Лейла Тлебалдиева, инженер в сфере коммуникаций: «Ожидается, что уже в 2025 году одна треть населения Земли будет использовать 5G»

Асель: Расскажи про свое детство.

Лейла: Я родилась в городе Тараз. Мои родители — инженеры, они работали на заводе. Я — младший ребенок в семье. С первого по девятый класс я училась в казахской школе, а потом поступила в областную школу «Дарын», в гуманитарный класс. С детства я любила учиться, была отличницей. Но у меня не было цели в будущем заниматься наукой, наверное, потому что среди моих родственников и знакомых не было ученых и я не совсем понимала, что такое наука. И даже когда я заканчивала бакалавриат в Канаде в 2010 году, я думала, что в университет больше не зайду.

Асель: Когда ты увлеклась физикой и информатикой?

Лейла: Здесь получилась парадоксальная ситуация. Я училась в гуманитарном классе, участвовала в дебатах и областных олимпиадах по истории, даже писала проект по истории. Но так получилось, что я окончила школу с Алтын Белгі, а это давало мне шанс поступать на любую специальность. В то время были популярны специальности «Менеджмент» и «Маркетинг». Но муж моей сестры дал мне хороший совет, что лучше подавать на техническую специальность, потому что так мне будет легче найти работу. Он сам технарь, инженер-нефтяник, и он это советовал, исходя из своего опыта. Я думаю, что тогдашним школьникам было мало знакомо понятие «профориентация». Я его послушалась и решила поступить на факультет «Вычислительная техника и программное обеспечение» в Университете Сулеймана Демиреля. На тот момент физика была одним из самых слабых моих предметов. Я попала туда, где разбиралась меньше всего.

Асель: Вот это да! Тяжело было учиться?

Лейла: Очень тяжело. Учитывая, что нас было всего две девочки в группе и практически все мальчики участвовали в международных олимпиадах по физике. Для меня это был большой стресс первое время, потому что я привыкла среди девочек быть отличницей, а тут я попадаю в мужскую среду. Я на себе ощущала стереотипы, что девушки на ступень ниже парней, особенно в технических специальностях. Обучение в СДУ было на английском языке, и мне нужно было много заниматься первые полгода. И хотя я проучилась в СДУ всего полтора года, этот период был очень важен для меня. Это была для меня своего рода проверка, которая очень помогла мне в учебе в Канаде, куда я поступила по программе «Болашак» в 2005 году.

Асель: А почему ты решила подавать именно в Канаду?

Лейла: Канада — красивая, развитая и спокойная страна. Мне понравилось, что она политически нейтральна, и в то же время образование там очень сильно развито.

Асель: В каком университете ты училась?

Лейла: Я училась в Carleton University с 2006 по 2010 годы по специальности «Инженерия в области коммуникаций» (Communication Engineering).

Асель: Расскажи, занималась ли ты наукой во время учебы на бакалавриате?

Лейла: У нас был интересный практический проект, над которым мы в группе из четырех человек работали целый год. Его задачей было создать портативный монитор для ЭКГ, который использует определенный алгоритм сжатия, — compressive sensing. Этот алгоритм позволяет получать меньшее количество данных, тем самым увеличивая продолжительность работы батареи. Таким образом, мы будем тратить меньше энергии, так как используем меньшее количество измерений. В результате мы создали прототип ЭКГ-монитора.

Асель: Где ты работала после возвращения в Казахстан в 2010 году?

Лейла: Когда я вернулась домой, страна готовилась к Азиатским играм. Я устроилась на работу в Оргкомитет Азиатских игр экспертом по связи. Мы отвечали за инфраструктуру телевизионной части, это и расположение камер, и технические моменты с доступом интернета и т.д. Это был отличный опыт, весь наш IT-департамент состоял из новоприбывших «болашакеров», которые только окончили вузы. Мы все работали на огромном энтузиазме, с утра до ночи. А после этого я подала заявку на работу в Назарбаев Университет. Там я проработала несколько месяцев в проекте по созданию умных сетей электроснабжения (Smart grid — модернизированные сети электроснабжения, которые используют коммуникации для сбора информации об энергопотреблении, что позволяет повышать эффективность электроснабжения и устойчивость производства — прим. автора). В рамках этого проекта ПРООН (Программа развития ООН) подарила Назарбаев Университету метеостанцию. Моей задачей было ее подключить и сделать так, чтобы мы могли автоматически собирать данные и отправлять их через модем на компьютер. Эта работа стала моим маленьким достижением.

Асель: Затем ты поступила в магистратуру в UCL (Университетский колледж Лондона). Какая там была специализация?

Лейла: Я поступила на программу магистратуры в UCL по специальности «Инжиниринг беспроводных и оптических коммуникаций» в рамках программы FDP (Faculty Development Program) Назарбаев Университета. Я работала над проектом по проектированию матричного переключателя для будущих оптических систем. Этот переключатель должен иметь высокую пропускную способность данных. Он нужен для того, чтобы передавать большой объем информации и чтобы передвижение трафика данных было энергоэффективным и быстрым. Моей задачей было программирование данного переключателя и анализ его производительности. То есть, логика его работы была мной описана в виде программы, используя язык описания и верификации аппаратуры SystemVerilog HDL.

Асель: Для чего это было нужно?

Лейла: Матричный переключатель увеличивает пропускную способность данных и поддерживает невосприимчивость к электромагнитным шумам. В итоге мы получаем высокую скорость получения данных и низкое энергопотребление. Это является явным преимуществом использования оптического матричного переключателя по сравнению с электрическим аналогом. Это был мой первый самостоятельный проект, по результатам которого я защитила магистерскую диссертацию.

Асель: Как тебе английское образование? Какие были особенности?

Лейла: У меня была очень интенсивная программа магистратуры в форме недельных модулей. Пять дней с 9:00-17:00 мы занимаемся и закрываем один предмет. Нам дают две недели на подготовку, а потом сразу экзамен. Такая форма работы была удобна студентам, которые одновременно работали в IT-компаниях. Учеба была нон-стоп, нас отпускали только на обед на час. Это было очень сложно, я уставала и с трудом впитывала информацию. В такой системе есть недостатки, так как тяжело получить обратную связь, если есть какие-то вопросы.

Асель: Коммуникации и IT имеют отношение к науке или они всё ближе к индустрии?

Лейла: Коммуникации — прикладное направление науки.

Асель: Мы видим, что сектор IT в нашей стране довольно хорошо развит, наши специалисты востребованы в мировых корпорациях. Но это практики, не ученые. Считаешь ли ты, что в Казахстане не хватает отношения к коммуникациям, как к научному направлению?

Лейла: В Казахстане есть факультеты радиосвязи. Они, как правило, сугубо прикладные. Что касается теории коммуникации, я вижу хорошие публикации коллег из НУ, особенно в области беспроводных технологий.

Асель: Итак, ты получила базовое инженерное образование в Канаде. Закрепила свои знания и провела самостоятельный научный проект в UCL. А затем решила подавать на PhD?

Лейла: Между магистратурой и PhD у нас родился старший сын, у меня был перерыв в два года на декретный отпуск. A в 2015 году в Назарбаев Университете открылась программа PhD, и я решила, что все-таки хочу пойти по части науки, и подала свою заявку.

Асель: Давай поговорим про мам в науке. У тебя двое маленьких детей, а супруг тоже ученый. Как тебе опыт материнства в науке? Как ты думаешь, можно что-то изменить в системе, чтобы мамы могли продолжать работать?

Лейла: Нам очень повезло, так как во время PhD очень помогали родители. После декрета возвращаться на работу, особенно в исследования, очень сложно. Вообще, всё зависит от человека, от того, что у него в приоритете. Сейчас для меня в приоритете семья, потому что я и так во время PhD много времени отдала учебе и исследованиям. Но хотелось бы, чтобы я не стояла в будущем перед выбором: оставаться в профессии или воспитывать детей. К сожалению, у нас в стране ситуация пока обстоит именно так, тогда как в западных странах дают определенные квоты женщинам, желающим вернуться в профессию, скажем, после продолжительного декрета, особенно в инженерии. Мы до сих пор видим, что у женщин, а тем более у мам, нет равных с мужчинами условий.

Асель: Я тоже надеюсь, что быть мамой-ученым для казахстанских женщин станет не геройством, а реальным вариантом для успешной карьеры и материнства. Теперь давай подробнее обсудим твой PhD-проект. Кто был твоим научным руководителем?

Лейла: У меня было несколько руководителей. Первый — профессор Корбетт Роуэлл (Corbett Rowell). Он пришел к нам с индустрии — работал директором R&D-департамента в China Mobile. Профессор Роуэлл классно преподавал предметы и подходил ко всему с точки зрения практики. Вообще редко встречаешь профессора, который приходит из индустрии, и он изнутри всё это видит, понимает и обладает другим взглядом на всё. У него в планах было открыть «Исследовательский центр по 5G» в Назарбаев Университете. Были меморандумы, компании, которые должны были привезти оборудование для тестирования базы для 5G. Но вдруг произошла девальвация, у нас бюджет значительно уменьшился, и мы не смогли приобрести это оборудование, а потом профессор ушел. Потом я перешла к другому профессору Теодоросу Цифцису (Theodoros Тsiftsis). У него, напротив, большой опыт в академической науке, а также был опыт в индустрии, это тоже прекрасный профессор. Мне пришлось адаптироваться и поменять тему, оставив год работы позади. Проект мы посвятили «Моделированию и анализу эффективности практических технологий связи будущего 5G, таких, как зондирование и распределение спектра, используя когнитивное радио и миллиметровые частоты». Далее я проработала с профессором Бехрузом Махамом (Behrouz Maham), с ним я вышла на финишную линию по защите своего PhD-проекта.

Асель: А теперь попробуем объяснить тему твоего PhD-проекта рядовому читателю. Что такое 5G?

Лейла: Когда мы были маленькие, ходили в первый класс, у нас не было телефонов. Когда мы учились примерно в 7-8 классе, они были только у самых крутых. А сейчас прошло не так много лет, гаджеты есть у всех. И никто даже не думает, что когда-то это являлось роскошью. Сети первого поколения — 1G появились в 1980 году, через 10 лет вышло второе поколение — 2G, через еще 10 лет — 3G. Вот сейчас то, что мы в Казахстане используем, — 3G и 4G. 2020 год ознаменовался годом 5G, то есть каждые 10 лет происходит технологический прорыв в коммуникациях.

Асель: А что это вообще такое — новое поколение сетей?

Лейла: Технология каждый раз улучшается, что позволяет передавать больше данных в определенный промежуток времени. Допустим, раньше, когда мы были студентами, мы могли передавать между собой только смс и звонить друг другу. Сейчас же пользователи используют широкополосный мобильный интернет — это стало возможно благодаря развитию коммуникационных систем. Развиваются базовые станции, телефоны, увеличивается спектр частот, на которых они работают, — всё с каждым годом улучшается.

Асель: Чем это обуславливается? Используются другие материалы?

Лейла: Новые частотные диапазоны, конструктивные особенности базовых станций и приемо-передатчиков, а также архитектурные особенности сетей и программных компонентов отличают 5G от других поколений. Если до пятого поколения связи использовалась волна сантиметровой длины для передачи данных, то 5G работает на миллиметровой волне. Это можно представить себе как трубу в канализации. Маленькая труба пропускает меньше воды, широкая труба — больше. Передача данных переходит в миллиметровый спектр в связи с недостаточностью свободных частот. Частота до 3 ГГц часто используема, а в диапазоне 5G (от 3 до 300 ГГц) очень много свободных частот.

Вообще, более массовый запуск 5G планировался на 2020 год, но из-за пандемии этот процесс немного приостановился. Коммерческие базовые станции для 5G уже есть в Китае, США, Норвегии, Швеции, Корее, Японии, и т.д. Предполагается, что уже в 2025 году одна треть населения Земли будет использовать 5G.

Асель: Как можно по-другому объяснить понятие свободной частоты?

Лейла: Это как использование дорог, если её каждый раз делить на нужды — на автомобили определенной марки отдельную линию, на автобусы отдельную линию, — её не хватит. То же самое в коммуникации. Частота — очень дорогой ресурс, он регулируется государством. Пользователи, которые используют определенную частоту, не должны создавать друг другу помехи. Поэтому если кто-то хочет запросить какую-то частоту, то он идет в Комитет связи и пишет заявление на приобретение частоты. В Казахстане не такая проблема с частотами, так как у нас население не такое большое, у нас огромная территория и мало помех. А вот представь, что в Китае на один квадратный километр много людей, и они хотят использовать связь.

Из-за длины частоты можно установить множество маленьких миллиметровых антенн, их еще называют MIMO (Massivе Multiple Input /Multiple Output Antennes). Можно установить до 1000 антенн на базовую станцию. Когда у тебя очень много антенн, ты можешь создавать направленные лучи (beams), это называется проектированием фазированных антенных решёток. То есть, это концентрация энергии, которую можно использовать, чтобы в разы улучшить пропускную способность. У нас есть антенна, которая, как солнце, всю свою энергию распределяет в стороны, но далеко эта энергия не распространяется, а рассеивается, а если мы используем лазер, то он направлен в определенное место. Когда у нас много антенн, мы можем менять фазы и амплитуды и таким образом создавать излучатель в одном направлении. Всё это дает высокую пропускную способность, то есть, высокую скорость связи. Например, используя систему 4G, мы один фильм сможем скачать за 10 минут, а используя 5G, мы загрузим его за несколько секунд.

Асель: Как ты думаешь, почему многие боятся 5G?

Лейла: Действительно, влияние электромагнитного излучения на здоровье является важным, но спорным вопросом. На сегодняшний день исследователи еще не представили надежных научных оснований для вывода о том, что радиосвязь в целом безопасна для здоровья.

ВОЗ пришла к выводу, что имеющиеся данные не подтверждают наличие каких-либо последствий для здоровья от воздействия электромагнитных полей низкого уровня. Однако существуют некоторые пробелы в знаниях о биологических эффектах, которые требуют дальнейших исследований. По данным Американского онкологического общества, у радиочастотных волн недостаточно энергии, чтобы напрямую повредить ДНК. Из-за этого неясно, может ли радиочастотное излучение вызывать рак. Некоторые исследования выявили возможное повышение частоты определенных типов опухолей у лабораторных животных, подвергшихся воздействию радиочастотного излучения в частотном диапазоне 2G/3G, но в целом результаты этих типов исследований пока не дали четких ответов. Несколько исследований сообщили о доказательствах биологических эффектов, которые могут быть связаны с раком, но это всё ещё область исследований.

Фактически, микроволновые печи работают на частоте 2,4 ГГц, а домашние маршрутизаторы Wi-Fi на частоте 2,4 ГГц / 5 ГГц используются нами ежедневно, и мы не боимся их потенциальных опасностей, потому что их использование стало обычным явлением. Физические характеристики связи 5G в нижнем диапазоне миллиметровых волн соответствуют тем частотам, которые мы уже используем дома. Например, пилотная сеть 5G «Казахтелекома» в столице работает в популярном 5G диапазоне 3,5 ГГц.

Асель: Существуют ли какие-то рекомендации для безопасного использования приборов связи?

Лейла: Есть рекомендации профессиональных ассоциаций, например, Американского онкологического общества: избегать работы с повышенным радиочастотным излучением (это, как правило, не касается обычных гаджетов); ограничить время, которое вы проводите рядом с устройствами (например, с маршрутизаторами Wi-Fi); ограничить время, которое вы проводите с мобильным телефоном, поднесенным к уху. А также хочу привести рекомендации моего руководителя, профессора Корбетта Роуэлла.

Асель: Как законодательно регулируется безопасность устройств и сетей?

Лейла: Уже установлены определенные стандарты для той мощности, которая достигает конечного пользователя. Благодаря этим стандартам мы можем контролировать безопасность использования таких технологий. Но эти стандарты чуть различаются для разных стран и производителей. Есть специальная величина — удельный коэффициент поглощения (specific absorption rate — SAR). Это число показывает степень поглощения энергии электромагнитного поля тканями тела человека, то есть, иными словами, это измерение степени воздействия в частности, мобильных телефонов на человека. Этот стандарт должен сохраняться, вне зависимости от используемой технологии.

Асель: А кто регулирует это у нас? То есть в каждом государстве есть свой регуляторный орган, который это контролирует?

Лейла: Да, в каждой стране есть регуляторный орган, который контролирует, чтобы SAR стандарты, рекомендуемые ВОЗ, были сохранены. Если в США SAR лимит составляет 1,6 Вт/кг для 1 грамма тканей, то в Европе допустимое значение излучения составляет 2 Вт/кг и вычисляется для 10 граммов тканей. В Казахстане, как и в России, SAR измеряется в мкВт на см2. Итак, допустимый показатель SAR для базовой станции — 10 мкВт/см2 указан в санитарно-эпидемиологических требованиях к радиочастотам. Необходимо помнить, что оборудование мы импортируем. А значит, что и стандарты безопасности у нас будут зависеть от производителя.

Асель: Получается, что есть американские регуляторные органы, тот же FDA, который говорит, что есть допустимый для здоровья показатель. Но нам ведь в идеале, как государству, нужно это решение принимать самим: что разрешено, а что нет. А мы зависим от более развитых стран. Связано ли это с тем, что у нас нет специалистов, которые в этом разбираются?

Лейла: Это очень важная тема. Вот, например, страны-участницы, которые входят в ведомства по стандартизации технологий связи (например, 3GPP), имеют большое влияние на всю индустрию. Главные компании-производители, такие, как SONY и HUAWEI, тоже стремятся войти в подобные организации. Я не знаю, кто из Казахстана в них входит и принимает решения. Быть в составе этих ведомств очень важно для нашей страны, и для этого нужно быть на их уровне, в том числе и в плане науки.

Асель: Для этого важно, чтобы наша страна развивалась в этом научном направлении, выращивала своих специалистов, которые уже могут работать в этих компаниях и организациях. Расскажи, в чем заключался твой PhD-проект?

Лейла: Есть сами сети 5G и есть вспомогательные технологии, которые позволяют сетям 5G успешно работать. Моей задачей было развитие одной из таких технологий, а именно — использование спектра с помощью когнитивного радио. Когнитивное радио — технология, позволяющая по-умному использовать спектр частот. Приведу аналогию. Представь дорогу, на которой есть специальная полоса для автобусов. Когда автобусов на ней нет, мы хотим, чтобы по ней могли передвигаться и другие автомобили. А что происходит с частотами связи? По статистике, 80% времени частоты не используются. С помощью когнитивного радио мы можем использовать спектр рационально, другие участники могут использовать спектр частот. Особенность моей модели состоит в том, что мы в своей работе также учитывали, что наши приемники-передатчики, которые принимают информацию, имеют аппаратные погрешности. Часто в моделях рассматривают идеальные приемники-передатчики, а мы принимали во внимание, что они приносят определенные дефекты и помехи в систему. Мы моделировали и анализировали, как зондирование и распределение спектра, используя когнитивное радио и миллиметровую волну, влияют на состояние системы.

Асель: Опиши, пожалуйста, подробнее суть вашей модели. Почему она важна именно для сетей 5G?

Лейла: Дело в том, что количество устройств, которыми пользуется человек, с каждым годом растет. Было подсчитано, что к 2030 году в постоянном использовании будет 30 млрд девайсов. Смартчасы, отправляющие биологические данные в больницы, машины, управляемые за километры, — всё это коммуникации между устройствами, которые являются одной из главных характеристик 5G. Ведь в сетях 5G устройства могут отправлять друг другу сигналы, не используя ресурсы базовой станции. Это помогает использовать меньше электричества, в то же время сокращая помехи. В нашей модели мы описываем базовую станцию и множество устройств. Tх - transmitter — отправляющее устройство, а Rх — принимающее устройство (см. иллюстрацию). На каждом устройстве есть антенны с множественным входом и выходом, что позволяет сформировать лученаправленную коммуникацию. Во время формирования луча создаются интерферирующие лучи по бокам. Если у нас несколько устройств, происходит интерференция. В этой модели мы рассматривали, как эта интерференция меняет качество сигнала.

Асель: Получается, что ты создала модель с учетом аппаратных нарушений, которая описывает использование когнитивного радио для рациональной передачи данных, используя 5G. Это теоретическая работа? Были предусмотрены какие-то эксперименты?

Лейла: Это была теоретическая работа, и мы моделировали аппаратные нарушения, которые создают интерференцию (помехи), которая влияет на качество работы связи. В основе моей работы — аналитические уравнения. В первую очередь, когда мы моделируем систему. Например, идет сигнал S, он переходит через рандомный канал H, добавляются другие параметры (шум, помехи). Проведя анализ данных по различным переменным, мы запускаем симуляцию на MatLab. Затем мы подтверждаем, что наши аналитические формулы совпадают с MatLab-симуляцией, а потом уже целиком анализируем систему. Исходя из модели, мы можем сделать вывод, что на данной частоте при данном уровне нарушений качество связи будет таким-то.

Асель: Насколько это теоретическое моделирование переходит в практику?

Лейла: Хороший вопрос, который я сама себе не раз задавала. Вообще коммуникация как наука имеет два основных направления, одни ученые работают над теорией, моделируют разные сценарии. А другие в лаборатории создают базу для тестирования этих моделей. Я отношусь к теоретикам, которые моделируют систему. Для того, чтобы опробовать эту модель на деле, нужно очень дорогое оборудование для сетей 5G. Один осциллоскоп стоит несколько тысяч долларов.

Асель: Получается, что у нас пока нет в стране исследовательского оборудования для 5G?

Лейла: Я знаю, что «Казахтелеком» тестирует сети для 5G совместно с Huawei, развернута коммерческая сеть на территории международного технопарка IT-стартапов Astana Hub. Мне неизвестно, есть ли у «Казахтелекома» исследовательская база в этом направлении. Потому что тестирование и разработка — две разные вещи.

Асель: А ты бы хотела попробовать изучить практическую сторону?

Лейла: Конечно, это было бы очень интересно.

Асель: Какие у тебя сейчас планы? Как ты себя видишь в науке?

Лейла: В плане науки мне очень интересны проекты, где технологии коммуникации помогают в сфере биомедицины. Гаджеты с поддержкой 5G могут удаленно измерять биометрические данные пациентов и направлять большие файлы данных медицинским сотрудникам для дальнейшего мониторинга. А это, в свою очередь, открывает огромные возможности для телемедицины. Хочу привести такой пример: компания Huawei и китайская больница Mengchao медицинского университета Фуцзянь провели первую в мире хирургическую операцию над животным, используя 5G-сети, в марте 2019 года.

Вся процедура заняла около 60 минут. Меня сейчас эта тема сильно мотивирует, особенно в связи с пандемией. Мы все вдруг поняли, что очень часто нужны врачи и некоторую диагностику можно проводить дистанционно. Все это могло бы разгрузить нашу медицину.

Асель: Удачи тебе в будущих проектах и в развитии этой важной темы! Наш традиционный вопрос: казахстанская наука — пациент скорее жив или мертв?

Лейла: Я думаю, что жив. Я верю в наших молодых ученых. Если дать им поддержку, они смогут поднять отечественную науку.

Автор благодарит Ильдуса Рафикова за помощь в подготовке материала.