В прошлой статье мы затронули очень интересную тему — распределённые хостинги/хранилища данных.

Было бы странно, если бы идея распределённых систем ограничивалась только хранилищами ;-)

Поэтому сегодня мы поговорим ещё об одном интересном направлении, о котором редко говорят — распределённых сетях радиосвязи. Возможно ли это?

Наверное, в качестве первого случая прямой передачи информации между передатчиком и приёмником без каких-либо вышек можно назвать работы русского учёного А.С.Попова, который первым в мире осуществил сеанс радиосвязи, передав сообщение с помощью искрового передатчика на приёмник, что и легло в основу классической конструкции аппарата для передачи информации с помощью азбуки Морзе.

Строго говоря, он не был первым в открытии радиоволн, так как использовал принцип, предложенный ранее Герцем, но, тем не менее, именно он впервые предложил конкретный способ их практического применения для передачи сообщений, передав радиограмму со словами «Heinrich Herz» на 250 м.

Шли годы, и развитие радиосвязи позволило использовать её даже для самых дальних сеансов, так как были выяснены основные принципы, влияющие на дальность* радиосвязи:

*Здесь подразумевается, что на тот момент, когда это было открыто, ещё не существовало спутниковой связи, и, таким образом, люди вынужденно довольствовались только вещанием и приёмом с земной поверхности.

• При прочих равных, длинные волны легче огибают препятствия и складки земной поверхности, чем более короткие волны*

*Несмотря на то, что с логической точки зрения утверждение выше можно было бы принять как аксиому, используемую повсеместно, но, тем не менее, чаще для загоризонтной связи используют диапазон КВ (3-30 МГц), так как тут есть свои нюансы:

• КВ-диапазон позволяет передавать больше информации: легче всего понять это утверждение, если представить себе разные диапазоны частот как процессоры с разной тактовой частотой (ДВ, СВ, КВ, УКВ, Wi-Fi и т. д.) — где чем правее мы находимся в этой линейке перечисления, тем больше пульсаций в единицу времени можно передать, так как короче длина волны.

  Теперь вы понимаете, почему, скажем, Wi-Fi работает на достаточно высокой частоте — 2,4…5 ГГц — в отличие от ДВ-диапазона с его частотами в 30–300 кГц? Просто на такой частоте можно передать больше информации...

• Меньшая длина волны позволяет использовать более короткую антенну, а также передатчики меньших мощностей.

• КВ-диапазон эффективнее отражается от ионосферы (которая выступает как своего рода «одно из зеркал», в то время как поверхность Земли играет роль второго зеркала, и сигнал «скачет» между ними, преодолевая большие расстояния). В противовес этому, ДВ-диапазон в большей степени поглощается атмосферой.

• Для вещания на дальние дистанции принято было использовать (в одном из вариантов) вертикальные антенны в виде штырей, проводов, так как в таком случае колебания синусоиды электромагнитной волны происходят в вертикальной плоскости, что лучше помогает преодолевать неровности земной поверхности и препятствия. Сигнал же при этом (если использовать частоту КВ) распространяется на дальности до примерно 150 км.

Тем не менее, если немного задуматься, то становится понятно, что установка вертикальных антенн представляет собой довольно значительную инженерную трудность (требуется строить высокие мачты, что уже проблема). Кроме того, для эффективной работы такие антенны требуют хорошего заземления.

Также их основная проблема — недостаточная дальность, так как вертикальная поляризация таких антенн приводит к тому, что их сигнал колеблется в вертикальной плоскости и почти вертикально уходит в космос, практически не отражаясь от ионосферы — почти не задействуя естественное зеркало для радиосигнала, которое неплохо было бы использовать!

Поэтому был разработан целый класс горизонтальных антенн, которые, несмотря на то что также требуют подъёма на значительную высоту (в половину длины волны), имеют главное преимущество: за счёт горизонтального расположения, параллельно земле, плоскость колебаний их электромагнитной волны будет находиться также в горизонтальной плоскости. Другими словами, сигнал уходит к горизонту и под малым углом там отражается от ионосферы Земли, что позволяет ему производить «скачки» на 1000 км и более!

В эпоху до появления интернета любительская радиосвязь была очень распространена, что позволяло радиолюбителям из разных стран общаться между собой в эфире, даже находясь на разных континентах.

Скажем, уже в девяностые годы, когда не было «глушилок» иностранных станций, у меня всё ещё сохранялась старая советская «радиола» (радиоприёмник и проигрыватель грампластинок), на которую можно было ловить иностранные станции — достаточно было только подсоединить кусок провода в роли антенны длиной в метр и более. Загадочные голоса в эфире... Очень увлекательно это тогда звучало... :-)

Таким образом, можно вполне назвать такой способ связи децентрализованной системой, позволяющей общаться участникам напрямую, без посредников.

Новое время, новые возможности...

В подразделах ниже мы будем рассматривать различные способы осуществления радиосвязи, продвигаясь от самых дальнобойных способов к относительно близкому радиусу действия.

«Цифровизация» аналоговой радиосвязи

С появлением и взрывным развитием интернета и технологий связи в целом, радиолюбительство, в большей степени, ушло в историю, но появились и новые возможности децентрализованного общения (об этом ниже).

В начале девяностых годов группа энтузиастов в Швеции, вдохновившись идеями децентрализованных сетей, создала собственную сеть — без опоры на центральные вышки-ретрансляторы.

Информации об этом эксперименте сохранилось очень мало, однако, предположительно, сеть строилась на базе модифицированных радиостанций гражданского СВ-диапазона (27 МГц) и представляла собой первый прообраз mesh-сетей, где каждая радиостанция, помимо передачи собственного сигнала, ещё и выступала ретранслятором для сигналов других радиостанций, находившихся в радиусе досягаемости.

По тем обрывкам информации, которые удалось прочитать в своё время (ещё в 90-е годы), сеть была достаточно популярна в одном из городков и охватила его полностью, после чего под давлением правительства была закрыта (предположительно, из-за вещания участников, без каких-либо лицензий на радиосвязь).

В настоящее время интересным следствием развития технологий является то, что в чистом виде аналоговая связь во многих случаях была заменена цифровыми способами (при этом передача ведётся на тех же самых частотах, например КВ, УКВ — только в цифровом формате), что позволяет обеспечивать связь даже при очень слабом сигнале. При обычной голосовой связи на слух практически невозможно было бы разобрать, что говорит твой собеседник, но при использовании современных цифровых методов обработки, где сигнал вычленяется из шума с помощью математических алгоритмов, возможно принять и расшифровать даже сигнал, который в тысячу раз слабее того, который мог бы быть различим человеческим ухом при аналоговой связи!

Конкретный пример: как вам понравится радиосвязь между континентами при мощности передатчика в 1 Вт? :-)

Одним из таких протоколов является FT8, появившийся в 2017 году и активно развивающийся с тех пор (подробнее о технических особенностях протокола можно почитать тут).

Использование протокола в чистом виде для общения не совсем удобно — он предназначен для передачи 13-символьных сообщений жёстко каждые 15 секунд.

Такие особенности протокола существенно ограничивают его свободное использование без «сервисных надстроек».

Проще говоря, просто неудобно пользоваться протоколом для непосредственной передачи чего-то более сложного, чем позывной или короткий отчёт (скажем, пропустил своё 15-секундное окно — придётся ждать следующего...).

Поэтому для придания протоколу более удобных сервисных возможностей была разработана программа JS8Call, которая позволяет передавать длинные сообщения до 500 символов, благодаря чему можно общаться в режиме обычного чата, отправляя сообщения в любое удобное время, а уже сама программа следит за тем, чтобы отправлять эти сообщения согласно таймингу протокола, а также получать чужие сообщения, накапливать их и собирать из них более длинные.

Программа может работать на разных скоростях, где чем скорость медленнее, тем более слабый сигнал может быть принят и распознан.

Весьма полезно общение через эту программу в зонах чрезвычайных ситуаций, природных бедствий, например, для координации спасателей.

Среди интересных особенностей программы можно назвать возможность построения собственных децентрализованных сетей, так как программа поддерживает ретрансляцию чужих сообщений — то есть каждая приёмо-передающая точка ещё и выступает ретранслятором, что позволяет существенно увеличить площадь покрытия сетью.

Ещё одним любопытным моментом системы является автоматическое оповещение всех остальных, что станция находится в эфире. Это производится с помощью отправки периодического сообщения, содержащего позывной, а также дополнительную информацию (состав которой может меняться), среди которой: GPS-координаты, статус («ДЕЙСТВУЮЩАЯ» (ALIVE) и т. д.), соотношение сигнала к шуму (SNR).

Передача такого сообщения позволяет другим станциям добавлять имеющиеся в эфире станции в список доступных без потребности в опросе их в явном виде.

Подобная система передачи информирующих сигналов в терминологии системы называется «heartbeat» («сердцебиение»).

Эта программа не является единственной возможной, так как существуют и аналоги (WSJT-X, JTDX, FSQCall, Fldigi и др.), однако по сравнению с ними она обладает уникальными возможностями, в особенности — передачей больших сообщений и реализацией полноценного чата.

Вещание с помощью этого протокола ведётся преимущественно на частоте КВ, где самым популярным диапазоном является 14,074 МГц (20 м). Могут быть использованы и альтернативные частоты: 28,074 МГц (10 м), 7,074 МГц (40 м), 3,573 МГц (80 м).

Также может быть вещание и на УКВ (2 м, 70 см), но короткая длина волны ограничивает применение этого диапазона, делая его допустимым только в пределах прямой видимости.

В целом, как можно понять, выбор конкретной частоты зависит от возможностей трансивера (имеющегося под рукой приёмопередатчика).

Комплект оборудования для такой работы выглядит следующим образом: компьютер (именно на нём и установлена программа JS8Call) подключается к приёмопередатчику (трансиверу), используя звуковой интерфейс, а уже к трансиверу подключается антенна, которая и передаёт радиоволну в эфир.

Из относительно недорогих трансиверов можно использовать Xiegu G90 или даже sdr-передатчики (Software-defined Radio) наподобие HackRF One — однако последний потребует дополнительного усилителя (5-10 Вт, чтобы обеспечить более-менее дальнюю передачу), так как его собственная выходная мощность довольна мала (до 30 мВт).

Любительские базовые станции GSM с открытым исходным кодом

Следующим весьма любопытным образцом осуществления относительно дальнобойной радиосвязи является построение собственных сотовых сетей стандарта GSM с использованием программного обеспечения OpenBTS (Open Base Transceiver Station), которое, несмотря на то, что на первый взгляд не относится к децентрализованным сетям, тем не менее можно считать обладающим такими возможностями, так как позволяет построить собственную сотовую сеть без задействования элементов сетей существующих провайдеров сотовой связи.

К тому же, использование такого подхода позволяет существенно снизить затраты на создание сотовой сети.

Проект был запущен разработчиками в 2008 году с целью снизить стоимость абонентской платы за пользование сотовой связью до 1 доллара в месяц для развивающихся регионов Земли.

Первое тестирование проекта было произведено в США на фестивале Burning Man в 2008 году.

В дальнейшем, в 2010 году, аналогичная сеть была развёрнута уже на небольшом тихоокеанском острове Ниуэ, охватив сотовой сетью 1700 человек жителей острова, где столь малое количество жителей до этого являлось препятствием для разворачивания полноценных сетей стандарта GSM (нерентабельно).

Возможности подобной сети позволяют развернуть её даже на малых объектах, наподобие нефтяных платформ, удалённых корпоративных точках, а также в бедных сельских районах, например, в Африке и Латинской Америке.

С технической стороны, так же, как и предыдущий проект (на основе программы JS8Call, рассмотренной выше), базовая станция представляет собой SDR-плату, подключаемую к компьютеру, на котором установлено:

• Программное обеспечение openBTS (официальный репозиторий программы находится здесь) — нужно для непосредственной работы с радиосигналом;

• Asterisk / Freeswitch — выступают в роли АТС для VoIP;

• Smqueue — для работы с SMS-сообщениями, перенаправления сообщений другой базовой станции, работы с кодами, включающими * и #.

Стандартные возможности базовой станции позволяют осуществлять покрытие сетью в радиусе до 5 км вокруг неё.

В качестве же клиентского оборудования может выступать любой GSM-телефон.

Так как сотовые телефоны работают с задействованием sim-карт, то в рамках сети openBTS этот вопрос может быть решён следующими способами:

• Использовать виртуальную sim-карту (и проделать следующие действия для любого абонента, который будет подключаться к этой сети):

  • На абонентском телефоне необходимо войти в инженерное меню и узнать там 15-значный номер IMSI;

  • Необходимо придумать 128-битный ключ идентификации (KI) — это будет аналогом пин-кода для SIM-карты, или сгенерировать его, используя генератор;

  • Придумать номер абонента в формате:
    код_страны+код_региона+номер_абонента.

Обычно номер абонента состоит из семи-десяти знаков, а в целом весь номер можно даже выдумать «из головы», если сеть будет полностью автономной; если же сеть будет подключаться к сетям других операторов, то придётся подумать о согласовании диапазонов номеров.

После чего номер абонента нужно будет сохранить в файл .csvв формате IMSI, KI, полный_номер_абонента — на том компьютере, на котором установлена система openBTS.

• Также в качестве альтернативных методов можно эмулировать SIM-карту программным способом или установить неактивированную SIM-карту (потому что неактивированная карта ещё не содержит прописанных оператором сотовой связи IMSI и KI).

LoRa

Ещё одним интересным типом сетей является технология LoRa (Long Range), которая позволяет объединять в децентрализованные сети устройства интернета вещей (IoT), соединяя их на больших дистанциях — вплоть до 10 км. Это обеспечивается относительно большой длиной волны, которая хорошо огибает препятствия и меньше поглощается окружающей средой (примерно 34,5 см для частоты 868 МГц — разрешённой в России без лицензии; с лицензией становится возможна длина 433 МГц, у которой длина волны будет ещё больше — порядка 69 см).

В некоторых исключительных случаях дальность передачи может быть ещё больше, например, когда передатчик с LoRa во время тестов был поднят на высоту в 38 км дальность передачи составила 702 км. 

Тем не менее, несмотря на такие впечатляющие показатели, в городах дальность связи может падать до 5 км и менее. 

Сети на основе LoRa отличаются малой скоростью передачи (где-то до 50 кбит/сек, но в реальности ещё меньше) и относительно большой дальностью связи, что предопределяет их использование в качестве способа связи для мониторинга параметров разнообразных датчиков: температуры, положения, учёта расхода ресурсов (газ, вода, эл. энергия и т. д.), наличия/окончания запасов товара, контроля времени включения/выключения и т. д. 

Для технологии LoRa существует сетевой протокол LoRaWAN, управляющий трафиком в сети, её архитектурой, шифрованием и рядом других функций. 

Устройства в этой сети обычно представлены LoRa-чипом в связке микроконтроллером, датчиком(ми) и батареей. 

В России действует достаточно большое количество сетей LoRa, количество устройств в которых измеряется сотнями тысяч. 

Как можно видеть по ссылке выше, в России сети LoRa представлены в основном бизнес-решениями, и децентрализованные сети энтузиастов практически отсутствуют. 

Тогда как на Западе существует известная сеть The Things Network (TTN), которая была создана энтузиастами в 2015 году и на данный момент охватывает более 70 стран. 

Основным назначением этой сети является возможность дать каждому развернуть свою сеть IoT-устройств, в дальнейшем подключив её через LoRaWAN-шлюз к общей сети. 

Несмотря на явный запрет, в России эта сеть фактически отсутствует из-за необходимости регистрировать LoRaWAN-шлюз в государственной комиссии по радиочастотам.

LTE Direct

Ещё одной интересной технологией создания сетей является технология, разработанная Qualcomm и позволяющая устройствам соединяться напрямую друг с другом на дистанции до 500 м без каких-либо центральных базовых станций. 

В рамках такой сети устройство посылает в эфир периодические сообщения с информацией о себе, и, таким образом, на каждом устройстве можно установить локальные фильтры, самостоятельно выстраивая политику общения только с теми точками, которые интересны по тем или иным признакам. 

Потенциал такой сети интересен тем, что можно создать достаточно большую зону покрытия без использования вышек операторов связи (например, в чрезвычайных ситуациях). 

Проблемой является то, что с момента своего появления и активного тестирования в 2014-2016 годах, эта технология так и не стала массовой из-за целого ряда причин, среди которых основными, наверное, можно назвать следующие:

• Потребность в лицензии, так как без лицензии использование диапазона LTE запрещено.

• Незаинтересованность операторов в развитии технологии децентрализованной связи, минуя их инфраструктуру.

Wi-Fi Direct, Bluetooth Mesh

Этот обзор был бы неполным, если не упомянуть wi-fi direct, позволяющий соединяться устройствам напрямую без роутера, однако для построения полноценных сетей технология довольно проблемная как минимум из-за быстрого разряда батареи клиентского устройства во время работы в режиме полноценной точки, а также технологию Bluetooth Mesh, позволяющую строить децентрализованные сети с использованием Bluetooth 4.0/5.0, где скорость передачи может достигать 1 Мбит/сек с возможным радиусом между аппаратами до 200 м. 

В рамках этой сети аппараты выступают (в том числе) ретрансляторами для чужих сообщений.

Однако современные смартфоны не поддерживают технологию Bluetooth Mesh на аппаратном уровне в полной мере, и для создания такой сети требуются вспомогательные устройства — например, микроконтроллеры ESP32.

Таким образом, смартфон подключается к ESP32, а уже ESP32 с установленной прошивкой например, такой, будет являться полноценным узлом сети, позволяющим передавать как данные подключённого смартфона, так и ретранслировать чужие сообщения. 

Подытоживая, можно сказать, что после изучения множества способов создания децентрализованных сетей становится понятно: по большому счёту такие сети могут быть построены с использованием различных типов радиосвязи. Тем не менее, выбор подходящего в каждом конкретном случае типа связи будет зависеть не только от сугубо технических характеристик, но и от других факторов, в частности — юридических трудностей...

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»