Телекоммуникации. Прошлое, настоящее, будущее

Михаил Житомирский

Откуда есть пошло…

Идея передачи информации на расстояние волновала умы с таких давних пор, что уже и не вспомнить, кому первому это пришло в голову. Хотя, наверное, пальма первенства в этом вопросе принадлежит природе (как думают отъявленные материалисты) или божеству (как полагают сторонники различных религий). В любом случае передача информации посредством речевого аппарата или барабана (звук), жестами или при помощи костра (свет) уже может служить примером телекоммуникаций, использовавшихся древним человеком. В этих телекоммуникациях в качестве передающей аппаратуры служили речевой аппарат человека, барабан и костер, а приемниками — слуховой и зрительный анализаторы человека.

Велика ли была пропускная способность таких «каналов связи»? Мизерна. Но ее хватало. С развитием цивилизации рос и объем информации, которую необходимо было передать все быстрее, все дальше и все с более высокой надежностью. И вот уже гонцов, несущих устные сообщения, сменили… все те же гонцы, но уже с письмами. Почтовые голуби, бутылки с записками, почта — все это имело своей задачей лишь одно — передать информацию от отправителя к получателю. Как видно, практически все средства передачи информации на расстояние были односторонними — симплексными.

Здесь следует сделать небольшое отступление. Первые системы связи с использованием костров на вершинах холмов были дуплексными: подавший сигнал с помощью огня костра видел и ответный костер. Более того, с позиций сегодняшней теории связи это можно назвать коммуникационной сетью, ведь в ответ на один костер на одной вершине зажигались костры сразу на нескольких холмах, и процесс распространения информации шел так же, как в сегодняшней сети.

Ну а теперь — назад в менее далекое прошлое. Если и имел место обратный канал (почта), то он был настолько же медленным, как и прямой, и даже не предполагал обмена данными в режиме реального времени. Появившийся со временем телеграф значительно ускорил передачу данных, однако оставался и остается однонаправленным. Но случилось чудо (таких чудес потом будет много) — изобрели телефон! Крутишь ручку, кричишь: «Барышня, дайте того-то!», и вот тот-то на проводе и можно говорить. Фантастика! В реальном времени можно не только передать, но и получить информацию. Правда, все ту же голосовую, и снова с минимальным потоком, и в крайне узкой полосе пропускания, и с жуткими помехами, но все же — на расстоянии. Но, как ни крути, чудо заканчивалось там, где заканчивались провода. Поначалу любая естественная преграда — водоем, горный хребет — была непреодолимой для прокладки проводов. А когда стала преодолимой — все равно очень дорого. Да и провода — штука довольно ненадежная: возможность обрыва, потери, наводки, вероятность несанкционированного подключения к линии… Но, тем не менее, телефонная связь очень долго оставалась доминирующим телекоммуникационным средством для всего человечества. Однако мысль избавиться от проводов терзала мозг многих ученых и инженеров. И результат появился — радио, затем — телевидение, передача информации через спутник. Но провод не умер и не исчез. Оказалось, что он очень даже к месту в рамках компактной инфраструктуры, да и на большие расстояния можно, но только по оптическому волокну. Тот же провод, только не ток по нему пущен, а свет. К чему пришли? К тому, что телекоммуникационная среда представляет собой сложнейший конгломерат различных технологий, где используются и радиочастотные каналы, и проводные, и волоконно-оптические, и гибридные. Но одно можно сказать определенно точно — физический предел практически всех известных на сегодня или, во всяком случае, доступных для широкого применения каналов связи практически исчерпан. Частотный диапазон для радио, аналогового телевидения, связи и специальных нужд населен, как теремок в известной сказке. Подселить кого-либо практически невозможно. Постоянно и прогрессивно растущие объемы информации скоро не поместились бы ни в какие радиоканалы, провода, оптические кабели и транспондеры. Но…

IT на службе у телекоммуникаций

Такая мрачная перспектива имела бы место, если бы не возникла возможность эффективно уменьшать объем данных без ущерба для их содержания. Ведь полная информация, как правило, практически всегда избыточна. То есть, если отбросить некоторую часть ее и передать оставшееся, то на приемной стороне, имея в виду некоторый набор правил — алгоритм, можно полностью или частично восстановить отброшенное.

Строго говоря, есть два типа избыточности: статистическая и «получательская», или психофизиологическая, она же психофизическая — термины множатся.

Статистическая избыточность обусловлена свойствами самого сообщения, наличием в нем неких связей. Например, достаточно передать по каналу связи значения частоты, амплитуды и фазы сигнала — и на приемном конце можно полностью восстановить сам сигнал. Все остальное — статистически избыточно. Другой пример: компьютерный архиватор убирает статистическую избыточность, но сообщение полностью восстановимо. Предел степени сжатия без потерь невелик.

Упрошенная схема современного телевизионного комплекса

Вторая часть избыточности обусловлена нечувствительностью получателя (пользователя) к неким потерям сигнала. Можно не передавать каждый раз весь видеокадр, а пересылать по очереди сначала полукадр (поле), состоящее из четных строк, а потом — полукадр из нечетных, что и делается. А глаз не замечает потери. А еще глаз не замечает, что мелкие элементы — черно-белые. И тут — настоящий простор сокращения объемов данных.

Да, это добавляет работы на передающем и приемном концах телекоммуникационного канала, но зато позволяет более эффективно использовать сам канал. Очевидно, что речь идет о компрессии, или сжатии, информации. Та же чересстрочная развертка и передача не полного сигнала цветности, а цветоразностного — уже своего рода компрессия. Еще более явный пример компрессии путем использования частотного уплотнения — передача сигнала цветности на поднесущей внутри спектра сигнала яркости.

Но аналоговые сигналы принципиально ограничивают возможности компрессии из-за того хотя бы, что возможности преобразований аналогового сигнала крайне невелики. В цифре возможностей гораздо больше. Кроме того, линия, по которой передается аналоговый сигнал, очень чувствительна к помехам, которые при приеме даже частично очень трудно отфильтровать, а полностью — просто невозможно, и в результате качество полезного сигнала ухудшается.

Поэтому использование цифровых сигналов является той самой палочкой-выручалочкой, которая дает возможность многократно увеличить пропускную способность существующих сред распространения. И все благодаря компрессии. Изначально устройства компрессии и декомпрессии (кодирования/декодирования) были исключительно аппаратными, дорогими и довольно несовершенными. Сегодня же сложная, с точки зрения математики, компрессия реализуется при помощи крайне недорогих аппаратных средств, в которых основную работу выполняют программные приложения. Этакий программируемый чип, в который можно загрузить любую программу. Разработанные сначала для статичных изображений, алгоритмы компрессии уже давно и успешно применяются к видео, становятся все более и более совершенными. Первый профессиональный цифровой формат компрессии MPEG-2 позволил более чем на порядок сократить объем данных при их передаче и хранении, например, по спутниковому каналу связи. Кто не верит, может самостоятельно посчитать. Если принять, что оцифровка материала производится с глубиной квантования 10 бит на каждый элемент изображения, а в системе PAL имеется 768і576=442368 элементов в каждом кадре, и кадров в секунде 25, то всего объем данных только для изображения составляет 442368і25і10=110592000 бит/с или примерно 105,5 Мбит/с. Не стоит забывать, что необходимо передавать еще, как минимум, и звук. При использовании же компрессии MPEG-2 достаточно потока 8…10 Мбит/с, чтобы качество изображения и звука после декомпрессии практически не уступало бы исходному. Казалось бы, вот и сбываются мечты! Эффективность использования существующих каналов связи можно повысить на порядок. Но и это оказался не предел. Кодеки MPEG-4 AVC и VC-1 (WM-9) практически вдвое эффективнее, чем MPEG-2.

Но роль информационных технологий не ограничивается только сжатием. Они принципиально изменили весь подход к производству и распространению телевизионных программ. Прежде всего, линейный подход уступил место нелинейному, последовательный — параллельному, а сигналы во многих телекомпаниях на основных стадиях технологического процесса заменены файлами. Привычный ранее способ передачи сигнала от студии к передатчику посредством РРЛ уже и не встретить — используется гораздо более современный, дешевый и качественный — волоконно-оптическая линия связи. Сам производственный телевизионный комплекс представляет собой компактную модель телекоммуникационной инфраструктуры: сигналы поступают из студий по SDI или другому стандартному телевизионному интерфейсу, преобразовываются в файловую форму и попадают в центральное хранилище уже по интерфейсам Fibre Channel, Gigabit Ethernet и т.д. Доступ к хранилищу с рабочих монтажных или просмотровых станций может осуществляться по 100BaseT, передача готового контента на передатчик возможна по волоконной оптике, есть вариант потокового вещания по IP либо подъема транспортного потока MPEG на спутник. В общем, множество видов телекоммуникаций в рамках только одного современного телевизионного центра.

Интернет — телевидение или Net?

В последнее время все чаще звучит мнение, что Интернет похоронит телевидение в том виде, в каком оно существует сегодня. Позволю себе усомниться в этом. Причин для таких сомнений несколько. Но сначала — о предмете. Да, уже сегодня в Интернете можно просмотреть много телевизионных программ, сюжетов, даже «живых» шоу. Можно скачать фильмы и посмотреть их на своем компьютере. Можно еще много всего, но… По большому счету, настоящее телевидение — это прямой эфир. Это чувство сопричастности к происходящему на экране. Это интрига, развязки которой не знает НИКТО до самого последнего момента трансляции. Скачивание же программ из Интернета принципиально ничем не отличается от приобретения DVD в ближайшем магазине. Но проблема тут как раз и заключается в телекоммуникациях. Как только коммуникационные инфраструктуры станут способными передать все необходимые потоки данных всем запрашивающим их потребителям, эти инфраструктуры станут реальным конкурентом привычным нам способам вещания: наземному, кабельному, спутниковому. Но конкурентом в плане именно транспортной среды, средства телекоммуникаций. Конечно, телекоммуникационные технологии бурно развиваются, но не менее быстро развивается и телевидение: на смену стандартной четкости приходит ТВЧ, число программ постоянно растет, а значит, растут требования и к пропускной способности сетей передачи данных. Стало быть, уже сегодня нужно закладывать большой запас по полосе при проектировании и строительстве различных объектов. Все та же пресловутая «последняя миля» должна быть все более и более широкой, чтобы пропустить в перспективе и многопрограммный цифровой телевизионный поток ТВЧ, и данные, и радиопрограммы, а также обеспечить полноценные обратный (для реализации интерактивности) и связной каналы. А уж линия, идущая к многоквартирному дому или офисному центру, — и того пуще. Испытание не из легких даже для очень развитых стран, не говоря уже о России. Будем честными — у нас даже телефонная связь зачастую далека от совершенства.

А теперь вернемся к причинам для сомнений в том, что Интернет — «могильщик» телевидения. Во-первых, это уже упомянутые прямые трансляции, которых пока в полной мере и в реальном качестве ожидать от Интернета не приходится. Во-вторых, пока нет бизнес-модели интернет-вещания, то есть непонятно, как заинтересовать рекламодателя. Ведь в Интернете, в отличие от, например, условно бесплатного телевидения, нельзя заставить зрителя смотреть рекламу. Есть вариант платного вещания, но защита цифрового контента в настоящее время — проблема из проблем. Стало быть, в ближайшем будущем Интернет вряд ли составит конкуренцию традиционному телевидению. Но именно Интернет является одним из движущих факторов, побуждающих разработчиков и производителей внедрять все более широкополосные телекоммуникационные системы.

Сам себе программный директор

Пожалуй, одно из самых больших преимуществ, которые дает цифровое телевидение при наличии современной телекоммуникационной инфраструктуры, — это интерактивность. То, что есть сегодня, — лишь убогая тень поистине необозримых возможностей интерактивности. Что реально может зритель сейчас? Немного: позвонить, отправить СМС, ну и все в таком духе. То есть прокукарекал, а там хоть не рассветай. А ведь можно гораздо больше. Например, спортивному болельщику может быть интересно посмотреть на голевой момент не с того ракурса, что предлагает режиссер трансляции, а с какого-нибудь другого, ведь сегодня на том же футбольном матче установлены десятки камер. И подавать сигнал с них в цифровой канал технически не составляет большой проблемы. Нужно лишь обеспечить достаточную полосу пропускания на всей цепочке от центра трансляции до зрителя и предоставить последнему обратный канал для выбора нужной ему картинки. Фактически, в одном мультиплексированном транспортном потоке идет основная трансляция и сигналы пусть не от всех, а от наиболее интересно установленных камер. А зритель сам решает, какую камеру смотреть. И таких примеров можно привести множество. Не говоря уже о том, что есть возможность самостоятельно формировать программу не только по ассортименту, но и по времени показа той или иной передачи. Более того, необязательно лишать себя удовольствия смотреть программы в прямом эфире. При реально интерактивном телевидении в один канал (назовем его сводным, сформированным зрителем), можно загнать последовательность телепередач из разных ТВ-каналов, но подобрать время так, что одна будет следовать за другой практически встык, без задержки или с минимальной задержкой. Реализовать последнюю уже сегодня не проблема — достаточно лишь использовать абонентскую приставку с PVR (personal video recorder — персональный видеорекордер). В общем, возможности настолько широки, что их и представить себе непросто. Но они станут реальностью только в одном случае — телекоммуникации достигнут нужного уровня.

Обратить недостатки в достоинства

Только ленивый еще не говорил об особом пути России. Жаль только, что до сих пор никто не указал четко направление, куда этот путь ведет. Пока он напоминает топтание на месте или, в крайнем случае, ходьбу по кругу. Правда, в области телекоммуникаций, если судить по бравым рапортам тех, кто вовлечен в эту сферу, все более чем круто: темпы роста гигантские, инвестиции пухнут как на дрожжах, специалисты есть, зарубежные компании проявляют огромный интерес и т.д. Вот только если отъехать от крупного города на пару сотен километров, то оказывается, что мобильная связь куда-то подевалась, а всех остальных ее видов, кроме допотопного телефона, отродясь не водилось. И получается, что отстали мы по части телекоммуникаций изрядно. Плохо? Как посмотреть. Инфраструктуры пока нет, но нет и груза устаревшего хлама, который надо поддерживать в полуживом состоянии, обслуживать, пока идет переоснащение. Достаточно просто сформировать внятную, а главное, реальную программу развития телекоммуникаций, а потом взять и совершить нечто невероятное для нашей страны — выполнить ее! Тем более что можно не совершать уже совершенные ошибки. Нужно просто внимательно изучить имеющийся за рубежом громадный опыт и взять все лучшее (тоже для нас непривычно). Конечно, задача не из легких — одни просторы России чего стоят! Но современные технологии позволяют почти все. Российская спутниковая группировка растет, и именно спутник является тем самым телекоммуникационным звеном, которое легко соединяет Калининград и Владивосток.

Что же дальше?

Технически перспектива развития телекоммуникационной сферы довольно понятна. Рост возможностей средств связи, расширение спектра услуг, предлагаемых операторами, вероятнее всего — исчезновение привычного частокола телевизионных антенн на крышах домов, поскольку на смену им придет либо розетка кабельного ТВ, одновременно предоставляющего и доступ в Интернет, и телефонию, либо тарелка спутниковой антенны индивидуального приема программ, которая в ближайшем будущем также обеспечит двунаправленное действие, а значит, все те же доступ в Интернет и телефонию. Возможно, уже в скором времени обычный телефон уйдет в прошлое, и мы сможем не только слышать, но и видеть собеседника (как же трудно станет врать по телефону!). Ведь уже сегодня успешно тестируется телевизионное вещание, ориентированное на мобильные терминалы нового поколения: сотовые телефоны, КПК и т.д. Это говорит о том, что каналы связи уже позволяют это. Так что еще одна перспектива — люди в транспорте будут смотреть телепрограммы на своих телефонах, а не слушать музыку. В общем, информация во всех ее ипостасях станет еще доступнее.

Но одно можно сказать точно — потребность в полосе пропускания будет постоянно расти, а поэтому разработки все более и более совершенных средств телекоммуникаций не остановятся.

Все есть лекарство и все есть яд…

В чем главная разница между цифровым фото и съемкой на пленку? Много отличий, но основное состоит в том, что для просмотра цифрового фото до того момента, пока оно не отпечатано традиционно на бумаге, нужны технические средства, причем достаточно сложные и дорогие, а проявленную фотопленку можно просмотреть просто так, на просвет. К чему этот вопрос? К тому, что всякий технический прогресс несет не только преимущества, но таит в себе скрытую опасность. Давайте на минуту представим, что не осталось печатных источников информации: книг, журналов, газет. Все данные существуют только в электронной форме и широко доступны только в сети. Причем телекоммуникационные структуры — сети — стали настолько совершенными, что в них «живут» и все остальные медиаресурсы: телевидение, радио, связь, да что угодно. А теперь предположим, что по тем или иным причинам сеть, как говорят IT-люди, «падает» и ее довольно длительное время не удается «поднять». Все, коллапс! Мы остаемся без информации вообще!!! Кто-то может решить, что это идея, доведенная до абсурда. Возможно. Но тогда почему же так дрожал весь мир в ожидании миллениума, страшно опасаясь, что компьютеры «взбесятся» и начнут творить неизвестно что. Значит, предположение не так уж абсурдно. Мир и так уже частично «сидит на игле» информационных технологий. Молодежь гораздо чаще читает пейджеры, мобильные телефоны и КПК (карманные персональные компьютеры), чем книги. Сформировалось сообщество виртуалов, которым гораздо интереснее в сети, чем в реальной жизни.

Другая проблема состоит в защите электронной информации. До сих пор не найдены надежные способы обеспечения ее безопасности. Основная проблема в том, что кражу электронных данных очень трудно заметить вплоть до того момента, как злоумышленники не начали использовать незаконно полученную информацию. Все очень просто: если украсть, скажем, папку с документами, то ее владелец тут же обнаружит пропажу, а кража данных из компьютера или сети не приводит к исчезновению исходных файлов — они остаются на месте! Конечно, можно скопировать документы из папки, но это отнимает уйму времени и все равно требует хотя бы кратковременного ее изъятия с полки, где она хранится. Кроме того, материальные оригинал и копия различимы: купюра любого достоинства все же отличается от копии-фальшивки, на каком бы высоком уровне она ни была изготовлена. К тому же процесс физического копирования всегда оставляет материальные следы, что и используется при обеспечении безопасности. А хакерские хитрости позволяют проникать в компьютерные сети так, что никто ничего не заподозрит; и перехват электронного сообщения может быть незаметен абсолютно. Поэтому до сих пор самый надежно защищенный канал связи — фельдъегерь с чемоданом.

Следовательно, чем больше данных будет проходить по телекоммуникационным сетям, тем более лакомым куском они будут казаться для злоумышленников. А стало быть, защита данных является не менее серьезной задачей, чем техническое совершенствование средств связи.

Но, к сожалению, до сих пор нет рецепта, как сделать плоды прогресса только полезными человечеству. Все зависит от того, в какие руки эти плоды попадут. А поэтому не менее, а может, и более важно другое: образование, культура, этика, мораль. Ведь не секрет, что даже самая мирная вещь в руках дикаря может стать оружием, и телекоммуникации — не исключение.

Автор выражает благодарность Константину Гласману (к.т.н., зав. кафедрой видеотехники СПбГУКиТ) и Михаилу Сергееву (к.т.н., старший научный сотрудник Государственного университета телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича) за помощь в работе над статьей.