взаимодействуют с акустическим каналом связи. Комплект ТЮК-А позволяет наглядно работать с аналоговыми и цифровыми сигналами в физическом акустическом канале связи, с разными типами модуляции и помехоустойчивым кодированием.
«Акустический полигон» — А-Полигон. Еще одно нововведение, модификация ТЮК-А с шумоизолированным боксом. Стенд позволяет ставить комплексные задачи на акустическом канале, на которые не повлияет окружающий шум.

Участникам ставится задача в виде описаний моделей, интерфейсов взаимодействия с ними и критерия оценки успешности решения отдельных задач. Командам необходимо выполнить серию заданий в указанном формате, который используется для проведения измерения, формирующего результат решения. Ограничения на решения обусловлены моделью, техническими параметрами стендов. Итог — успешно декодированное сообщение; набор программ, реализующих протокол или слежение, и выполняющих поставленную задачу с достаточной точностью.

Помимо командной задачи (практический тур), на заключительном этапе участники решают индивидуальные задачи по предметам: информатика и математика (предметный тур). Здесь преследуются следующие цели:

объективно проверить индивидуальные знания участников;
косвенно оценить индивидуальный вклад участников в результат командной работы.

Удельный вес этих задач в финальной оценке участников составляет 40%.

Таким образом, цепочка туров профиля позволяет выявить как сильных участников, так и соблюсти основной принцип, заложенный в основу второго и заключительного этапов профиля, — необходимость командной работы.

Уровень заданий, их взаимосвязь и организационные регламенты направлены на формирование команд, способных решать новые инженерные задачи за ограниченное время, каждый член которых имеет обладает хорошими знаниями и навыками в профильных предметах.

Победители и призеры профиля имеют возможность поступить в Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ) без вступительных испытаний.