Три кита будущей беспроводной свободы
Александр Семенов
В наши дни любое беспроводное устройство соединяется со своей сетью в одном-единственном стандарте. Инженеры радиосвязи в каждом конкретном случае используют определенный тип частотной модуляции и создают специальные контуры для его реализации. В процессе сеанса связи радиоприемник выбирает только один тип сигнала и отбрасывает все остальные.
В результате мобильным пользователям порой приходится носить с собой целый "букет" устройств – сотовый телефон, пейджер, ноутбук, КПК, устройство для доступа в Интернет и т. п. Одна из причин такого неудобства – 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.
Для решения непростой и крайне актуальной задачи "всеобщей совместимости" корпорация
Intel (http://www.intel.com) приступила к
созданию интеллектуальной платформы, способной осуществлять поиск радиосигнала
любого стандарта и выходить на связь с источником в любом месте и в любое время.
Платформа будет реализована фактически в одном полупроводниковом элементе, интегрированном
в каждой микросхеме Intel, что даст возможность миллионам устройств "разговаривать"
друг с другом и "понимать" друг друга. Это будет реальная конвергенция вычислительных
и коммуникационных технологий.
Микросхема со встроенным радиоэлементом одновременно станет и существенным шагом на пути к всеобщей миниатюризации. Сегодня радиоустройства занимают немало места и потребляют немало энергии, в то время как микроэлементы, встроенные в чипы, смогут превратить наручные часы, к примеру, в терминалы для сеансов видеосвязи, а женские клипсы или брелоки для ключей – в полноценные мультидиапазонные сотовые телефоны.
Бесплатное радио Intel
В феврале 2002 г. на ежегодном Форуме разработчиков корпорации Intel (IDF) старший вице-президент и директор Intel по технологиям Пэт Гелсингер впервые озвучил идею о том, что надо добавить возможность беспроводной связи любому устройству путем интеграции радиоконтуров в каждую его часть. Radio Free Intel предусматривает наличие радиопередатчиков, работающих в нескольких стандартах и на нескольких частотах, но на единой платформе, встроенной в недорогие кремниевые микросхемы. Такая платформа позволяет организовать гибкие действия радиопередатчика на основе встроенной в него программы, и не за горами тот день, когда она станет основополагающей технологией беспроводных коммуникаций будущего.
"Суть идеи Radio Free Intel заключается в том, что все беспроводные протоколы реализуются с помощью одного набора компонентов, встроенных в компьютерную микросхему, – говорит Стив Павловски, директор группы технологий коммуникаций и взаимосвязи (Communications and Interconnect Technologies) Intel. – Чтобы достичь этого, аналоговые радиочастотные и логические части радиоустройств должны быть перестраиваемыми для адаптации к разным сетям и протоколам".
Естественно, Intel разрабатывает новую технологию не в одиночестве: есть свои
наработки у лидеров телекоммуникационного рынка – компаний Texas Instruments
(http://www.ti.com) и Motorola (http://www.motorola.com),
уже несколько лет работают в этом направлении Sandbridge Technologies (http://www.sandbridgetech.com),
General Dynamics (http://www.GeneralDynamics.com)
и Analog Devices (http://www.analogdevices.com).
Другой вопрос, что участие такого гиганта индустрии, как корпорация Intel, в
решении столь насущной проблемы наверняка придаст процессу мощный импульс. "Хорошо,
когда в работу включается крупный производитель, – говорит Руперт Бейнс, вице-президент
PicoChip, британской компании по производству коммуникационного оборудования.
– Это лишний раз подтверждает то, что мы занимаемся действительно перспективными
вещами".
 |
Все началось с Маркони.
|
Ищут пожарные, ищет полиция…
Рассказывают, что в 1983 г. во время высадки американских войск на Гренаде одному армейскому генералу пришлось срочно искать мелочь для таксофона, чтобы наладить связь с другим подразделением, – оказалось, что армейские радиостанции разных родов войск не могли связаться друг с другом. Чтобы избежать подобных казусов в будущем, военные решили разработать радиотехнологию, способную обеспечивать связь в мультичастотном режиме. Вскоре к разработке программируемого радио присоединились операторы сетей мобильной связи, полиция и пожарные.
Упомянутая уже компания PicoChip (http://www.picochip.com)
недавно предложила программно-интеллектуальную платформу для базовых станций
сотовых сетей. Сегодня базовая станция предназначена для работы в одном-единственном
стандарте, и процесс смены стандарта или его обновления долог, дорог и сложен.
С программно-интеллектуальным радио, наоборот, все легко и просто: не надо менять
никакого оборудования, необходимые операции можно провести в операционном центре.
По мнению экспертов, использование подобных технологий может сэкономить сотовым
операторам десятки миллионов долларов в момент выхода на новые рынки.
Военно-морские силы США уже используют цифровое интеллектуальное радио, разработанное компанией General Dynamics, – устройство размером с переносной телевизор и массой не более сотни килограммов заменяет радиорубку подводной лодки, забитую шкафами с радиооборудованием. Правда, стоит этот аппарат около 400 тыс. долл. Пока стоимость устройств на базе программно-интеллектуальных радиоэлементов остается более высокой, чем цена "гибридных" устройств.
"Бесплатное радио" Intel базируется на "трех китах" – новых устройствах, новом программном обеспечении и свободном нелицензируемом радиоспектре. Познакомимся с каждым из них подробнее.
Кит первый – новые устройства
Чтобы интегрировать возможности беспроводной связи в каждое полупроводниковое устройство, корпорация Intel предлагает использовать преимущества производства стандартных КМОП-полупроводников (complimentary metal-oxide semiconductor). Большие объемы и низкие издержки этого производства сделают "бесплатное радио Intel" простым и удобным для пользователей. Подход Intel к архитектуре программно-интеллектуального радио основан на использовании набора специальных элементов с определенными вычислительными функциями. Программируя различные связи между ними, можно реализовать все необходимые протоколы радиосвязи. При этом технология MEMS позволяет существенно уменьшить размер и стоимость пассивных компонентов (катушки индуктивности, конденсаторы и т. д.), необходимых в электрической цепи радио.
Еще одна область, где ведутся исследования и разработки, – использование так называемых умных антенн, позволяющих с помощью специальных каскадов усиливать радиосигнал и концентрировать его в ограниченном телесном угле, что не только улучшает качество приема, но и снижает помехи со стороны других передатчиков. Применение технологии "умных антенн" приводит к более эффективному использованию частотного спектра, увеличению пропускной способности сети и ее емкости при одновременном уменьшении интерференции в переполненном частотном спектре.
Сочетание всех этих технологий позволит реализовать идею "гибкого радио" – устройства, способного выбирать в зависимости от ситуации тот радиопротокол и ту частоту, которые ему удобнее использовать в данный момент. Такое решение значительно приблизит тот день, когда универсальный интеллектуальный роуминг из области фантастики переместится в нашу жизнь.
С каждым днем идеи бесплатного радио Intel приближаются к своему реальному воплощению. Исследователи из лаборатории цепей (Circuit Research Lab, CRL) Intel в Хиллсборо (шт. 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 контуры оборудования для работы на нескольких частотах и в нескольких стандартах, созданы перепрограммируемые цепи, которые при помощи ПО могут реализовать различные варианты беспроводных коммуникаций в разных 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 по шести протоколам (в будущем их станет еще больше) при помощи одной микросхемы с очень небольшим энергопотреблением".
Как объясняет г-н Кришнамурти, такие микросхемы представляют собой новый класс архитектур, называемых гетерогенными перестраиваемыми мультипроцессорами. Они имеют высокую вычислительную эффективность в сочетании с низким энергопотреблением.
 |
Таким был первый передатчик.
|
Перестраиваемое радио
По мнению Стива Павловски, к перестраиваемой логике для несущей частоты предъявляются два основных требования. Она должна быть в состоянии 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-разрядная микросхема усилителя, разработанная исследователями Intel, совершает миллиард операций в секунду (GOPS – gigaoperations per second) и потребляет 22 мВт мощности. Она сделана 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 которую входят программируемый процессор, набор гетерогенных перестраиваемых вычислительных элементов под названием kernel (все они 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 Рэма 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.
Кит второй – программное обеспечение
Много лет эксперты по обеспечению 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 "гласом 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 гибели людей.
После 11 сентября в США активно заработал специальный комитет по совместимости (NTFI – National Task Force on Interoperability), который выпустил подробный документ с анализом того, почему отсутствует единая радиосвязь между различными государственными структурами в периоды острой 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 всего населения Земли.
Не все так просто…
Несмотря на колоссальный прогресс в CMOS-полупроводниках и других технологиях, встроить радио в микросхемы оказывается совсем не просто.
Дело в том, что радио – это аналоговая структура. Значения используемых в нем частот и напряжений не являются дискретными (т. е. 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 сходными задачами.
Например, создавая технологию "беспроводного Интернета на микросхеме", инженеры Intel преодолели существенные сложности, связанные с совершенно различными путями оптимизации процессов производства коммуникационных и вычислительных устройств. Вместо того, чтобы идти независимыми путями, создавая отдельные микросхемы 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 определяемое радио
Естественно, создание "радио на каждой микросхеме" требует объединения усилий самых разных разработчиков, причем здесь 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 Питарецци, менеджер по развитию бизнеса в лаборатории сетевой архитектуры Intel (NAL).
По мнению разработчиков Intel, эта программная платформа будет развиваться и поддерживать как гибкое (способное выбирать сигнал из широкого диапазона частот), так и подстраиваемое радио (гибкое радио, которое можно программно заставить выбирать нужный сигнал). Эту платформу с включением широкого круга возможностей называют программно определяемым радио (Software-Defined Radio, SDR).
Гибкая программная архитектура SDR обеспечивает пользователю возможность работы по различным протоколам, способна быстро перестраиваться и модернизироваться. Ноутбуки, сотовые телефоны и КПК, снабженные таким ПО, могут динамически программироваться для перестраивания. Другими словами, одни и те же детали оборудования в таких устройствах могут выполнять разные функции в разных обстоятельствах.
Кроме того, то, что всегда делалось на уровне оборудования, теперь может выполняться на уровне программ. В список таких функций входят генерация сигнала, модуляция волн, обработка сигнала и использование многоуровневых протоколов.
Итак, микросхемы и программы для бесплатного радио Intel не за горами, но для эффективной его работы еще 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…
Кит третий – свободный нелицензируемый радиоспектр
Если и можно где-то 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 можно считать 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 Кевин 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, устройства, открывающие двери в гараже, 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, которых мы порой не слышим, но активно используем в повседневной жизни.
"Сегодня мы присутствуем при зарождении тех радиотехнологий, которые будут использоваться всеми в ближайшие лет 70, – считает Кевин Кан. – Радио всегда было аналоговым, но в самое ближайшее время оно станет цифровой технологией. Образно говоря, закон Мура добрался до передатчика Маркони".
Проблемы регулирования радиоспектра
Поскольку с самого начала было ясно, что на пути распространения бесплатного радио Intel встанут не только технологические, но и административные сложности, эксперты Intel работают в тесном контакте с регулирующими органами по всему миру, чтобы создать условия для плодотворного развития новых технологий.
"Стремительное развитие микропроцессоров вскоре приведет к созданию гораздо более гибких умных радиоустройств, чем те, что используются сегодня, – считает Кевин Кан. – Одним из основных препятствий на пути этих революционных изменений сегодня стали искусственные помехи и преграды, создаваемые правилами управления радиоспектром". В качестве примера торжества свободного использования радиоспектра Кан приводит стремительный расцвет стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi).
Сторонники лицензирования (иначе говоря, скрытые противники будущей беспроводной свободы) аргументируют свою позицию желанием избежать интерференции между различными сигналами, действующими без лицензии в одном диапазоне. Но, по мнению г-на Кана, сегодня такое выделение частот стало архаичным, 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 радиочастотного спектра, – считает Кевин 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 переходить 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 о том, – подчеркивает г-н Кан, – что у нас появляется множество возможностей, среди которых предстоит выбрать оптимальные, 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 взаимодействует 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 Intel участвует и в разработке новых отраслевых стандартов, которые в будущем обеспечат эффективное внедрение программно-интеллектуального радио, поскольку одна из проблем внедрения – повсеместное заключение соглашений между различными операторами связи и Интернет-провайдерами.
Директор корпорации Intel по технологиям Патрик Гелсингер уверен: "Недалек
тот день, когда мы сможем создавать радиоустройства, способные работать в нескольких
режимах и в разных сетях одновременно (например, интеллектуальные сотовые телефоны
с интегрированной памятью, возможностями обработки приложений и немодулированной
передачи данных), и все это будет сосредоточено на одном полупроводниковом кристалле.
Вы сможете поместить этот кристалл в наручные часы, в миниатюрный наушник-клипсу,
в микрофон, закрепленный на лацкане пиджака, – куда угодно! Хорошая новость:
все эти "чудеса" станут доступны разработчикам приложений и потребителям уже
в конце текущего десятилетия, а то и раньше. Используя новые подходы в КМОП-технологии
и в технологии миниатюрных электромеханических систем (micro-electrical mechanical
systems, MEMS), мы уже сегодня можем интегрировать все основные схемы и компоненты,
необходимые для создания КМОП-кристаллов радиомикросхем, непосредственно на
стандартной кремниевой КМОП-пластине. Наши исследования в этой области идут
с большим опережением графика. Мы уверенно продвигаемся к нашей цели – реализации
концепции Radio Free Intel в течение ближайших трех-пяти лет".
Ренессанс радиоИз выступления Патрика Гелсингера на IDF Fall в Сан-Хосе 18 сентября 2003 г. "Всего через десять лет большинство жителей Земли будет общаться друг Первая – адаптивность к физическим условиям. Прежде, когда связь была
Вторая сфера – адаптивность к сети. Пэт Гелсингер обратил внимание слушателей Третье направление – адаптивность к пользователям. Пэт Гелсингер еще Однако для реализации "Ренессанса радио" приходится разрабатывать компоненты, |
