Журнал «Компьютерра» №30 от 23 августа 2005 года

xMax Громкие заявления о тихих сигналах

С июля этого года по сетевым, а затем и бумажным масс-медиа начало распространятся сообщение о разработке флоридской компанией xG Technologу уникального метода цифровой связи. За неделю-другую новость дошла до русскоязычных ресурсов, включая нашу Computerra.ru. Как это часто бывает, новостные сообщения интернет-сайтов клонируют друг друга, по сути (а иногда и буквально) пересказывая самый первый текст одного из крупных новостных агентств. В случае с xMax это, видимо, было сообщение Сlickpress.com от 23 июня, которое, в свою очередь, пересказало пресс-релиз самой xG Technologу. Мы, конечно, не будем повторять эти сочинения, но процитируем главные заявления, чтобы стало понятно, о чем речь.

xMax — последняя инновация в широкополосных коммуникациях, эта технология радиосвязи способна передавать данные на расстояниях больше стандарта WiMAX, излучая в эфир столь слабые сигналы, что для них не нужно разрешение на использование частоты… В отличие от существующих Wi-Fi и WiMAX, рассчитанных на гигагерцовые диапазоны, новая технология обеспечивает высокую скорость на частотах ниже 1 ГГц. …Метровые и дециметровые волны распространяются гораздо дальше сантиметровых, хорошо проникая сквозь препятствия… Мы (это уже говорит Джозеф Бобье, изобретатель и технический директор xG Technologу. — Прим. ред.) имеем в виду увеличение расстояния в пять-шесть раз… Сигналы xMax так слабы, что не будут мешать обычным теле— и радиопередачам, частоты которых они станут использовать… Первая ячейка радиосети xMax построена в Майами и покрывает сорок квадратных миль…

Впечатляет? А еще Бобье заявлял «о фундаментальной смене парадигмы в области излучения радиоволн, их модуляции и демодуляции».

Если вы захотите узнать подробности и разобраться, как же такое возможно, то, наверное, отправитесь на сайт xGTechnologу.com. И вот он-то заставит вас крепко задуматься. Более того, изучение информации о xMax на других сайтах вашу задумчивость только усилит. Но обо всем по порядку.

Итак, во-первых: сеть в пригороде Майами лишь планируется запустить ближайшей осенью, а вовсе она не построена, как сообщили, например, citforum.ru и 3gnews.ru, между делом «разогнавшие» размер сети до 103 кв. км. Впрочем, другие масс-медиа часто писали «размером 40 миль», опуская слово «квадратных».

Во-вторых, на официальном сайте говорится всего лишь об экспериментальных сеансах связи «на расстоянии более одной мили». При этом использовался УКВ-диапазон и наземные антенны, а сигнал вроде бы пробил бетонные стены зданий, хотя сказано это довольно неуверенно. Еще говорится, что при излучаемой мощности 0,0005 Вт испытания показали больший уровень магнитуды сигнала, чем у Wi-Fi и других широкополосных технологий. Имел ли именно такую мощность сигнал, пробивший здания на протяжении мили, — непонятно. Текст написан таким образом, что его можно понять как угодно. О скоростях, достигнутых в экспериментах, нет ни слова, но если покопаться в разделах сайта, можно найти страницу, где сообщается о 6,24 Мбит\с на частоте 100 МГц, при этом сигнал не мешал работающей на той же частоте FM-станции. Были ли это разные испытания — одно на дальность, другие на мощность и скорость, или речь идет об одном, можно только догадываться. И это далеко не все недомолвки сайта xGTechnologу.com. Процитируем (не дословно, а по сути) официальный FAQ:

Что такое xMax?

— Это новая технология модуляции и кодирования сигналов, увеличивающая скорость их передачи в проводных и радиосистемах. Это не компрессия сигнала, а сочетание двух уже известных, широко используемых методов связи, резко повышающее эффективность использования радиоспектра.

Что такое xGFlash-сигнал?

— Это сверхмаломощный широкополосный сигнал, которым xMax передает данные. Этот сигнал с широким спектром имеет энергетический уровень ниже атмосферного шума, поэтому незаметен для традиционных систем радиосвязи — ТВ, радио, мобильных телефонов и т. д. Мощность сигнала в 100 тысяч раз ниже уровня, которым американская FCC ограничивает максимальное излучение нелицензируемых радиопередатчиков, и в 10 тысяч раз меньше мощности, разрешенной для сверхширополосных (UWB) радиосистем.

А теорема Шеннона?

— xMax не нарушает теорему Шеннона-Хартли.

Все. Точка. Ничего больше о принципах работы вы из FAQ не узнаете. Зато узнаете, что сотрудники компании работают над референсным дизайном аппаратных средств, в которых воплотится новая технология, что сфера ее применения необъятна (от компьютерных сетей и мобильников до спутников, умного дома и супер-ADSL), да еще о солидной юридической поддержке, которую оказывает фирме один из грандов американской юриспруденции. Между делом в FAQ говорится, что в оптоволокне технология работать не будет, да еще предлагается взглянуть на графики соотношения ошибок/мощности (неплохие) и скриншот спектра сигнала xMax (невразумительный, как и все остальное).

Сколько бы вы ни вчитывались в страницы xGTechnologу.com, хоть приблизительно понять, как же эта штука работает, так и не сможете. В разделе сайта «About» есть только намек. Оказывается, xMax сочетает две технологии — традиционную коммуникацию с узкополосной несущей и маломощную широкополосную передачу. Как именно сочетает? Синергетически[Это умное слово является производным от греческих «син» — совместно и «эргос» — действие]. А еще одна фраза (в разделе «News») позволяет предположить, что данные вообще передаются двумя сигналами, имеющими разную мощность.

Столь невнятное описание технологии, которая преподносится как «сотрясающая основы» и «меняющая парадигму», конечно, вызывает подозрения. А не водят ли публику за нос? Если вместо четкого изложения принципов в килобайтах рекламной трескотни содержатся лишь намеки, это подозрение само собой переходит в уверенность. Не раз и не два читали мы о похожих революционных разработках, которые на деле были ловкой аферой для выманивания инвестиций.

Когда на xGTechnologу.com тебе рассказывают, что технический директор компании Джо Бобье, еще в конце 90-х охватил свой городок и окружающие пригороды одной из первых Wi-Fi-сетей, думаешь — вот предприимчивый американец, пионер высоких технологий! Когда узнаешь, что, убедившись в «близорукости» Wi-Fi, Бобье начал размышлять о ее переносе в УКВ-диапазон, отчего и родилась xMax, думаешь — да он талант, не хуже Белла и Эдисона! Но когда на том же сайте, под шапкой «Что пишут о нас другие», даются восемь ссылок на различные издания, и все восемь ведут на копии одной статьи, написанной самим Бобье (в соавторстве с неким профессором из Принстона), уши сразу начинают готовиться к лапше.

xG Technology была основана Бобье и одним коммерческим банком в 2002 году как компания с ограниченной ответственностью, зарегистрированная в Делавере. Название банка (Mooers Branton & Company) частично совпадает с фамилией нынешнего главы xG Technology — Richard L. Mooers. Вероятно, Бобье сумел убедить банкиров в коммерческой перспективе своего проекта. Сегодня компания утверждает, что имеет филиал в Стокгольме[Шведский филиал возглавляет Матс Веннберг — бывший вице-президент европейского отделения Microsoft (www.clickpress.com/releases/Detailed/2253005cp.shtml)] и только инженеров у нее насчитывается десять человек, среди которых есть даже разработчики firmware. Поиск в Сети сведений о том, чем контора занималась раньше, дает очень скудные результаты. Тем не менее в форуме на electrothree.com один из участников дал прошлой весной ссылку на pdf-файл на сайте самой компании, согласно которому, еще три года назад Бобье обещал начать работы «по уменьшению частотной полосы, занимаемой в кабеле обычным ТВ-каналом, с 6 МГц до 30 кГц». Интересно, что сейчас этого документа на сайте нет.

Комментарии профессиональных связистов к заявлениям Бобье (и в 2002-м, и в этом году) очень скептические, если не сказать крепче. В общем-то, на этом я уже хотел закончить статью (дескать, ну вот еще один мыльный пузырь хайтека), да помешало одно обстоятельство. Статья Бобье о своем изобретении, опубликованная в восьми изданиях, была подписана не только им, но и Стюартом Швартцем — принстонским профессором с сорокалетним стажем исследований в области телекоммуникаций и внушительным списком научных работ. Швартц — настоящий профессор, с персональным разделом на университетском сервере, подлинность которого не вызывает сомнений[http://www.ee.princeton.edu/iss/faculty/stuart/index.html]. Автор этих строк решил написать г-ну Швартцу письмо с двумя краткими вопросами: «Действительно ли Вы связаны с Джозефом Бобье, и что вообще думаете об xMax?» Захотелось, так сказать, разобраться окончательно. Ответ пришел через полсуток и был краток: «Я консультировал его компанию, видел, что технология работает, анализировал ее и знаю, почему она работает. Насколько хороша она будет в реальных условиях, покажут полевые испытания». Вот так вот.

Что же все-таки скрывается под названием xMax? Если собрать вместе все ее фрагментарные описания — с официального сайта, из интервью, данных Бобье, из скриншотов и статьи Бобье-Швартца, то, как мозаика, складывается интересная картинка. Собственно говоря, несколько толковых сетевых ресурсов уже успели ее сложить, поэтому два нижеследующих абзаца будут сжатым пересказом их материалов.

Как пишет сайт Techworld.com, передатчик xMax излучает в эфир два сигнала. Один мощный, в который вкладывается 99% энергии. Он достаточно силен, чтобы помешать обычным пользователям УКВ-диапазона, так что для него все же надо искать в эфире свободное место. Однако этот «громкий» сигнал занимает очень узкую полосу — несколько килогерц, поэтому легко втискивается даже в городской эфир[Для сравнения, обычная FM-станция занимает в эфире полосу шириной 200 кГц]. Его называют несущей (carrier), но сигнал несет только служебные данные, позволяющие приемнику точно синхронизироваться с передатчиком. Мощность несущей достаточна, чтобы принимать ее безо всяких фокусов обычными радиосхемами, а длина волны (метры или дециметры) позволяет проникать глубоко сквозь стены.

Полезная же информация передается другим сигналом — xGFlash, о котором известно лишь, что он занимает в эфире много места и невероятно слаб — в десятки раз слабее атмосферного шума. Это позволяет излучать xGFlash на уже занятых частотах, где радиослушатели его не заметят. Кроме того, его не нужно регистрировать в контролирующих органах, поскольку фены и кофемолки излучают сильнее. Усилением сигнала и выделением из него данных занимается Wavelet Pass Filter — ключевой элемент приемника xMax. Вот, собственно, и все, что можно наскрести из обычных источников о принципах действия чудо-технологии.

Что можно сказать о ней? Передача служебных и полезных данных очень разными способами выглядит оригинально. xGFlash-сигнал напоминает современную широкополосную связь, но там сигналы синхронизации и автоподстройки смешаны с основными. Создатели xMax утверждают, что их приемник будет проще и дешевле конкурентов, а синхронизация с передатчиком — «экстремально прецизионной». Надо сказать, что слабыми сигналами действительно можно обеспечить высокие скорости — именно это делают сверхширокополосные (UWB) устройства. В США их мощность ограничена уровнем —41 дБм/МГц, что почти сливается с атмосферным шумом. Однако из-за такой мизерной мощности UWB-устройства очень «близоруки» — на них возлагаются надежды по связи бытовых приборов внутри квартиры и компьютерной периферии, но никак не на километровые городские сети. Создатели же xMax заявляют, что, во-первых xGFlash-сигнал слабее UWB-сигнала в тысячу раз, а во-вторых — может приниматься гораздо дальше.

Один из профессиональных связистов, которому я показывал заявления xG Technologу и описания xMax, после некоторых размышлений предположил: «Похоже на туманное описание простой синхронизации демодулятора в приемнике с модулятором в передатчике. Это действительно улучшает прием слабых сигналов, но не больше, чем на 3—5 дБ. Ни о каких „в тысячи раз ниже уровня шума“ не может быть и речи». Здесь я уже во второй раз собрался закончить статью, как мой знакомый посетовал: «Жаль, что нельзя взглянуть на их патенты…», после чего с закруглением опять пришлось повременить. А ведь действительно, если американская компания говорит о «запатентованной технологии xMax», то где же патенты?!

На сайте xG Technology о них сказано удивительно бегло: «…получен ряд патентов…», и все. Это удивительно потому, что для стартапов в порядке вещей козырять патентами, часто преувеличивая их число. Но ничего этого нет, и любопытствующим приходиться самим идти на сайт американского патентного архива. Разумеется, я тоже туда отправился и поискал по имени Bobier и названию компании. Уж разбираться, так до конца.

В архиве patft.uspto.gov нашлись три патента. Один заурядный — на имя Бобье зарегистрирован новый способ экранирования стоек с радиоаппаратурой. Второй — главного инженера компании Надим Хана, предложившего скоростной модулятор новой конструкции. И третий, самый главный, где Бобье и Хан описывают необычный способ применения амплитудной модуляции. В американском патенте № 6.901.246, выданном 31 мая 2005 года на «Suppressed cycle based carrier modulation using amplitude modulation», предлагается следующее.

Берем передатчик, излучающий одну синусоидальную несущую волну, ширина которой (иначе говоря — сколько герц она занимает в эфире) должна быть как можно меньше. В идеальном случае — бесконечной малой, как толщина прямой линии в геометрии. Благодаря такой предельной фокусировке даже слабый передатчик выдаст в эфир сигнал с высокой спектральной мощностью. Настолько высокой, что она несомненно будет мешать обычным пользователям и потому потребует свободной полосы в эфире (очень узкой).

Затем берем приемник, который принимает эту мощную и предельно узкую (а потому никому не мешающую) волну. Как передавать данные приемнику? Очень просто — амплитудой каждого цикла волны. Представьте обычную синусоиду, имеющую, грубо говоря, «горбы» одинаковой высоты (да простят мне специалисты эти детские термины). Так вот, Бобье предлагает логическую единицу передавать «горбом» максимальной высоты, а ноль — немного меньшей. Причем передавать один бит данных должен каждый цикл несущей. Соответственно, приемник, вылавливая из эфира одну волну (!) с частотой 100 МГц, превращает ее в поток скоростью 100 Мбит\с. Видимо, этим и занимается Wavelet Pass Filter.

Здесь читатели, кое-что понимающие в природе волн, наверняка воскликнут: «А как же боковые полосы?!» Да, с ними интересно… Сначала поясним тем, кто не понимает (ну, скажем так, школьникам ), о чем идет речь.

Проведите на своем компьютере простой эксперимент — возьмите любой звуковой редактор и сделайте в нем синусоиду с частотой, например 10 тысяч герц. Взгляните на нее в спектроанализаторе (хотя бы WinAmp’а) — вы увидите плато, посреди которого высится один 10-килогерцовый пик. Все правильно — это простая волна с единственной частотой. Теперь наполовину уменьшите у синусоиды высоту каждого второго цикла («горба»). Если все сделано правильно, то в спектроанализаторе вы увидите странную картину: по бокам от прежнего пика появились меньшие. Откуда эти сигналы? Вы же не добавляли новых волн. И не меняли частоту первоначальной синусоиды. Изменилась только громкость ее отдельных циклов. Вот эти сигналы и есть боковые «полосы». Самые мощные из них отстоят от основного сигнала на половинной и двойной частоте, поскольку вы меняли громкость каждого второго цикла.

Оказывается, когда единичная синусоида каким-то образом подвергается воздействию (например, меняется ее амплитуда), она перестает быть единичной. Появляется спектрально более сложный сигнал, содержащий несколько частот. Чем сложнее воздействие на синусоиду (правильнее сказать — на несущую волну), тем больше появляется дополнительных частот (боковых полос). А чем воздействие сильнее — тем сигналы на боковых полосах мощнее. Если вы попробуете отрезать новые частоты эквалайзером, то увидите, как это обрезание будет нейтрализовывать внесенные вами изменения. То есть синусоида будет возвращаться к первоначальной форме, когда все ее циклы были одинаковыми. Понять этот момент крайне важно — без боковых полос существует лишь идеальная волна с постоянной амплитудой, которая не несет в себе информации. Если мы воздействуем на волну, чтобы передать ей данные, это неизбежно создает сигналы на других частотах. Если мы полностью заглушим эти сигналы — несущая волна потеряет всю информацию.

Как было сказано выше, в своем патенте Бобье предлагает менять амплитуду каждого (!) цикла несущей, что автоматически создаст в эфире паразитные сигналы на соседних частотах. Более того, поскольку при реальной передаче будут подавляться случайные циклы в случайной последовательности (ведь нули и единицы данных будут идти как попало), то, например, нижняя боковая полоса такого сигнала займет все частоты в эфире, от нуля и до самой несущей. Возникнет тот самый широкополосный сигнал со случайными всплесками, который маркетологи компании уже успели назвать именем xGFlash и зарегистрировать как торговую марку. Тут теорема Шеннона действительно не нарушается — первоначальная узкая волна с частотой 100 МГц, после модуляции каждого цикла обретает ширину в те же 100 МГц! И вот такой она передается через радиоэфир.

Однако в метровом диапазоне нет свободных ста мегагерц. Что делать?

В патенте предлагается следующее. Мощность сигналов в боковых полосах зависит от степени модуляции. Она максимальна при глушении циклов до нуля и уменьшается при уменьшении разницы между модулированным и немодулированным циклом. Бобье и Надим Хан предлагают подавлять циклы совсем чуть-чуть, чтобы сигналы на боковых полосах оказались слабее атмосферного шума. Например, если взять несущую с частотой 30 МГц и модулировать ее циклы только на 5%, то боковые полосы окажутся в тысячу (и более) раз слабее несущей. О таких слабых сигналах можно забыть — они как бы исчезнут, а по эфиру пойдет одна сверхузкая волна. Она будет услышана приемником, который должен превратить 5-процентную разницу между амплитудами циклов обратно в нули и единицы. Вот и вся суть изобретения.

Конечно, удивительно, когда сигналы, слабые настолько, что их никак нельзя вычленить из шума, в действительности переносят информацию. Это кажется невозможным, но это так. Повторим еще раз: если приемнику xMax подать несущую волну, от которой отфильтровали все другие частоты (где и прячутся те самые сверхслабые боковые всплески), он не сможет декодировать данные, поскольку амплитуда несущей станет постоянной.

Модуляция подавлением цикла (Suppressed Cycle Modulation) выглядит многообещающе. Она занимает крайне мало места в эфире, позволяет очень плотно сводить несколько несущих, быстра и экономична, применима к любым частотам и т. д. и т. п. Почитайте патент, там немало интересного. Слабое место тоже очевидно — сможет ли приемник реагировать на едва уловимую разницу в амплитуде циклов? Особенно в условиях городского эфира, забитого слабыми помехами на всех частотах. А если сможет (принимая сразу несколько несущих, с повторами, избыточностью и т. д.), насколько устойчиво он будет это делать? Вероятно, именно на это должны ответить полевые испытания.

Сейчас же можно лишь удивляться, почему на xGTechnologу.com до сих пор не удосужились выложить нормальное описание своей разработки. Оно ведь не только неполное, но и прямо ошибочное. Вот цитата с сайта: «xMax не нарушает теорему Шеннона-Хартли, поскольку узкополосный сигнал не несет полезных данных и используется только для координации приема широкополосного сигнала». Это же неверно. Узкополосным сигналом здесь названа именно слабомодулированная несущая, и она, конечно же, несет информацию. Хотя бы потому, что, сравнивая амплитуду только ее циклов, xMax-приемник получает передаваемый поток нулей и единиц.

В заключение, чтобы напомнить читателям, о каком многообещающем проекте идет речь, приведем некоторые детали, сообщенные Бобье и руководством xG Technology в разное время и по разным поводам:

Первая сеть xMax будет работать в пригороде Майами в нелицензируемом диапазоне 900 МГц. Именно на этих частотах работают телефонные радиотрубки с радиусом действия пару сотен метров. Скорость в новой сети должна достичь 40 Мбит/с. Единственная базовая станция будет иметь ненаправленную антенну и при мощности всего 1 Вт покрывать круг поперечником 48 км.

Испытания в лаборатории компании показали, что для расстояния в 19 м передатчику достаточно сигнала мощностью 0,5 пВт. О скоростях не сообщается, но в любом случае — пиковатт меньше ватта в триллион раз, и связь таким сигналом выглядит попиранием законов физики.

По мобильным телефонам, основанным на xMax, можно будет разговаривать без перерыва несколько суток, а линии ADSL могут стать длиннее двадцати километров.

Стандарт WiMAX, долженствующий прийти на смену Wi-Fi и рассчитанный на гигагерцовые частоты, благодаря xMax получит новый способ доставки, который «опустит» его до метровых волн и, сохранив скорость, позволит проникать сквозь стены зданий, как сигналы FM-станций.

Остается дождаться осени и посмотреть, что из обещанного окажется правдой. Если xMax действительно сработает, пусть и на более скромных скоростях, это будет… нечто. Как минимум уже занятые диапазоны окажутся вновь «свободными» для цифровой связи. Ну а как максимум… можно только гадать, во что выльется использование всех возможностей такой связи. Спутниковое ТВ на антенну из куска проволоки? Полулюбительские радиостанции с покрытием не хуже грандов радиорынка? Поживем — увидим.