На связи телеком-лаборатории вузов: чем в них заниматься и как выбрать свою

Что такое телеком-лаборатория в вузе и зачем она нужна

Обычно лаборатории начинают набор в конце второго курса, но есть исключения. Как правило, вузы не заставляют идти в лабы всех студентов, хотя кажется, что индустрия от этого только выиграла бы. Но есть и другие сценарии, как можно добрать опыт для первого трудоустройства от pet-проектов и хакатонов до сторонних научных центров и стажировок.

Работа в лаборатории — всегда дополнительная нагрузка и вызов, поскольку ориентирована на более глубокое погружение будущих инженеров в профессиональную область. Здесь студенты не только изучают теорию, но и решают практические задачи: работают с оборудованием, пишут программы, проводят эксперименты и участвуют в исследованиях.

При этом телеком-лаборатории могут выглядеть по-разному: одна — как компьютерный класс с мощными CPU и большим объемом RAM, где студенты моделируют сети и экспериментируют с SDN. Другая — как помещение с СВЧ-стендами, безэховыми камерами, рефлекторами и SDR, где исследуют распространение и обработку радиосигналов.

В зависимости от задач лаборатории делятся на два основных типа — учебные и научные. Разберемся, чем они отличаются.

Какими бывают телеком-лаборатории: учебные и научные

Учебные лаборатории нужны прежде всего для практической подготовки студентов. Здесь они осваивают оборудование и инструменты, применяют полученные теоретические знания и учатся решать инженерные задачи. Такие лаборатории часто создают при участии крупных технологических партнеров. Их специалисты участвуют в образовательном процессе: читают лекции, проводят экскурсии на производств, делятся кейсами разработки продуктов. Студенты решают задачи в контексте бизнес-вызовов и стека, который используется в компании. Например, компания YADRO в таком формате сотрудничает с вузовскими лабораториями по всей стране и Беларуси. Для компании это возможность не только готовить будущих сотрудников, но и развивать инженерные направления, в которых пока не хватает квалифицированных специалистов.

Работа в учебных лабораториях облегчает поиск стажировок, поскольку готовит студентов на конкретных примерах и знакомит с потенциальными лидами. Особенно опыт учебной лаборатории отлично заполняет пробелы в резюме, когда идет поиск первой работы.

Работа в учебных лабораториях облегчает поиск стажировок, особенно в компаниях-партнерах: студенты решают практические задачи, актуальные именно для этой компании, и знакомятся с потенциальными лидами. А еще полученный опыт помогает заполнить пробелы в резюме, когда приходит время искать первую работу.

С какими задачами работают телеком-лаборатории сейчас

Думаю, что о нашей лаборатории многие узнали по опыту запуска мобильного оператора Sibguti и сети 5G прямо на кампусе университета — это была первая сеть 5G в Новосибирске. Тогда из шести человек в группе разработчиков трое были студентами лаборатории. Для 2022 года мы реализовали достаточно инновационный проект, в котором подружили новую сеть, работающую на частоте 3,8 ГГц, с обычными мобильными телефонами. Частотный ресурс был ограничен свободными частотами, а также аппаратными возможностями используемых в тот момент решений, но всё равно получили скорость около 100 Мбит/с.

Пожалуй, сложнее всего было заставить телефон «зацепиться» именно за нашу несущую частоту, потому что далеко не каждое устройство с поддержкой 5G добровольно позволяет посадить его на нужную вам несущую частоту, пришлось преодолевать это сопротивление, используя root-права. Оказалось, что это непростой кейс с точки зрения навыков команды. Обычные программисты не понимали специфику телекома, а классические связисты радиоэлектронщики не владели современными технологиями разработки ПО, но именно связка этих разных компетенций помогла отладить все необходимые этапы при развертывании лабораторной сети 5G.

В нашу лабораторию ведется набор уже с первого курса, а обучение предполагает постепенное повышение сложности задач, по мере знакомства ребят со специальностью. Работа начинается с ознакомительного курса по робототехнике, который через смежные темы показывает, как связаны направления, и приводит студентов в телеком.

Примеры задач

Здесь можно заниматься самыми разными, зачастую творческими задачами, например, сделать робота-ассистента приемной комиссии, встречающего абитуриентов в вузе, отвечающего на вопросы и сопровождающего до нужного кабинета. Это сразу целый пул задач от 3D–моделирования корпуса и механики до прикручивания ИИ и интеграции 4G–модема для удаленного управления устройством.

Когда ребята становятся постарше и разумеется помудрее, не так страшатся брать в руки радио, они получают SDR-приемопередатчики. С их помощью они «ловят» радиоволны и оцифровывают их, превращая в пользовательский трафик. На первый взгляд, это просто хаотичный поток чисел. Но задача студента — написать алгоритм, который в этом наборе зашумленных радиоэфиром значений, найдет пользовательские данные, обеспечит синхронизацию между приемниками и передатчиками, нивелирует воздействие помех, сдекодирует и дешифрует трафик. Через такой практический подход студенты видят, как из свалки чисел, пришедших в вычислительный модуль с радиоприемника, появляется реальный IP-пакет. Настоящая магия.

Ребята пишут код и запускают на железе для базовых станций любых поколений,GNSS-приемников и спуфферы, глушилки радиосигналов, абонентских устройств и даже создают проекты вроде «Связь судного дня» на случай, если электричество и интернет вдруг исчезнут.

По мере углубления в телеком, сложность повышается. Ребята могут создавать уже очень сложные топологии сетей и прикручивать к ним самописные системы управления (Network Management System), осуществлять сбор метрик производительности и удаленное конфигурирование устройств.

Сейчас мы много работаем со школьниками в формате летней практики и проектной работы. Обычно набираем около 30 человек через систему тестов по физике и математике, а также просим написать мотивационное письмо. В этот период школьники пробуют сделать свою первую антенну, но к полноценной работе в лабораториях стараемся вести постепенно.

При поступлении на программу начинается системная подготовка к будущей научной и инженерной работе. На первом курсе студенты собирают базу инженерных навыков: пайка, чтение микросхем, создание трехмерных моделей для 3D-печати и программирование микроконтроллеров. На втором году они занимаются собственными проектами — от электроники до радиофизики и обязательным знакомством с лабораторным оборудованием. Подробнее об этом мы рассказывали в материале про поиск своего инженерного направления.

Экспериментальная работа строго регламентирована. Студент не может самостоятельно работать с оборудованием без присмотра старших сотрудников: инженера, научного сотрудника или аспиранта. Этот этап обучения занимает около года и включает постепенное расширение прав: от наблюдения к участию в настройке и калибровке, затем к самостоятельной работе. Даже в аспирантуре научный руководитель периодически контролирует работу студента.

С третьего курса студенты выбирают научного руководителя и начинают работу над своими проектами. Лаборатория организована вокруг нескольких научных групп, у каждой отдельная тематика:

• Беспроводная передача энергии. Разработка планарных и объемных беспроводных зарядных устройств для мобильных гаджетов, датчиков умного дома, электротранспорта, промышленного оборудования и др.;
• Электродинамика композитных структур и топологическая фотоника. Изучение особенностей распространения электромагнитных волн в искусственных периодических средах, включая метаматериалы и метаповерхности;
• Магнитно-резонансная томография (МРТ). НИОКР, в том числе в интересах индустриальных заказчиков, по созданию радиочастотных устройств для аппаратов МРТ и разработке методов получения МР-изображений.
• Антенная техника. Разработка антенных систем различных диапазонов и назначений;
• Активная материя. Исследование самоорганизации в системах роботов;
• Поиск темной материи. Разработка плазменных галоскопов на основе метаматериалов для обнаружения гипотетических частиц (аксионов).

Учебные программы предполагают защиту как полноценных инженерных, так и научных проектов. Мы ставим высокую планку для исследований и стремимся, чтобы каждый студент лаборатории выдавал минимум статью уровня Q1 в год. Для аспирантов задача выше — две статьи.

Современный мир невозможно представить без многочисленных гаджетов, компьютеров, серверов, датчиков, роботов и других устройств, объединенных в глобальную сеть. Решая разнообразные задачи, они обмениваются между собой гигантскими объемами данных, передавая их через среду, которая далеко не всегда является дружественной (если говорить точнее, она сильно зашумлена) по отношению к этим устройствам. Аналогичную задачу решают люди, когда общаются между собой, например, в шумном вагоне метро. Человеческая речь является избыточной, т.е. не любая комбинация букв или звуков является допустимым предложением естественного языка.

Это позволяет людям понимать речь собеседника на фоне весьма сильного шума. Этот же принцип используется и при организации связи между цифровыми устройствами. Предметом теории кодирования являются математические и алгоритмические методы внесения избыточности в данные и последующего использования этой избыточности для исправления ошибок, возникающих при передаче или хранении информации. Эти методы находят свое применение, как правило, на физическом уровне стека телекоммуникационных протоколов, а также в жестких дисках, флэш-памяти, облачных хранилищах и многих других системах.

Долгое время кодировщики стремились снизить затраты энергии, необходимые для обеспечения передачи данных с заданной надежностью.

Однако сейчас более актуальной стала задача снижения энергетических и временных затрат на прием данных, т.е. обработку принятых сигналов в декодере и связанных с ним частях приемного тракта. Именно их сложность и производительность зачастую ограничивают реальную скорость передачи данных и время автономной работы мобильных устройств. Поэтому сейчас мы в основном работаем над созданием вычислительно простых алгоритмов декодирования, а также построением корректирующих кодов для таких алгоритмов декодирования. Также мы работаем над смежными задачами, например, применением методов помехоустойчивого кодирования к сжатию видео, созданию физически неклонируемых функций.

Несмотря на то, что теория кодирования является очень обширной математической дисциплиной, начать работать в ней могут студенты уже второго курса бакалавриата, задолго до того, как они официально прослушают курс «Теория кодирования».

Главное — дружить с математикой, уметь программировать и быть готовым разбираться в нетривиальных вопросах. Начиная с учебных задач, студенты постепенно переходят к решению открытых задач теории кодирования и работе над проектами по заказу технологических компаний. Результаты этой работы (с учетом возможных требований конфиденциальности) ложатся в основу бакалаврских, магистерских и кандидатских диссертаций.

Сначала студенты занимаются простыми сигналами, строят имитационные модели и выбирают интересную область. Далее они могут заниматься одночастотными и многочастотными сигналами, синтезом формы сигналов или разработкой алгоритмов эквалайзеров. Поэтому лаборатория делает фокус на практику и изучение оборудования. Мы используем осциллографы, спектроанализаторы и SDR, которые подключаем к компьютерам, вносим корректировки в программные модели и работаем прямо с оборудованием.

Важно, чтобы имитационная модель, которую студенты строят в рамках бакалавриата, могла приносить пользу: выиграть децибелы по отношению сигнал-шум, уменьшить вероятность ошибки или увеличить скорость передачи.

Что дает студентам работа в разных телеком-лабораториях

Для нас всегда важна связка преподавателей и студентов. Мы хотим строить образовательный процесс так, чтобы студенты учились на практических задачах и много самостоятельно работали руками (и головами, конечно). Теория — это важно, но через такие проекты, как запуск своей сети 5G она ощутимо подкрепляется, перестает быть чем-то абстрактным, заставляет задавать правильные вопросы и искать на них ответы.

Очень важным этапом «взросления» телеком-студентов является также знакомство студентов с будущими работодателями — практики, стажировки, экскурсии. Посмотреть, как работают команды, как выглядит инженерная культура изнутри на предприятии — мощный стимул, чтобы самому начать больше вкладываться в это направление.

Наша лаборатория начиналась как научная, но в процессе становления мы поняли, что нужно развивать и учебные компетенции, поэтому первые годы обучения готовят студентов к реальным практикам и задачам рынка.

Важным этапом развития студента является не только решение индустриальных задач, но и фундаментальная подготовка по профильным дисциплинам. Мы стараемся вести студентов через все этапы инженерного взросления: от теории и моделирования до разработки прототипа и его экспериментального исследования. А затем, когда созревает база, можем выходить в реализацию прикладных задач.

Чтобы строить образовательный процесс таким образом, в нашей лаборатории собран хороший парк оборудования:

• безэховая камера для измерений антенн и радиочастотных устройств;
• сканеры ближнего поля для анализа электромагнитных полей;
• векторные анализаторы цепей и другие приборы;
• оборудование для создания прототипов, включая 3D-принтеры, фрезеровальные станки и др.

Лаборатория не просто песочница, где можно провести пару лет и получить бонус при устройстве на работу. Это полноценный подготовительный этап, в котором студенты заняты не только освоением работы с современным телеком-оборудованием, созданием радиотехнических устройств, но и развитием исследовательского мышления, познания окружающего мира через призму научного подхода и эксперимента. Студент может примерить на себя две эти позиции и выбрать, что ему ближе — фундаментальные исследования или прикладные разработки.

Телеком как инженерная сфера задает высокую планку и предлагает действительно сложные вызовы. Я бы разбил их на три группы по возрастанию. С задачами первой группы сможет справиться любой человек по учебнику. Вторая группа задач предполагает самостоятельный поиск и освоение методов, представленных в свежих статьях, публикуемых в ведущих мировых научных журналах. Здесь нужны уже специальные знания и мотивация понять весьма нетривиальные идеи.

К задачам третьей группы, т. е. созданию новых методов и алгоритмов помехоустойчивого кодирования, приходят единицы. Но наша миссия состоит в том, чтобы построить путь каждого студента так, чтобы он вырос в того специалиста, который может решать задачи третьей группы и представлять свои результаты коллегам со всего мира.

Очень важной частью работы в лаборатории является подготовка и представление студентами докладов на ведущих мировых конференциях (например, IEEE International Symposium on Information Theory). Там сотрудники лаборатории заряжаются новыми идеями, знакомятся с коллегами со всего мира, получают обратную связь по материалам своих исследований. Публикуя статьи, мы не только пополняем копилку человеческого знания, но и демонстрируем мировому профессиональному сообществу, что команда решает актуальные задачи, а мы являемся специалистами в этой предметной области. Это повышает видимость у компаний, которым могут быть интересны наши исследования и экспертиза, чтобы решать свои бизнес-задачи.

Пожалуй, мы в меньшей степени ориентированы на какой-либо конкретный стек технологий, а скорее учимся выбирать инструменты и технологии, которые пригодятся под конкретную задачу. C++ и MATLAB, конечно, нужны почти везде, но важнее заложить сильную базу. По этой причине мы серьезно фокусируемся на изучении математики, которая лежит в основе всех наших работ.

Спектр задач в телекоммуникациях гигантский, начиная от проектирования низкоуровневого железа, программирования этого железа, проектирования антенных систем и высокочастотных трактов. Поднимаясь по стеку протоколов с низкого уровня на более высокую абстракцию, появляются вопросы инфокоммуникационных технологий, алгоритмы, реализация функциональности стандартов телекома.

Одни телекоммуникационные лаборатории специализируются на сетях, другие — на железе. Наша стезя — алгоритмическая часть и верхнеуровневые задачи в телекоммуникациях. То есть мы находимся на промежуточном уровне и работаем с алгоритмами обработки и формирования сигналов для беспроводных систем связи.

Ключевое различие по сравнению с другими лабораториями в Санкт-Петербурге в том, что, например, в ИТМО разрабатывают метаповерхности, что ближе к электродинамике и антенным системам, к реальному миру. Задачи и исследования в лаборатории Политеха фокусируются на том, что происходит внутри цифровых сигнальных процессоров и ПЛИС. Это обработка и формирование сигналов на уровне цифровой связи, а не аналоговая схемотехника или электроника. Это больше алгоритмическая и инфокоммуникационная часть систем телекоммуникационных.

Как телеком-лаборатории помогают понять профессию

Телеком-оборудование не прощает ошибок, а ошибки заметны огромному количеству пользователей, поэтому в сфере так важно внимание к деталям и высокий уровень подготовки специалистов. Лаборатории в этом смысле делают огромную работу, поскольку помогают улавливать, транслировать и хранить инженерный опыт. Превращать его в новые исследования или учебные кейсы.

Инженерные профессии в телекоме разнообразны: можно заниматься разработкой сетей, радиофизикой, обработкой сигналов или теорией кодирования. Лаборатория также показывает, как теория связана с практикой. Моделирование помогает быстро проверить идею, но эксперимент обнаруживает то, что не всегда удается учесть в модели: особенности компонентов, помехи, погрешности измерений и нестандартные режимы работы. Студенты осваивают не только приборы и инструменты, но и инженерную дисциплину — ведение документации, воспроизводимость экспериментов, работу в команде и обсуждение результатов.

Еще одна возможность — познакомиться с профессиональной средой. Общение с преподавателями, исследователями и инженерами из технологических компаний помогает узнать, как устроена работа в разных направлениях телекома и какие знания для нее нужны.

Выбор лаборатории — одна из ключевых развилок в карьерном треке, но почти всегда можно вернуться назад и пройти участок заново, если по каким-то причинам хочется поменять путь героя.