Перспективы развития радиотехнологий

Сергей Пахомов

Бесплатное радио Intel

Эволюция на аппаратном уровне

Свободный радиоспектр

 

Сегодня пользователям нередко приходится носить с собой два или даже больше мобильных радиоустройств: сотовый телефон, ноутбук и КПК с модулем беспроводного доступа, специальные устройства для беспроводного доступа в Интернет и т.п. Помимо различной функциональности, важной причиной существования такого «букета» является то, что каждое устройство способно работать лишь в строго определенном диапазоне радиочастот, на организацию связи в котором регулирующие органы выдают лицензию компании-оператору.

Для решения непростой и крайне актуальной задачи всеобщей совместимости различных радиоустройств корпорация Intel приступила к созданию интеллектуальной платформы, способной осуществлять поиск радиосигнала любого стандарта и подключаться к сети в любом месте и в любое время. Как ожидается, платформа будет реализована фактически в одном полупроводниковом элементе, интегрированном в каждом чипе Intel, что даст возможность миллионам устройств «разговаривать» друг с другом и «понимать» друг друга.

Чип со встроенным радиоэлементом одновременно является важным шагом на пути к всеобщей миниатюризации. Сегодня RF-устройства занимают немало места и потребляют достаточно много энергии, в то время как микроэлементы, встроенные в чипы, смогут превратить наручные часы в... терминалы для сеансов видеосвязи, а женские клипсы или брелоки для ключей — в полноценные мультидиапазонные сотовые телефоны.

Бесплатное радио Intel

Еще в феврале 2002 года на ежегодном Форуме корпорации Intel для разработчиков старший вице-президент и технологический директор Intel Патрик Гелсингер впервые выдвинул идею о необходимости добавить любому устройству функциональность беспроводной связи путем интеграции радиоэлементов в его микрочипы. При этом массовое производство подобных комбинированных микросхем позволит свести затраты на интеграцию дополнительной функциональности практически к нулю. Концепция, предложенная Патриком Гелсингером, получила название «Бесплатное радио Intel» (Radio Free Intel).

Концепция «Бесплатного радио Intel» предусматривает наличие радиопередатчиков, работающих в нескольких стандартах и на нескольких частотах, но на единой платформе, встроенной в недорогие кремниевые чипы. Суть идеи бесплатного радио заключается в том, что все беспроводные протоколы реализуются при помощи одного набора компонентов, встроенных в компьютерный чип. Чтобы достичь подобной цели, аналоговые радиочастотные и логические части радиоустройств должны автоматически перестраиваться для адаптации к разным сетям и протоколам.

Естественно компания Intel — не единственная, кто разрабатывает столь перспективную технологию; свои наработки есть у лидеров телекоммуникационного рынка — компаний Texas Instruments и Motorola; уже несколько лет трудятся в этом направлении Sandbridge, General Dynamics и Analog Devices.

Недавно компания PicoChip предложила программно-интеллектуальную платформу для базовых станций сотовых сетей. Сегодня базовая станция предназначена для работы в одном-единственном стандарте, при этом процесс смены стандарта или его обновления долог, дорог и сложен. С программно-интеллектуальным радио, наоборот, все обстоит легко и просто: не требуется менять никакого оборудования, необходимые операции можно совершить в операционном центре. По мнению экспертов, использование подобных технологий может сэкономить сотовым операторам десятки миллионов долларов на момент выхода на новые рынки.

Военно-морские силы США уже используют цифровое интеллектуальное радио, разработанное компанией General Dynamics, — устройство размером с переносной телевизор и весом не более сотни килограммов заменяет радиорубку подводной лодки, забитую шкафами с радиооборудованием. Правда, стоит этот аппарат около 400 тыс. долл.

В начало В начало

Эволюция на аппаратном уровне

Чтобы интегрировать возможности беспроводной связи в каждое полупроводниковое устройство, корпорация Intel предлагает использовать преимущества производства стандартных CMOS-полупроводников (complimentary metal-oxide semiconductor). Большие объемы и низкие издержки этого производства сделают «Бесплатное радио Intel» простым и удобным для конечных пользователей. Подход Intel к архитектуре программно-интеллектуального радио основан на использовании набора специальных элементов с определенными вычислительными функциями. Программируя различные связи между этими элементами, можно реализовать все необходимые протоколы радиосвязи. При этом технология MEMS (micro-electrical mechanical systems) позволяет значительно уменьшить размеры и стоимость пассивных компонентов (катушек индуктивности, конденсаторов и др.), необходимых в электрической радиоцепи.

Еще одна область, где ведутся исследования и разработки, — использование так называемых умных антенн, позволяющих с помощью специальных каскадов усиливать радиосигнал, а также концентрировать его в ограниченном телесном угле, что не только улучшает качество приема, но и снижает возможность помех со стороны других передатчиков. Применение технологии умных антенн приводит к более эффективному использованию частотного спектра, а также к 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. Подобное решение значительно приблизит тот день, когда универсальный интеллектуальный роуминг перестанет быть темой фантастических произведений.

С каждым днем идея «Бесплатного радио Intel» приближается к своему реальному воплощению. Исследователи из лаборатории цепей Circuit Research Lab (CRL) корпорации Intel в Хиллсборо (шт. Орегон) в сотрудничестве с лабораторией коммуникационных технологий разработали и уже изготавливают ключевые блоки для цифрового процессора автоматически перестраиваемого радио. Чтобы не дублировать контуры цепей для обеспечения работы на нескольких частотах и в нескольких стандартах, исследователи создали перепрограммируемые цепи, которые с помощью программного обеспечения позволяют реализовывать различные варианты беспроводных коммуникаций.

Рэм Кришнамурти, менеджер исследовательской группы высокопроизводительных цепей в CRL, так описывает опыт создания первых опытных образцов: «Наши исследования фокусируются на ключевых строительных блоках — таких как фильтры-умножители и декодеры Viterbi для созданного нами устройства, способного работать с шестью протоколами (в перспективе — с еще большим количеством) 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.

Однако, несмотря на колоссальный прогресс в CMOS-полупроводниковых и других технологиях, встроить радио в чипы оказывается совсем не просто.

Дело в том, что радио — это аналоговая структура, работающая на частотах и с напряжениями, являющимися не дискретными, а изменяющимися непрерывно в каком-либо диапазоне. Разработчики корпорации Intel столкнулись с неординарной проблемой: как превратить аналоговые величины в цифровые. К счастью, у них уже был накоплен определенный опыт решения аналогичных задач.

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

Не меньших успехов добились разработчики ARA (Adaptive Radio Architecture — архитектура адаптивного радио) — набора программ, который поддерживает целый ряд систем коммуникаций, как проводных, так и беспроводных. По мнению разработчиков Intel, эта программная платформа будет развиваться и вскоре сможет поддерживать и гибкое радио, способное выбирать нужный сигнал из широкого диапазона частот, и подстраиваемое радио, которое будет запрограммировано на самостоятельный поиск нужного сигнала. Эту интеллектуальную платформу с широким кругом возможностей называют программно-определенным радио (software-defined radio, SDR).

Гибкая программная архитектура SDR обеспечивает пользователю возможность работы с различными протоколами передачи данных, быстрой перестройки и модернизации. Ноутбуки, сотовые телефоны и карманные компьютеры, снабженные таким программным обеспечением, смогут динамически программироваться для перестройки. Иными словами, одни и те же детали оборудования в таких устройствах смогут выполнять разные функции в различных обстоятельствах. Кроме того, многие функции будут исполняться программно. В список таких функций входит генерация сигнала, модуляция волн, обработка сигнала и использование многоуровневых протоколов.

В начало В начало

Свободный радиоспектр

Если где и можно отыскать настоящую «радиосвободу», то только на крайнем севере. В канадской провинции Квебек немногочисленные обитатели тундры охотятся, ловят рыбу и используют радиоспектр так же, как землю и воду, то есть без ограничений. Кевин Кан, директор лаборатории коммуникационных технологий корпорации Intel, считает, что именно такое использование радиочастот и является единственно правильным в наши дни. «Радиоспектр — это общий ресурс, которым все должны пользоваться по своему желанию», — говорит он. К сожалению, в большинстве мест на планете использование спектра строго регламентировано. По мнению многих экспертов, слишком строго. «Нормы регулирования радиоспектра сегодня ориентированы на состояние технологий столетней давности», — утверждает 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 продажи. Радиоспектр — это и телевидение, и высокочастотная связь и вещание, и радары, и коротковолновая связь, и спутниковая связь, и некоторые типы дистанционных пультов (например, те, что открывают двери в гаражах), и устройства для контроля за спящими детьми, и сотовые телефоны, и все более популярный сегодня беспроводной доступ стандарта Wi-Fi. Словом, все это те самые килогерцы, мегагерцы и гигагерцы, которых вы порой не слышите, но активно используете в своей повседневной жизни.

Поскольку с самого начала было ясно, что по мере своего распространения «Бесплатное радио Intel» столкнется не только с технологическими, но и с административными сложностями, эксперты Intel активно работают в тесном контакте с регулирующими органами по всему миру, чтобы создать условия для плодотворного развития новых технологий, в частности «Бесплатного радио Intel».

«Стремительное развитие микропроцессорных технологий вскоре приведет к созданию гораздо более гибких и умных радиоустройств, чем те, что используются сегодня,  — считает Кан. — Одним из основных препятствий на пути этих революционных изменений сегодня являются преграды, создаваемые современными правилами управления радиоспектром». В качестве примера торжества свободного использования радиоспектра Кан приводит стремительный расцвет стандартов семейства IEEE 802.11.

Сторонники лицензирования аргументируют свою позицию желанием избежать интерференции между различными сигналами, работающими без лицензии в одном диапазоне. «Цифровое радио открывает совершенно новые пути для рассмотрения радичастотного спектра,  — говорит Кан. — Прежде всего, оно сможет работать в гораздо более широком диапазоне частот, чем прежние устройства. Кроме того, цифровое радио потребляет значительно меньше энергии. Оно умное в том смысле, что может самостоятельно определять наличие сетей вокруг себя и переходить на оптимальный диапазон. Например, оно может покинуть ту или иную частоту при возникновении угрозы интерференции сигнала и помех службам экстренной помощи. Все это должны учитывать и регулирующие органы при распределении радиоспектра».

Реализация концепции Radio Free Intel влечет за собой не только потребность в серьезных технологических изысканиях, но и необходимость серьезной работы на законодательном уровне. Корпорация Intel сегодня активно работает с экспертами правительственных организаций США, стран Европы, Азиатско-Тихоокеанского региона для того, чтобы выработать единый подход к регулированию интеллектуального роуминга. Параллельно с разработкой технологических решений корпорация Intel участвует и в обсуждении 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.

В грядущем десятилетии радио станет неотъемлемой частью любого устройства. Ключевым в этом процессе является понятие адаптивности, то есть изменения поведения устройства в ответ на новое либо изменившееся поведение окружающей среды. В работе мобильных устройств можно выделить три сферы адаптивности.

Первая — адаптивность к физическим условиям. Прежде, когда связь была проводной, условия соединения по установленному каналу с течением времени практически не менялись. При организации беспроводной связи на многокилометровых расстояниях приходится считаться с тем, что физические условия между приемником и передатчиком постоянно меняются и это делает связь нестабильной. При помощи системы умных антенн и режима работы MIMO (Multiple Input Multiple Output) качество связи повышается многократно, а энергопотребление снижается в миллион раз. Суть данного метода заключается в том, что сигнал передается не с одного передатчика на один приемник, а делится между четырьмя передатчиками и четырьмя приемниками. Такое дробление позволяет избежать потери качества связи и усилить передающийся сигнал, причем в определенном направлении распространения сигнала.

Вторая сфера — адаптивность к сети. Любой из нас не раз попадал в ситуацию, связанную с необходимостью перезагрузки сети, поскольку множественное обращение пользователей к одной точке доступа снижает скорость передачи данных у каждого из них в отдельности. Intel предлагает иной способ организации связи: посылать информацию не напрямую к требуемой точке доступа, а от «соседа» к «соседу», резко повышая пропускную способность беспроводной сети.

Наконец, третье направление — адаптивность к пользователям. В прошлом году на осеннем Форуме Intel для разработчиков в Сан-Хосе был продемонстрирован образец нового класса мобильных устройств — «универсальный коммуникатор». При перемещении устройства по залу оно в режиме интеллектуального роуминга переключалось из стандарта 802.11 в сотовую сеть GSM, а затем переходило на технологию GPRS. При этом на экране коммуникатора сохранялось качественное видеоизображение.

 

 

При написании статьи использовались материалы, предоставленные компанией Intel.

КомпьютерПресс 1'2004