(Ноябрь 2012)
Наиболее горячая, пожалуй, тема в современных технологиях беспроводной связи – это SDR или «программно-задаваемое радио». Разработка данного направления ведется вот уже лет 20, однако только теперь назрели условия для действительно революционных свершений.
Красивая идея
Концепция под названием Software Defined Radio – это одна из тех крайне заманчивых по красоте, но одновременно и очень сложных в своей технической реализации идей, что занимают умы инженеров и ученых на протяжении десятилетий.
Собственно суть SDR проста и элегантна: создать единственное компактное устройство, позволяющее избавиться от всей специализированной электроники (чип GSM, чип GPS, чип Bluetooth, чип WiFi и так далее), применяемой для работы с радиосигналами разных типов, и вместо этого делать всю необходимую обработку сугубо программными методами в одном процессоре.
Результатом таких перемен, как видится, стал бы универсальный беспроводной девайс, способный гладко и без всяких проблем работать в самом широком диапазоне частот, с любыми техниками модуляции и схемами кодирования сигнала.
Подобно тому, как персональный компьютер заменил собой печатную машинку, математический калькулятор, телефон, телевизор и еще кучу всяких вещей, точно так же и софтверно-задаваемое радио однажды придет на замену сотовых телефонов, пейджеров, радио- и телеприемников, платежных и интернет-терминалов, а также любых других устройств беспроводной связи, которые когда-либо могут понадобиться современному человеку с цифровым гаджетом.
Вполне очевидно, что смартфон на основе программно-задаваемого радио был бы не только легче, меньше и дешевле нынешних, но и более эффективен в смысле потребления энергии. Более того, он был бы гораздо круче и в смысле обеспечения звонков: вместо того, чтобы застревать на одной частоте или даже на одном операторе сотовой связи, умный SDR-аппарат был бы способен автоматически отыскивать самый лучший и наименее дорогостоящий способ соединения с нужным абонентом.
При этом и изготовители подобного чудо-оборудования явно не остались бы в накладе, получая свои существенные выгоды. При такой постановке дела им уже не надо будет постоянно заморачиваться подстраиванием своей продукции под всякий новый стандарт радиокоммуникаций.
Что же касается провайдеров беспроводной связи, то они получили бы простор небывалых возможностей для быстрого и легкого разворачивания всевозможных новых сервисов. А проблема ремонта технических глюков решалась бы тривиальным скачиванием очередного патча.
Короче говоря, на бумаге и в проектах будущее радиосвязи выглядит просто замечательно. И хотя на сегодняшний день мы еще явно не достигли надлежащего технического уровня для повсеместного распространения SDR, по мнению большинства специалистов, уже вполне определенно «грядет эпоха программно-задаваемого радио».
Но не следует, впрочем, ожидать, что наступит данная эпоха одним мигом и сразу. Революции этого типа происходят через последовательность отнюдь не гигантских, но по-своему очень важных шагов.
Проблемы реализации
Для того, чтобы огромная сложность технических проблем, стоящих перед SDR, стала более понятна, полезно прояснить несколько важных моментов относительно технологий радиосвязи вообще. Ибо практически любой цифровой радиоаппарат, будь это портативная рация для радиопереговоров, пейджер, сотовый телефон или простой радиоприемник AM/FM – все они работают по большому счету совершенно одинаково.
У каждого из этих аппаратов непременно имеется так называемый RF front-end – оконечное радиоустройство, состоящее из антенны и радиочастотного приемника, которое принимает аналоговые радиоволны, отфильтровывает нежелательные участки спектра и преобразует остальное в сигнал более низкой частоты, подаваемый на аналого-цифровой преобразователь.
После чего результирующий базовый сигнал обрабатывается для извлечения из него собственно информации. То есть цифровой сигнал подвергается демодуляции, декомпресcии или декодированию разными прочими подобающими методами, что обычно осуществляется либо с помощью микросхемы специального назначения, либо цифровым сигнальным процессором (DSP), либо чипом перепрограммируемой логики (FPGA), либо, наконец, той или иной комбинацией из трех перечисленных основных компонентов.
В итоге же всех этих преобразований и получается нужный поток выходных битов – будь это голос, картинка или любые другие данные.
Технология программно-определяемого радио, или SDR, нацелена на то, чтобы избавиться, в идеале, от всех или хотя бы от большинства перечисленных аппаратных устройств.
Множество компаний, известных и не очень, давно и не без успехов работают над созданием реконфигурируемых радиочастотных чипов, способных напрямую преобразовывать любой аналоговый радиосигнал в цифровой – причем делать это в гигантском диапазоне частот, простирающемся от сотен мегагерц до нескольких гигагерц.
Но задача радикального преобразования фронт-энда радиосистемы чисто программными методами по ряду принципиальных причин является чрезвычайно сложной проблемой. Для примера достаточно упомянуть всего лишь одну вещь – технически крайне трудно разработать единую антенну с хорошим приемом в широком диапазоне частот.
Главное препятствие тому – законы физики. Обычно конструкция антенны построена на основе резонанса частот с одинаковой или кратной длиной волны. Иначе говоря, физический размер антенны естественным образом пристегивает ее к довольно узкому диапазону длин волн, при которых она способна эффективно резонировать.
Естественно, для обхода этой проблемы придумано немало альтернатив, среди которых одной из наиболее перспективных считается антенна типа «фазированная решетка», однако сделать на этом пути предстоит еще немало.
Если же говорить о тотальной идее полного накрытия с помощью SDR всех коммерчески интересных волновых диапазонов, то круг проблем оказывается значительно шире. Принимая в учет огромный диапазон рабочих частот, все еще весьма трудно решаются задачи фильтрации принимаемых сигналов, эффективного усиления мощности сигналов передачи и быстрых-эффективных аналогово-цифровых преобразований.
Военно-промышленное освоение
Историю зарождения и становления технологий программно-задаваемого радио вкратце принято излагать примерно так.
Вплоть до начала 1990-х годов идеи SDR если и выдвигались кем-то, то в лишь в абстрактно-отвлеченной форме. Просто по той причине, что в те времена подавляющее большинство радиоаппаратов обычно не имело в себе вообще никакого программного обеспечения. Ну а те передовые радиосистемы, которые все же кое-какие возможности перепрограммирования уже имели, очень мало что еще могли с этим осуществить.
Этапным моментом стал 1992 год, когда Джозеф Майтола (Joseph Mitola III), инженер американской компании E-Systems (ныне подразделение корпорации-гиганта Raytheon), выдвинул весьма новаторскую по тем временам идею: о возможности создания цифрового по своей сути радио, которое можно было бы многократно реконфигурировать самым фундаментальным образом – просто изменяя код программы, работающей в устройстве.
В примечательно ясной и четко изложенной статье, которую Майтола написал в тот год для доклада на конференции IEEE National Telesystems Conference, впервые появился и соответствующий новый термин – SDR или «софтверно-определяемое радио».
Идея SDR была сразу принята с огромным интересом, так что в том же 1992 военными США был запущен и первый проект по реализации многообещающей технологии. Проект получил название SpeakEasy, а его столь стремительный старт объяснялся тем, что в различных родах войск традиционно применяется множество очень разных и принципиально несовместимых друг с другом радиосистем.
Ну а аппаратура SpeakEasy, нацеленная на самостоятельную обработку десятка существенно разных волновых форм, сулила обрести небывалую радиостанцию с возможностями для всех родов войск впервые связываться друг с другом непосредственно и напрямую.
Самое удивительное, что всего через несколько лет визионерские идеи Джозефа Майтолы стали воплотившейся в жизнь реальностью. Благодаря однозначно успешной разработке SpeakEasy, уже в середине 1990-х годов в вооруженных силах началось массовое внедрение новых радиосистем, в которых программное обеспечение стало управлять большинством операций по цифровой обработке сигналов. Естественным следствием стало то, что один и тот же набор электроники позволял работать на множестве самых разных частот и в различных коммуникационных протоколах.
Были, впрочем, тут и существенные НО: новая технология поначалу оказалась очень недешевой и крайне громоздкой. В частности, первые аппараты такого рода занимали несколько внушительных стоек, так что «мобильными» их можно было считать достаточно условно – перевозить с места на место такую махину было возможно лишь в фургоне грузовика.
Еще одним существенным тормозом была недостаточная гибкость конструкции. Разработчики SpeakEasy сконструировали свою систему вокруг микросхемы Texas Instruments TMS320-C40, по тем временам считавшейся самым передовым из всех чипов сигнальной обработки, доступных на коммерческом рынке. Изготовленная в итоге радиостанция действительно делала все то, ради чего создавалась. Но при этом аппаратура SpeakEasy в принципе не поддавалась апгрейду.
Хотя программное обеспечение в своих функциональных аспектах было совершенно замечательным, написано оно было на языке низкого уровня и таким образом, что могло работать только с процессором TI C40 и больше ни с каким другим…
Но прогресс в области интегральных микросхем тем временем устойчиво продолжался, быстродействие чипов росло, и в новом столетии технологии SDR стали распространяться из военной техники в область коммерческих приложений. Ибо и здесь один лишь список множества разных, несовместимых и при этом широко используемых протоколов-аббревиатур способен озадачить кого угодно: BGAN и BT (Bluetooth), DECT и EDGE; GSM и CDMA; IMT-A и UMTS; WiBro, WiFi, WiMax и еще многое-многое другое.
Провайдеры беспроводной связи, в частности, одними из первых начали использовать SDR-решения в своих приемопередатчиках для базовых станций сотовой телефонии. Такой подход был сочтен самым естественным в условиях, когда для одной и той же аппаратуры крайне желательно умение работать с существенно разными сотовыми протоколами.
Уже понятно, в принципе, что следующим шагом должны стать портативные SDR-устройства, умещающиеся на ладони руки. Особо же интересно то, что вполне заметный вклад в этот поступательный процесс вносят энтузиасты-хакеры.
Хакерские подходы и снова военные
Для хакерского сообщества технология SDR несла в себе некую политическую подоплеку «борьбы за свободу» практически с самого начала. Объясняется это тем, что около десятилетия, примерно, тому назад некоторые из самых ранних любителей-энтузиастов софтверного радио всерьез заинтересовались дебатами, которые шли в ту пору во властных структурах Вашингтона вокруг «флага вещания» (broadcast flag).
С помощью данной технологии, можно напомнить, Голливуд хотел принудительно заставить все компании бытовой электроники заниматься выявлением в радиопередачах HDTV особых метаданных. А эти метаданные, соответственно, бытовые ТВ-приемники должны были воспринимать как команды для безусловного выполнения, жестко диктующие то, что телезрителям разрешено и что запрещено делать с принимаемым из эфира телевизионным контентом.
В ответ, Эрик Блоссом (Eric Blossom), основатель открытого софтверного проекта под названием GNU Radio, решил, что предпринятая ими реализация ресивера HDTV в программном виде и сопутствующая публикация его в виде открытых исходных кодов, должны наглядно продемонстрировать бесперспективность запретительных подходов индустрии к проблеме контроля за контентом.
Даже если бы правительство все-таки сделало обязательным к исполнению свой проект о реализации флага вещания, доказывал он, любому человеку будет достаточно совсем немного поколдовать с кодом программы, чтобы отключить обработку флага вещания, а затем перекомпилировать программу обработки сигнала.
Следует отметить, что усилия хакеров по созданию программного приемника для телевизионного формата вещания ATSC в конечном итоге были успешными. Но что еще важнее, этот позитивный опыт привел к рождению более масштабных проектов – ориентированных как на более широкий спектр аппаратного обеспечения, так и на значительно более широкий диапазон частот, включая способности к работе сразу с несколькими разными антеннами одновременно.
На базе GNU Radio за прошедшее десятилетие удалось создать немало любопытных SDR-изделий, устойчиво нацеленных на удешевление и общедоступность перспективной технологии. Однако действительно регулярно – уже примерно раз в квартал – такого рода новости стали приходить лишь в 2012 году.
Сначала, по весне, один любознательный радиолюбитель обнаружил, что чип совсем дешевого 20-долларового тюнера Realtek для приема цифрового ТВ – это, в действительности, уже практически готовый SDR-аппарат. То есть с помощью одной незадокументированной изготовителем инструкции этот USB-модуль – в сочетании с ноутбуком и свободно доступным ПО GNU Radio – можно превращать в весьма интересный комплекс софтверно-задаваемого радио с внушительным диапазоном рабочих радиочастот от 64 МГц до 1,7 ГГц.
Эксплуатационные характеристики столь дешевого устройства, естественно, годятся скорее для начальных экспериментов с технологией, а не для решения серьезных задач. Однако к лету 2012 на рынке уже появился готовый и тоже доступный по цене SDR-продукт куда более серьезного уровня – компьютерная плата расширения Phi от небольшой американской фирмы Per Vices. Цена этой платы, правда, уже отнюдь не бросовая – порядка 750 долларов.
И хотя в целом данный сектор пока еще остается весьма узким, однако и здесь вполне отчетливо наметилась конкуренция. К осени 2012 стало известно, что уже почти готов и совсем скоро появится в продаже SDR-аппарат HackRF от компании из Колорадо Great Scott Gadgets – реализованный в виде внешнего USB-устройства размером с портативный жесткий диск. Рабочий диапазон частот этого радиоприбора, по замыслу создателей, будет простираться от 100 МГц до 6 ГГц – при немыслимо низкой еще лет пять назад цене порядка 300 долларов.
В проекте HackRF наиболее любопытным представляется следующий факт. Эту сугубо хакерскую по своей природе разработку на основе GNU Radio в ее финальной решающей фазе взялось профинансировать DARPA – Агентство передовых военных исследований правительства США. Так что для завершения проекта его родоначальник и бессменный руководитель Майкл Оссмен (Michael Ossmann) получил от DARPA ощутимую поддержку в размере 200 000 долларов.
В прошлом Оссмен был специалистом по защите беспроводной связи в одной из крупных ИТ-корпораций. Однако его ничуть не смущает тот факт, что невиданные прежде возможности изделия HackRF и общедоступная цена могут ощутимо подорвать нынешние модели безопасности для беспроводных систем связи (нередко построенные на закрытости и «неясности» протоколов).
Он уверен, что лучше уж пусть дешевые SDR-системы окажутся в руках честных людей, занимающихся тестами на проникновение и демонстрирующих уязвимость таких сетей, нежели ситуация, когда та же технология попадет в руки более богатых злоумышленников. Которые в любом случае будут эксплуатировать эти же слабости, но только в тайне и ради собственной криминальной выгоды.
Но кроме того, Оссмен очень надеется, что подешевевшая техника SDR будет освоена и взята на вооружение намного более широким сообществом хакеров и исследователей, которые станут использовать технологию для экспериментов и творческих целей, которые сам он даже не способен пока предсказать:
«Если кто-нибудь сделает с помощью HackRF нечто действительно крутое, то я лишь скажу: Ух ты, а я-то о таком никогда и не помышлял. И вот тогда я буду точно знать, что наш проект – это успех»…
Неожиданные последствия
Чтобы хотя бы приблизительно представить масштабы тех открытий и сюрпризов, которые в недалеком будущем сможет преподнести нам SDR, полезно вспомнить сюрпризы таких технологий, как радиосвязь и компьютерные сети.
Любители фантастической литературы с удивлением не раз отмечали, что практически никому из великих (а также и рядовых) писателей-фантастов в своих визионерских картинах грядущего не удалось предсказать такие важнейшие на сегодня вещи, как сотовый телефон и интернет.
То есть в изобилии имелись, конечно, предсказания миниатюрных устройств мобильной радиосвязи или информационных терминалов для запросов любых сведений из «всепланетарной базы данных». Но при этом фантастов почему-то никак не осеняло, что быстрая и легкая индивидуальная радиосвязь может быть не только с Центром, но и вообще со всяким отдельным человеком в любом месте планеты.
А информация из компьютерной сети, оказывается, может быть не только сконцентрирована в центральном Информатории, но и эффективно распределяться среди всех участников интернета в сочетании с удобными средствами ее поиска.
Иначе говоря, по умолчанию всеми предполагалась централизованная схема управления информацией, в то время как реальность преподнесла нам принципиально распределенные схемы с равноправными участниками.
Если же возвращаться к технологии SDR и ее неисчерпаемому потенциалу для работы с самыми разными частотами передач и при всевозможных протоколах кодирования информации, то и здесь сюрпризы могут поджидать нас почти непредсказуемые. К примеру, скажем, SDR станции, быть может, однажды научат принимать сигналы оттуда, откуда их никто, в общем-то, и не ждет…
Для более доходчивого пояснения этой идеи удобно обратиться в прошлое, к жизни и делам известного шведского ученого и мыслителя Эмануила Сведенборга (1688-1772). Всем, кто захочет узнать об этом человеке побольше и в популярном изложении, можно порекомендовать содержательное эссе Татьяны Толстой. Здесь же достаточно изложить лишь суть «проблемы Сведенборга».
Как известно, главной особенностью этого ученого в последнюю треть его жизни было то, что он постоянно и много общался с усопшими и «ангелами» (как он их называл).
Именно эти ангелы, как заверял Сведенборг, надиктовали ему огромное количество страниц с нравоучительными текстами и с описаниями картин загробной жизни. Ну а среди современников многие считали ученого явно свихнувшимся, хотя и совершенно безобидным старичком.
В общем, абсолютно ничего экстраординарного в этой истории не было бы, если бы не один принципиальный момент. Невидимые собеседники Сведенборга довольно часто сообщали ему такие сведения, о которых он в тот момент никак знать не мог – однако все они впоследствии подтверждались.
А поскольку эпоха-то уже была просвещенная, конец XVIII века, то для множества воистину необычных заявлений Сведенборга сохранилась масса вполне доверяемых перекрестных свидетельств.
Один из великих современников Сведенборга, Иммануил Кант, был настолько задет сообщениями о небывалых способностях шведского феномена, что специально предпринимал поездку-расследование, дабы установить истину на месте. Однако в итоге и скептически настроенный Кант был вынужден признать, что даже самая невероятная из историй – о пожаре в Стокгольме – и та полностью подтверждается свидетелями.
Сведенборг был с визитом в Гетеборге, в 400 километрах от столицы, когда на одном из приемов он побледнел, вышел в сад, а вернувшись, сообщил всем, что в Стокгольме сейчас бушует сильный пожар, причем рассказал с подробностями о районе и уже пострадавших зданиях. Еще через некоторое время он с облегчением объявил, что пожар удалось-таки потушить, а его собственный дом не пострадал. Дня через два до Гетеборга добрались гонцы с известиями о пожаре, случившемся в шведской столице, причем детали бедствия совпали с описанием Сведенборга слово в слово.
Иначе говоря, имеются многочисленные и веские основания полагать, что в какой-то момент организм Сведенборга стал работать как приемник (точнее сказать, «мобильный телефон»), работающий с направленными лично к нему сигналами из потустороннего мира.
В медицинской практике таких людей, как известно, в любые времена регистрируется немало и все они проходят у нас по разряду сумасшедших. Ну а если проверяемые факты подтверждают наличие у психов собственных каналов связи с потусторонним – что ж, тем хуже для фактов и для психов. В дурке всех, как говорится, вылечат…
Но есть тут, однако, еще один момент – сугубо технический. То есть абсолютно не зависящий от мнений светил медицинской психиатрии. Называется этот момент «древние мегалитические сооружения». И наиболее известен он тем, что историки по сию пору не способны внятно объяснить, с какой целью в самых разных точках планеты наши доисторические предки, еще не достигшие уровня цивилизации, массово и с завидным упорством возводили циклопические сооружения из многотонных монолитных камней.
Чтобы сделать длинную историю покороче, тут придется сразу перескочить к сути. Согласно результатам технических исследований мегалитов, их камни содержат в себе высокую долю кристаллов кварца – минерала с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом, то есть свойствами преобразования одного вида энергии в другой. А основные конфигурации мегалитов – комплексы из множества «столбов»-менгиров или отдельно стоящие «домики»-дольмены – есть основания трактовать как антенны типа фазированной решетки (менгиры) или резонаторы Гельмгольца (дольмены).
То есть как устройства для приема и демодуляции волн одного частотного диапазона в волны другой частоты – звуков, слышимых для человеческого уха. Иными словами, может оказаться так, что мегалиты по сути своей – это что-то типа «стационарных телефонов» для связи с потусторонним миром предков и духов.
При желании, если как следует порыться в интернетах, можно найти косвенные тому подтверждения как в исследованиях антропологов, изучающих примитивные культуры, так и в экспериментах ученых, изучающих схемотехнику мегалитов и необычные частотные спектры излучений вокруг этих древних сооружений. Однако поиски подобные – дело долгое, неоднозначное, да и убедительное лишь для того, кто заранее готов согласиться с итоговым выводом.
А теперь представим, что такого же рода экзотический приемник, но только уже для всех желающих, удалось бы реализовать в общедоступных SDR-системах – просто подбором подходящей антенны и скачиванием нужной программы демодуляции. На первый взгляд, конечно, идея совершенно дикая и фантастическая. Но если подумать, то для людей эпохи Сведенборга все наши нынешние хайтек-штучки выглядели бы чем-то абсолютно сверхъестественным.
Однако при этом они вполне могли из сугубо практических соображений пойти к знакомому специалисту, общающемуся с потусторонним миром, дабы он отыскал там их недавно усопшего родственника и уточнил у него кое-какие важные детали, типа местонахождения очень нужного, но потерявшегося документа. И коль скоро канал этот действительно работал (что подтверждают многочисленные свидетельства очевидцев), было бы как-то глупо и недальновидно заведомо отвергать саму возможность для современных технических решений той же проблемы.
Вот так вот запросто, словно по мобильнику, пообщаться с усопшими дедушкой-бабушкой – это было бы уже и впрямь нечто действительно новенькое…
Или, если угодно, подлинная революция в технологиях радиосвязи.
The END
Дополнительное чтение:
О медленном, но неуклонном движении науки к принятию концепций «загробной жизни» и вечного существования сознания — см. материал «Там за облаками», глава 61.
kiwi arXiv 