Три кита будущей беспроводной свободы

Александр Семенов

Иногда совсем непросто бывает выбрать имя для нового устройства. Как бы вы назвали многоцелевой “гэджет”, который может звонить по любой из сотовых сетей, связываться с точками доступа Wi-Fi 802.11a,b и g, отсылать и получать информацию по городской сети 802.16 WiMAX и совершать целый ряд иных беспроводных действий, таких как открытие дверей гаража и ближняя связь типа “воки-токи”?

Это “нечто” совсем непохоже на современный мобильный телефон, а придумывать название ему самое время, поскольку исследователи из корпорации Intel работают над новой технологией, которая позволит одному устройству выбирать самый удобный для данного конкретного момента беспроводной стандарт и организовывать связь именно в нем.

В наши дни каждое беспроводное устройство соединяется со своей сетью в одном-единственном стандарте. Дизайнеры радиосвязи в каждом конкретном случае используют определенный тип частотной модуляции и создают специальные контура для его реализации. В процессе сеанса связи радиоприемник выбирает только один тип сигнала и отбрасывает все остальные сигналы.

В результате пользователям часто приходится носить с собой два, а то и больше устройств - сотовый телефон, пейджер, ноутбук, КПК, устройство для доступа в Интернет и т.п. Одна из причин необходимости такого “букета” заключена в том, что регулирующие органы чаще всего выдают оператору лицензию на организацию связи в строго определенном диапазоне частот.

Те немногие устройства, которые могут работать в нескольких диапазонах частот, оказываются громоздкими и потребляют много энергии, поскольку конструкторы часто дублируют функции, впихивая несколько систем и приложений в одно устройство.

Чтобы разрешить все перечисленные проблемы, сотрудники корпорации Intel разрабатывают перестраиваемое радио, которое возможно изменит основополагающие принципы радиосвязи.

Бесплатное радио Intel

Более года назад на ежегодном форуме разработчиков корпорации Intel старший вице-президент и технологический директор Intel Пэт Гелсингер выдвинул идею о том, что надо добавить возможность беспроводной связи любому устройству путем интеграции радиоконтуров в каждую его часть.

Бесплатное радио Intel предусматривает наличие радиопередатчиков, работающих в нескольких стандартах и на нескольких частотах, но на единой платформе, встроенной в недорогие кремниевые чипы. Такая платформа позволяет организовать гибкие действия радиопередатчика на основе встроенной в него программы, не за горами тот день, когда она станет основополагающей технологией беспроводных коммуникаций будущего.

“Суть идеи бесплатного радио Intel заключается в том, что все беспроводные протоколы реализуются с помощью одного набора компонент, встроенных в компьютерный чип,” - говорит Стив Павловский, директор группы технологий коммуникаций и взаимосвязи. “Чтобы достичь этого, аналоговые радиочастотные и логические части радиоустройств должны быть сделаны перестраиваемыми для адаптации к разным сетям и протоколам.”

Бесплатное радио Intel, то есть, наша общая будущая беспроводная свобода, базируется на трех китах – новых устройствах, новом программном обеспечении и свободном не лицензируемом радиоспектре.

Познакомимся с каждым «китом» по отдельности

Первый кит – новые устройства

С каждым днем идеи бесплатного радио Intel приближаются к своему реальному воплощению. Исследователи из лаборатории цепей (CRL - Circuit Research Lab) Intel в Хиллсборо (штат Орегон, США) в сотрудничестве с лабораторией технологий коммуникаций и взаимосвязи уже разработали и изготавливают ключевые блоки для цифрового процессора перестраиваемого радио.

Вместо того, чтобы дублировать контура оборудования для обеспечения работы на нескольких частотах и в нескольких стандартах, созданы перепрограммируемые цепи, которые при помощи программного обеспечения позволяют реализовать различные варианты беспроводных коммуникаций в различных ситуациях.

Рэм Кришнамурти, менеджер исследовательской группы высокопроизводительных цепей в CRL так рассказывает о первых опытных образцах: “Наши исследования фокусируются на ключевых строительных блоках, таких как фильтры-умножители и декодеры Viterbi для нашего устройства, способного работать в шести протоколах (в будущем - еще больше) при помощи одного чипа с очень небольшим энергопотреблением”.

Кришнамурти объясняет, что такие чипы представляют собой новый класс архитектур, называемых гетерогенными перестраиваемыми мультипроцессорами. Они имеют высокую вычислительную эффективность в сочетании с низким энергопотреблением.

Перестраиваемое радио

По мнению Павловского к перестраиваемой логике для несущей частоты есть два основных требования. Она должна иметь возможность перестраиваться не хуже, чем процессор для обработки цифровых сигналов, а энергопотребление ее должно быть сравнимо с процессорами на базе ASIC-конфигураций.

Группа корпоративных технологий (MRL/CITL) разрабатывает вычислительную архитектуру и логику для выполнения этих требований. Архитектура для процессорной подсистемы будет содержать комбинацию вычисляющих элементов, организованных в сеть, оптимизированную для адекватного функционирования и масштабируемости.

16-битный чип усилителя, разработанный исследователями Intel, совершает миллиард операций в секунду (GOPS - gigaoperations per second) и потребляет 22 миливатта мощности. Он сделан по технологии 90-нм CMOS-полупроводников и занимает площадь 0,03 мм2. Это одна из наиболее высоких плотностей GOPS/W достигнутых за всю историю развития микропроцессоров.

Проект Paragon

Часть проекта, в котором достигнуто рекордное отношение вычислительной мощности к потребляемой носит название Paragon. Рекорд был достигнут благодаря использованию уникальной архитектуры, в составе которой программируемый процессор, набор гетерогенных перестраиваемых вычислительных элементов под названием “kernel” (они все отличаются друг от друга, поэтому архитектура и называется гетерогенной) и перестраиваемые взаимосвязи между элементами. Эта конструкция позволяет реализовать гораздо большую гибкость, чем решение со специальными интегральными цепями (ASIC - application specific integrated circuit). По мнению Кришнамурти, использование таких процессоров существенно приближает возможность организации беспроводного доступа в любое время, в любом месте и через любой протокол – то самое бесплатное радио Intel.

Второй кит – программное обеспеспечение

Иногда для того, чтобы развитие технологий сдвинулось с мертвой точки, нужны человеческие жертвы.

Много лет эксперты, занимающиеся обеспечением безопасности людей в городах, говорили о том, как плохо, что полиция, пожарные, машины экстренной медицинской помощи не могут общаться друг с другом по радио, поскольку их устройства работают на разных частотах. Все эти разговоры оставались “гласами вопиющих в пустыне”, пока трагедия 11 сентября в Нью-Йорке не показала, что многие пожарники и полицейские погибли из-за того, что не могли общаться друг с другом по радио. Несовместимость радиосвязи привела к смерти многих людей.

После 11 сентября в США активно заработал специальный комитет по совместимости (NTFI – National Task Force on Interoperability), который выпустил подробный документ с анализом, почему нет возможности единой радиосвязи между различными государственными структурами в периоды острой на то необходимости.

«Коммуникационная индустрия стала активно искать пути создания радио, работающего в нескольких частотных диапазонах, понимающего различные протоколы передачи, перестраивающегося в процессе работы и способного к простой модернизации – и все это в одном-единственном устройстве,» - говорит Рави Мурти, инженер сетевого программирования в группе корпоративных технологий корпорации Intel.

Концепция бесплатного радио Intel ориентирована на создание именно такого устройства, причем не только для американского пользователя, а для всей Земли.

Не все так просто…

Несмотря на колоссальный прогресс в CMOS-полупроводниках и других технологиях, встроить радио в чипы оказывается совсем не просто.

Дело в том, что радио – это аналоговая структура. Работающие в нем частоты и напряжения не являются дискретными, то есть, набором нулей и единиц, а изменяются непрерывно в каком-то диапазоне. Разработчики корпорации Intel столкнулись с нетривиальной проблемой: как превратить аналоговые величины в цифровые. К счастью, у них уже был определенный опыт работы над аналогичными задачами.

Например, создавая технологию «беспроводного Интернета на чипе», инженеры Intel преодолели существенные сложности, связаные с совершенно различными путями оптимизации процессов производства коммуникационных и вычислительных устройств. Вместо того, чтобы идти независимыми путями при создании отдельных чипов для коммуникаций, вычислений и памяти, разработчики Intel использовали последние достижения в создании флэш-памяти и встроили цифровые и аналоговые возможности в единый процесс. Правда, для этого пришлось объединить усилия и знания целого ряда экспертов и самых разных подразделений.

Программно-определенное радио

Естественно, создание «радио на каждом чипе» требует объединения усилий самых разных разработчиков, среди которых можно выделить два основных направления – оборудование и программное обеспечение.

Об успехах разработчиков микропроцессоров мы уже рассказали, теперь познакомимся с достижениями разработчиков ARA (Adaptive Radio Architecture – «адаптивной архитектуры радио») – набора программ, который поддерживает целый ряд систем коммуникаций, как проводных, так и беспроводных. «ARA даст возможность быстрого развития и совместимости различных перестраиваемых устройств на единой платформе,» - считает Джо Питареззи, менеджер по развитию бизнеса в лаборатории сетевой архитектуры Intel (NAL).

По мнению разработчиков Intel эта программная платформа будет развиваться и поддерживать, как гибкие радио (способные выбирать сигнал из широкого диапазона частот), так и подстраиваемые радио (гибкие радио, которые можно программно заставить выбирать нужный сигнал). Эту платформу с включением широкого круга возможностей называют программно-определенным радио (SDR – Software-defined radio).

Гибкая программная архитектура SDR обеспечивает пользователю возможность работы в различных протоколах, может быстро перестраиваться и модернизироваться. Ноутбуки, сотовые телефоны и карманные компьютеры, снабженные таким программным обеспечением, могут динамически программироваться для перестраивания. Другими словами, одни и те же детали оборудования в таких устройствах могут выполнять различные функции в различных обстоятельства.

Кроме того, то, что всегда делалось на уровне оборудования, теперь может выполняться на уровне программ. В список таких функций входит генерация сигнала, модуляция волн, обработка сигнала и использование многоуровневых протоколов.

Итак, не за горами чипы и программы для бесплатного радио Intel, но для эффективной работы ему совершенно необходима среда, в которой он будет действовать. Это только кажется, что радиоволны распространяются по воздуху беспрепятственно: на самом деле они делают это в строгом соответствии с указаниями регулирующих органов…

Третий кит – свободный нелицензируемый радиоспектр

Если и можно где отыскать настоящую свободу, то только далеко на севере. Здесь в арктическом Квебеке (Канада) немногочисленные обитатели суровой тундры охотятся, ловят рыбу и используют радиоспектр так-же, как землю и воду, без ограничений. Кевин Кан, содиректор лаборатории коммуникаций и взаимосвязи корпорации Intel, считает, что именно такое использование радиочастот и является единственно правильным в наши дни: «Спектр это общий ресурс, которым все должны пользоваться по своему желанию,» - говорит он. К сожалению, в большинстве мест на планете дело обстоит совсем не так: использование спектра строго регламентировано. По мнению многих экспертов, слишком строго.

Закон Мура добрался и до передатчика Маркони

«Нормы регулирования радиоспектра сегодня ориентированы на состояние технологий столетней давности,» - считает Кан.

В течение многих лет нормирующие органы по всему миру нарезают радиоспектр на небольшие кусочки и распределяют их между компаниями или же выставляют на аукционы для свободной конкуренции. Радиоспектр – это ведь не только радиосвязь в буквальном смысле этого слова. Это и телевидение, высокочастотная связь и вещание, радары, коротковолновая связь, спутниковая связь, открыватели дверей в гараж и устройства для контроля за спящими детьми, сотовые телефоны и все более популярный беспроводной доступ Wi-Fi, в общем, это все те килогерцы, мегагерцы и гигагерцы, которые вы порой не слышите, но активно используете в своей повседневной жизни.

«Сегодня мы присутствуем при зарождении тех радиотехнологий, которые будут использоваться всеми в ближайшие лет 70, - считает Кан – Радио всегда было аналоговым явлением, но в самое ближайшее время оно станет цифровой технологией. Образно говоря, закон Мура добрался до передатчика Маркони».

Проблемы регулирования радиоспектра на пути бесплатного радио Intel

Поскольку с самого начала было ясно, что на пути распространения бесплатного радио Intel встанут не только технологические, но и административные сложности, эксперты Intel, активно работают в тесном контакте с регулирующими органами по всему миру, чтобы создать условия для плодотворного развития новых технологий и, в частности, бесплатного радио Intel.

«Стремительное развитие микропроцессоров вскоре приведет к созданию гораздо более гибких умных радиоустройств, чем те, что используются сегодня, - считает Кан – Одним из основных препятствий на пути этих революционных изменений сегодня стали искусственные помехи и преграды, создаваемые современными правилами управления радиоспектром.» В качестве примера торжества свободного использования радиоспектра Кан приводит стремительный расцвет IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Сторонники лицензирования (иначе говоря, скрытые противники будущей беспроводной свободы) аргументируют свою позицию желанием избежать интерференции между различными сигналами, работающими без лицензии в одном диапазоне. Но, по мнению Кана, сегодня такое выделение частот стало архаичными, а сам радиоспектр используется крайне неэффективно. В любое время на самом насыщенном рынке есть множество свободных частот.

«Цифровое радио открывает совершенно новые пути для рассмотрения радичастотного спектра, - считает Кан – Прежде всего, оно сможет работать в гораздо более широком диапазоне частот, чем прежние устройства. Кроме того, цифровое радио потребляет гораздо меньше энергии. Оно умное, в том смысле, что может самостоятельно определять наличие сетей вокруг себя и переходит работать в оптимальный диапазон. Например, оно может покинуть ту или иную частоту при возникновении угрозы интерференции сигнала. Все это должны учитывать и регулирующие органы при распределении радиоспектра.»

«Не надо забывать и то, - подчеркивает Кан – что у нас появляется множество возможностей, среди которых предстоит делать оптимальный выбор и множество новых проблем. Надо тщательно думать и делать правильный выбор.»

Заключение

Реализация концепции Radio Free Intel влечет за собой не только потребность в серьезных технологических изысканиях, но и необходимость в серьезной работе на законодательном уровне. Корпорация Intel сегодня активно работает с экспертами правительственных организаций в США, странах Европы, Азиатско-Тихоокеанского региона для того, чтобы выработать единый подход к регулированию интеллектуального роуминга. Параллельно с разработкой технологических решений корпорация Intel участвует и в разработке новых отраслевых стандартов, которые в будущем обеспечат эффективное внедрение программно-интеллектуального радио, поскольку одной из проблем внедрения является повсеместное заключение соглашений между различными операторами связи и интернет-провайдерами.

И когда бесплатное радио Intel наконец заработает, все мы поймем, что такое настоящая свобода. Поскорей бы!