Апробация новой ультразвуковой технологии для обмена данными в мобильных приложениях

АННОТАЦИЯ

С тех пор, как смартфоны стали массовым явлением, появились множество новых технологий, которые делают возможным обмен данными между мобильными устройствами. В последние годы связь ближнего действия (NFC) привлекла широкое внимание, но лишь небольшой процент мобильных пользователей внедрил ее.

Постоянное подключение мобильных устройств к сети может поставить под угрозу конфиденциальность пользователей и привести к появлению новых форм мониторинга. Современные приложения, разработанные такими компаниями как, Google и Silverpush, используют ультразвуковые сигналы для обмена информацией между устройствами через громкоговорители и микрофоны, также называемые “данными через звук”.

Устройства все чаще общаются по этому неслышимому каналу связи. Ультразвуковая связь позволяет соединять устройства и обмениваться информацией. Она также позволяет отслеживать пользователей и их поведение на ряде устройств, подобно файлам cookie в Интернете.

Целью данной статьи является апробация новой ультразвуковой технологии для обмена данными в мобильных приложениях. Для того, чтобы осуществить поставленную цель, использовались научно-исследовательские работы, а также опыт предыдущих тестирований по данной теме.

ABSTRACT

Since smartphones have become a mass phenomenon, many new technologies have appeared that make it possible to exchange data between mobile devices. In recent years, short-range communication (NFC) has attracted widespread attention, but only a small percentage of mobile users have implemented it.

Constantly connecting mobile devices to the network can compromise user privacy and lead to new forms of monitoring. Modern applications developed by companies such as Google and Silverpush use ultrasonic signals to exchange information between devices through speakers and microphones, also called “data through sound.”

Devices are increasingly communicating over this inaudible communication channel. Ultrasonic communication allows you to connect devices and exchange information. It also allows you to track users and their behavior on a number of devices, similar to cookies on the Internet.

The purpose of this article is to test a new ultrasonic technology for data exchange in mobile applications. In order to achieve this goal, research works were used, as well as the experience of previous tests on this topic.

Ключевые слова: ультразвук, мобильные приложения, телефон, приложение, обмен информацией, IT.

Keywords: ultrasound, mobile applications, phone, application, information exchange, IT.

Введение

Известные формы мобильной связи, такие как сотовая связь, Wi-Fi, NFC, RFID, Bluetooth, и маяки, основаны на энергоемких радиопередатчиках и приемниках, что не всегда позволяет установить или поддерживать постоянное соединение. Хотя радиочастотная связь стала прорывной технологией с момента демонстрации существования радиоволн в конце 1880-х немецким физиком Генрихом Герцем, она неэффективна для соединений на короткие расстояния.

Ультразвуковая передача данных использует простую схему, основанную на звуке, программном обеспечении и доступном аппаратном обеспечении устройства. Метод ультразвуковой связи представляет собой инновационный способ передачи данных между устройствами IoT и мобильными телефонами. Основное его преимущество заключается в незаметной передаче информации без необходимости значительного оборудования – достаточно наличия микрофона и динамиков. Ученые из Санкт-Пельтенского университета разработали SoniTalk – первый открытый протокол связи для ультразвукового обмена данными, включающий набор инструментов с открытым исходным кодом.

Эта технология доступна бесплатно и, в отличие от подобных решений, ориентирована на обеспечение безопасности и защиты данных. Таким образом, SoniTalk дает пользователям возможность самостоятельно управлять разрешениями на взаимодействие устройств и приложений через ультразвук в различных сценариях.

С увеличением числа сетевых устройств в повседневной жизни и бизнесе становится ясно, что ультразвуковая связь представляет собой многообещающую технологию для безусловной передачи данных в ближней зоне, обеспечивая безопасную аутентификацию устройств и пользователей.

“Несмотря на то, что некоторые компании уже работают над ультразвуковыми решениями, многие из них защищены авторскими правами, и вопросы, касающиеся конфиденциальности пользователей, остаются нерешенными. Поэтому необходим был открытый протокол для обеспечения безопасности связи и защиты личной информации”, – поясняет Маттиас Цеппельзауэр, старший научный сотрудник Института креативных медиа и технологий при Университете Санкт-Пельтена [3].

Рисунок 1. Пример работы SoniTalk. Credit: St. Pölten UAS

Совместно с коллегами Алексисом Ринго и Флорианом Таурером, Цеппельзауэр представил инновационный открытый протокол связи для передачи данных через ультразвук (Data Over Sound). SoniTalk представляет собой технологию с открытым исходным кодом, обеспечивая доступность для широкого круга пользователей. Набор разработки с тем же названием, базирующийся на Java для Android, позволяет отправлять и принимать информацию в диапазоне ультразвуковых частот. Этот подход делает SoniTalk доступным и экономичным решением, заменяя Bluetooth, RFID и NFC.

"При разработке SoniTalk особое внимание уделили приватности по умолчанию. Были внедрены механизмы конфиденциальности еще на ранних этапах разработки системы. Пользователи SoniTalk имеют полный контроль над тем, какие данные передаются приложениям, что способствует защите их личной информации", - поясняет Цеппельзауэр [3].

С использованием аудиотрекинга мобильные устройства могут скрытно отслеживать действия пользователей, включая просмотр видео и местоположение. Весной прошлого года Цеппельзауэр и его команда выпустили SoniControl, приложение, блокирующее акустическое отслеживание. В настоящее время продолжается работа над улучшением этого приложения для повышения его привлекательности для пользователей. Планируется интегрировать его в протокол SoniTalk, гарантируя безопасность передачи данных.

После выпуска SoniControl два эксперта-юриста из Вены, специализирующиеся на защите данных, провели юридическую оценку этого метода отслеживания. Эксперты призвали к большей прозрачности в работе с новой технологией и выразили мнение, что явное согласие пользователей на передачу данных через ультразвук является критическим фактором. SoniTalk и связанный с ним технологический протокол теперь учитывают этот аспект [3,7].

Некоторые из интересных и необычных проектов с использованием Arduino и соответствующих аксессуаров – это те, которые кажутся совершенно очевидными в непредусмотрительности. Иногда решение проблемы настолько изящно, что интересно, почему это никогда не приходило в голову раньше.

Рисунок 2. Пример настройки беспроводной связи через ультразвуковые волны

В данном случае демонстрируется возможность настройки беспроводной связи через ультразвуковые волны. Хотя из-за своих ограничений такая идея не будет широко применяться, тем не менее, в определенных ситуациях такое изобретение может оказаться удобным и полезным.

С использованием ультразвуковых модулей, извлеченных из датчика HC-SR04, можно создать простую конфигурацию для передачи данных с помощью ультразвуковых преобразователей в одностороннем режиме. Управление передатчиком осуществляется непосредственно, в то время как для настройки приемника требуется следовать приведенной ниже схеме подключения [6].

Рисунок 3. Схема работы ультразвуковых модулей

Подключение электронных устройств на небольшие расстояния играет ключевую роль в создании по-настоящему взаимосвязанного мира. Прогнозируется, что к 2020 году будет связано от 28 до 30,8 миллиардов устройств (в зависимости от разных оценок), и спрос на устройства для взаимодействия и обмена данными между собой продолжает расти. Эффективное преодоление препятствий перед подключением требует безопасных, автономных и доступных решений. К сожалению, достижения в области дальней связи, такие как облачные вычисления, за последние два десятилетия не способны решить эти проблемы местного значения.

Самым распространенным методом беспроводной связи является радиочастотный диапазон (RF), используемый для передачи данных в диапазоне радиоволн от 3 кГц до 300 ГГц. Радиочастоты применяются для передачи информации, хотя начало его использования связано с целями радиосвязи и беспроводной связи [8].

1. Факторы делающие ультразвуковую передачу данных оптимальной технологией для обеспечения безопасного, локального и универсального обмена информацией и совместимости функций.

Программное и аппаратное обеспечение: Метод передачи данных через звук представляет собой гибкое программное решение, способное функционировать на различных операционных системах и устройствах. Этот подход основан на стандартном оборудовании, таком как микрофоны и динамики, которые присутствуют в большинстве телефонов, компьютеров и других устройствах, а также на простом программном пакете, встроенном в мобильные приложения, веб-сайты или встроенные системы.

Улучшение качества обслуживания клиентов: Аудиотехнология обеспечивает бесперебойное взаимодействие с клиентами на разных операционных системах и устройствах, произведенных различными производителями.

Общесистемные экономические преимущества: Эффективные решения для передачи данных по ультразвуку могут использовать стандартные динамики и микрофоны во всей аудиоэкосистеме. Это способствует более экономичному развертыванию и управлению, позволяя устройствам обмениваться данными между собой, обходя недостатки радиочастотной связи в плане производительности и стоимости.

Дальность действия: Ультразвуковая передача данных оперирует на уровне звука, преодолевая физические ограничения радиочастотной связи на небольших расстояниях. Это позволяет данным перемещаться на большие расстояния и достигать любого устройства в непосредственной близости в условиях беспроводной передачи. Технология звуковых профилей LISNR разработана специально для передачи данных на разные дальности. Аудиосигнал Kilo High Precision Bit (PKAB, 18-19, 2 кГц) – самый распространенный вариант для передачи больших объемов зашифрованных данных между устройствами на близких расстояниях.

Безопасность: Передача данных по аудиоканалу использует аналогичные другим протоколам методы стандартной отраслевой безопасности и шифрования. Все данные, связанные с передачей, могут быть зашифрованы. Лучшие решения также поддерживают усовершенствованное шифрование для обеспечения еще более высокого уровня безопасности в обмене данными.

Эти факторы в совокупности делают ультразвуковую передачу данных оптимальной технологией для обеспечения безопасного, локального и универсального обмена информацией и совместимости функций. Связь между устройствами позволяет открывать новые возможности для улучшения и расширения услуг и продуктов в способы, которые ранее были недоступны [1].

2. Пример ультразвуковой технологии для обмена данными в мобильных приложениях

Одним из недавних проектов команды Azoft R & D была разработка технологии, которая позволила бы телефонам обмениваться информацией с помощью не слышимых звуковых волн (т.е. передача данных ультразвука), служащей альтернативой NFC. Основное преимущество такого решения заключается в том, что оно совместимо со всеми мобильными операционными системами и не требует каких-либо изменений в существующем оборудовании, таких как встроенные чипы NFC.

Это решение может быть особенно интересно банкам и другим компаниям, специализирующимся на денежных переводах, мобильных платежах и т.д. Данные звуковые волны могут использоваться не только для обмена данными между двумя телефонами, но и между другими устройствами, например, мобильным телефоном и платежным терминалом.

Практическая значимость и применение:

1. Альтернатива NFC. Технология NFC существует уже несколько лет, но до сих пор не получила широкого признания и не была внедрена в массовое производство. Лидеры мобильной индустрии все еще не могут договориться о едином универсальном формате протокола связи ближнего поля. Более того, в то время как производители смартфонов на Android поддерживают эту технологию, Apple неуклонно игнорирует ее.

Текущая ситуация, при которой практически нет прогресса в направлении NFC, требует выхода. Основное преимущество подхода к передаче данных УЗИ заключается в том, что он работает практически с каждым телефоном. Для этого требуется только динамик, микрофон и относительно современный процессор, достаточно мощный для выполнения всех необходимых вычислений. Практически все продаваемые сегодня смартфоны были бы совместимы с этой технологией. Технология NFC, с другой стороны, требует наличия специального чипа в аппаратном обеспечении.

2. Обмен данными между устройствами, работающими под управлением разных ОС. Опять же, поскольку передача данных между устройствами не требует какого-либо дополнительного оборудования и реализована на программном уровне, эта технология может использоваться для обмена информацией между телефонами с разными операционными системами, например, iOS, Android, BlackBerry, Windows Phone и т.д. Это особенно актуально сегодня, в период растущей дифференциации мобильных платформ и растущего спроса на кроссплатформенную коммуникацию.

3. Распознавание жестов. Ультразвуковая технология может применяться не только для передачи данных, но и для распознавания жестов. Для Android уже существуют прототипы приложений, которые распознают жесты пользователя с помощью камеры. Ту же идею можно реализовать с помощью ультразвука [2].

3. Тестирование передачи короткого кода с помощью ультразвука

В научно-исследовательской работе Иванова Д.А., Тяхти Е.А. и Суровцова Т.Г. «Анализ технологии передачи короткого кода на ближних расстояниях с помощью ультразвука для мобильных устройств» проводилось тестирование передачи короткого кода с помощью ультразвука [5].

Тестирование проводилось в условиях использования на одном конце персонального компьютера на ОС MS Windows и мобильного устройства на ОС Android.

Также было создано тестовое приложение для мобильного телефона, которое взаимодействовало с Windows-компьютером и осуществляло передачу кода [4].

Приложение было написано на языке Python с использованием разработанной библиотеки, в основу которой легла библиотека для соединения двух персональных компьютеров под Linux.

В процессе тестирования в особо шумных помещениях были выявлены недостатки при передаче данных. Недостатки проявлялись в наличии большого количества повторных передач данных, так с первого раза передавалось не более 50 % сообщений.

По итогам тестирования были приняты решения об изменении алгоритма, связанные с расширением диапазона частот для передачи несущего нуля и несущей единицы. Также были внесены начальные биты, указывающие на размер последующего передаваемого блока данных. Ранее это было реализовано финальной несущей частотой, что приводило к большому количеству несрабатываний. Это позволило более гибко передавать различную длину сообщения.

После внесения всех изменений качество передаваемого сообщения было проведено повторное тестирование, при котором передача данных с первой попытки происходила в 98% случаев в помещениях с умеренной зашумленностью (до 70% от максимального шума по ГОСТ 12.1.036-81).

В помещениях с максимальной зашумленностью удовлетворительными признавались тесты, при которых с первой попытки данных передавались в 80% случаев, со второй в 90% случаев, с третьей в 98% случаев.

Измерения проводились с помощью измеритель уровня шума ADA ZSM 130+. А также приложений для мобильных телефонов, которые предварительно проверялись с использованием шумомера на наличие отклонений в измерениях.

Проводился анализ и всего спектра шума в помещениях с использованием приложений для мобильных телефонов.

Тестирование происходило на нескольких расстояния от приемника/передатчика. Вывод — все создаваемые приложениями шумы находятся в пределах фоновых шумов. При этом спектральный анализ звуковых частот, который проходил при использовании приложений для мобильного телефона, показывает наличие двух пиков в диапазоне высоких частот — при запуске и работе приложения, которые не влияют на общий уровень шума [5].

Заключение

В ходе изучения ультразвуковой технологии для обмена данными в мобильных приложениях были получены ценные результаты и основные выводы. Важным преимуществом ультразвуковой связи является её способность обеспечивать высокую скорость передачи информации без необходимости активного подключения к сети интернет, что делает этот метод особенно привлекательным для обмена данными в условиях ограниченной или отсутствующей интернет-связи.

Тестирование технологии происходило на мобильных устройствах различных производителей. Процесс тестирования заключался в проведении передачи данных не менее 10 раз.

Тест считался пройденным при наличии 80% передачи кода с первого раза, 90% со второго, 98% с третьего.

Вывод — некачественные телефоны из низшей ценовой категории, для которых чувствительность микрофона и характеристики динамика даже в обычном голосовом разговоре, недостаточны для того, чтобы разобрать речь, непригодны для передачи данных. Генерируемый ими звуковой сигнал имеет существенные искажения.

Таким образом, качество микрофона и динамика является основными фактором для передачи данных. При этом скорость, с которой процессор осуществляет предварительную обработку данных для передачи по звуковому каналу, не влияет на передачу данных даже в самых дешевых телефонах.

Список литературы:

1. How Ultrasonic Data Transmission Compares to RF Protocols // Lisnr. 2018. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://lisnr.com/resources/blog/ultrasonic-data-transmission-compares-rf/ – (дата обращения  25.12.2023).
2. Ozhiganov I., Ultrasound Data Transferring Between Mobile Devices // Azoft. 2016. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.azoft.com/blog/nfc-alternative-ultrasound/ - (дата обращения  25.12.2023).
3. Secure data transmission with ultrasound on the mobile phone //  Techxplore. 2019. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://techxplore.com/news/2019-11-transmission-ultrasound-mobile.html – (дата обращения  25.12.2023).
4. Демонстрация работы приложения. . [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=fj6CvVrSbX0
5. Иванов Д.А., Тяхти Е.А., Суровцова Т.Г. Анализ технологии передачи короткого кода на ближних расстояниях с помощью ультразвука для мобильных устройств // Санкт-Петербург. 2018. С.26-27.
6. Проект Arduino: передача данных с помощью ультразвука // Digitrode. 2018. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://digitrode.ru/computing-devices/mcu_cpu/1419-proekt-arduino-peredacha-dannyh-s-pomoschyu-ultrazvuka.html – (дата обращения  25.12.2023).
7. Протестирована ультрапортативная ультразвуковая система на базе мобильного приложения. 2019. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.almazovcentre.ru/?p=60336 – (дата обращения  25.12.2023).
8. Ультразвуковая связь: используйте звук для передачи данных. [Электронный ресурс] - Режим доступа:  https://bauinvest.su/ultrazvukovaja-svjaz-ispolzujte-zvuk-dlja/ – (дата обращения  25.12.2023).