Introduzione
Negli ultimi anni le comunicazioni vocali digitali hanno trasformato profondamente il mondo radioamatoriale. DMR, D-STAR e System Fusion hanno permesso di collegare ripetitori distanti, creare reti internazionali e integrare la radiofrequenza con Internet.
Questi sistemi, tuttavia, derivano in larga misura da tecnologie commerciali o dipendono da componenti proprietari. Il radioamatore può utilizzarli, programmarli e collegarli in rete, ma raramente può studiarne, modificarne e ricostruirne liberamente ogni componente.
Da questa esigenza nasce M17, un protocollo digitale progettato specificamente per il servizio di radioamatore, con hardware, software e documentazione liberamente accessibili.
M17 non vuole essere semplicemente un altro modo digitale. Il suo obiettivo è riportare al centro della radio digitale lo spirito sperimentale che caratterizza da sempre il radiantismo.
Che cos’è M17
M17 è un protocollo radio digitale completo destinato alla trasmissione di voce e dati. Il progetto sviluppa non soltanto il protocollo, ma anche librerie software, modem, firmware, reflector, gateway e apparati sperimentali.
Il progetto ebbe inizio nel 2019 a Varsavia per iniziativa del radioamatore polacco Wojciech Kaczmarski, SP5WWP. La comunità che si è successivamente formata intorno a M17 comprende oggi sviluppatori software, progettisti elettronici e sperimentatori provenienti da numerosi Paesi.
La caratteristica principale è l’apertura dell’intero ecosistema:
- specifiche del protocollo pubbliche;
- software liberamente consultabile e modificabile;
- progetti hardware disponibili;
- assenza di un’infrastruttura controllata da un singolo produttore;
- impiego del codec vocale open source Codec 2.
Il progetto dichiara espressamente di voler consentire ai radioamatori di costruire, modificare e studiare autonomamente gli apparati, senza dover dipendere da licenze o royalty sul codec vocale.
Perché M17 è diverso
Nel DMR radioamatoriale utilizziamo una tecnologia originariamente sviluppata per le comunicazioni professionali. Il protocollo ETSI prevede una struttura TDMA con due intervalli temporali: ogni trama dura 60 millisecondi ed è divisa in due slot da 30 millisecondi, permettendo generalmente due comunicazioni indipendenti sulla stessa portante.
D-STAR nacque invece nell’ambiente radioamatoriale giapponese, ma utilizza per la voce il codec AMBE sviluppato da DVSI.
System Fusion è l’implementazione digitale radioamatoriale di Yaesu e utilizza la modulazione C4FM per trasmettere voce e dati.
M17 adotta una filosofia differente: non si limita ad avere una specifica radio accessibile, ma punta a rendere aperta l’intera catena, dalla codifica della voce al modem, dal firmware dell’apparato al software del reflector.
Questo non significa che M17 sia automaticamente superiore agli altri sistemi. DMR, D-STAR e System Fusion dispongono di un parco apparati molto più vasto, infrastrutture consolidate e procedure operative conosciute da migliaia di utenti. M17 offre invece un terreno particolarmente fertile per la sperimentazione.
Come funziona il segnale radio M17
A livello radio M17 utilizza una modulazione 4FSK, cioè una modulazione a spostamento di frequenza con quattro possibili livelli.
Il sistema trasmette:
- 4.800 simboli al secondo;
- 2 bit per simbolo;
- 9.600 bit al secondo;
- occupazione prevista di circa 9 kHz;
- canalizzazione minima di 12,5 kHz.
I quattro simboli corrispondono a quattro differenti deviazioni di frequenza: circa ±800 Hz e ±2.400 Hz. Prima della modulazione il segnale viene opportunamente filtrato per contenere l’occupazione spettrale.
La scelta della 4FSK permette di impiegare una catena radio relativamente semplice. In determinate condizioni è inoltre possibile adattare apparati analogici predisposti per il traffico dati a 9.600 baud, purché sia disponibile un accesso sufficientemente lineare alla parte modulante e demodulante.
La struttura delle trame
Ogni trama M17 dura esattamente 40 millisecondi ed è composta da:
- una sequenza di sincronizzazione di 16 bit;
- un payload di 368 bit;
- complessivamente 384 bit.
Il protocollo prevede differenti tipi di trama per l’impostazione del collegamento, lo streaming, i pacchetti dati e le prove di bit error rate. Sono inoltre utilizzate tecniche di correzione degli errori, interleaving e randomizzazione per rendere la comunicazione più resistente agli errori introdotti dal canale radio.
All’inizio della trasmissione viene inviato un Link Setup Frame, contenente le informazioni necessarie per interpretare correttamente ciò che seguirà. Tra queste troviamo l’indirizzo della stazione sorgente, quello della destinazione, il tipo di traffico e i metadati.
La voce digitale con Codec 2
Per comprimere la voce M17 utilizza Codec 2, un codec vocale open source sviluppato specificamente per comunicazioni a bassa velocità.
Il protocollo contempla due configurazioni principali:
Voce a 3.200 bit/s
In questa modalità l’intera porzione disponibile viene destinata alla voce. Ogni trama trasporta 128 bit di audio codificato.
È la modalità da utilizzare quando si vuole privilegiare la qualità e l’intelligibilità della comunicazione vocale.
Voce a 1.600 bit/s più dati
In questa configurazione vengono trasportati:
- 64 bit di voce codificata;
- 64 bit di dati arbitrari.
La metà della capacità disponibile rimane quindi utilizzabile per informazioni aggiuntive, telemetria, posizione, messaggi o altre applicazioni sviluppate dalla comunità.
La qualità del Codec 2 non deve necessariamente essere valutata con gli stessi criteri di una comunicazione telefonica o musicale. Il suo scopo principale è mantenere la voce comprensibile utilizzando una quantità estremamente ridotta di dati.
Stream Mode e Packet Mode
M17 non è limitato alla sola fonia. Il protocollo prevede modalità distinte per flussi continui e pacchetti.
Stream Mode
Lo Stream Mode è destinato alle comunicazioni che devono proseguire senza interruzione per un tempo indeterminato. È il caso della voce, ma può essere utilizzato anche per flussi continui di dati.
Il protocollo permette:
- voce a 3.200 bit/s;
- voce e dati contemporanei;
- flussi composti esclusivamente da dati.
Packet Mode
Il Packet Mode trasmette brevi blocchi informativi. Una singola trasmissione può contenere fino a 823 byte di dati applicativi.
Questa modalità è adatta, per esempio, a:
- messaggi di testo;
- beacon;
- posizione della stazione;
- telemetria;
- piccoli dati binari;
- comandi indirizzati a nodi remoti.
Per payload sufficientemente grandi, il protocollo può raggiungere un throughput netto superiore a 4,5 kbit/s.
Non si tratta certamente di una connessione a banda larga, ma è una capacità interessante per applicazioni radioamatoriali indipendenti da Internet.
Collegamento diretto, ripetitori e reflector
M17 può essere utilizzato in diverse configurazioni.
Comunicazione diretta
Due apparati M17 possono comunicare direttamente via radio, senza alcun collegamento a Internet. È la forma più semplice e più vicina alla tradizionale attività radioamatoriale.
Ripetitore locale
Un ripetitore può ricevere e ritrasmettere il traffico M17, aumentando la copertura territoriale.
Il ripetitore può funzionare localmente oppure essere collegato a un’infrastruttura IP.
Hotspot personale
Un hotspot riceve il segnale M17 a bassa potenza proveniente dall’apparato dell’utente e lo inoltra attraverso Internet.
Tra le soluzioni disponibili vi sono schede basate su CC1200 o SX1255 e implementazioni compatibili con alcuni modem MMDVM. Gli sviluppi più recenti del gateway M17 supportano voce, messaggistica e trasmissione della posizione, mentre alcune piattaforme possono essere configurate anche per il funzionamento full duplex.
Reflector
Il reflector svolge una funzione simile a quella delle master o dei server utilizzati nelle altre reti digitali. Riceve il traffico proveniente da gateway, hotspot e ripetitori e lo distribuisce agli altri nodi collegati.
Il software mrefd è uno dei reflector open source sviluppati per M17. I reflector possono essere suddivisi in moduli, permettendo di creare differenti ambienti o gruppi di comunicazione.
Hardware disponibile per sperimentare
L’ecosistema M17 comprende diverse possibilità.
Apparati compatibili con OpenRTX
OpenRTX è un firmware libero destinato ad alcuni ricetrasmettitori commerciali. Le versioni più recenti hanno introdotto, tra le altre cose, trasmissione e ricezione dei metadati testuali, modalità packet e miglioramenti nella gestione del microfono per il Codec 2.
La compatibilità dipende dal modello e dalla revisione hardware della radio. Prima di modificare il firmware è quindi indispensabile verificare attentamente la documentazione e la possibilità di ripristinare l’apparato.
Module17
Module17 è un modem progettato per aggiungere M17 ad apparati analogici compatibili con comunicazioni dati a 9.600 baud.
Il progetto è open source e utilizza OpenRTX. Una delle revisioni hardware è stata certificata come open hardware dalla Open Source Hardware Association.
SDR e GNU Radio
M17 può essere generato e decodificato anche attraverso Software Defined Radio e GNU Radio.
Questa soluzione è particolarmente interessante per chi desidera:
- osservare il segnale in banda base;
- modificare i filtri;
- studiare la sincronizzazione;
- analizzare gli errori;
- sviluppare nuovi modem;
- creare prototipi senza progettare immediatamente un apparato completo.
I vantaggi di M17
Il primo vantaggio è la trasparenza tecnica. Ogni passaggio può essere studiato, verificato e modificato.
Il secondo è l’indipendenza da un singolo costruttore. Se una società interrompe un prodotto, modifica le proprie politiche commerciali o abbandona una piattaforma, un ecosistema aperto può teoricamente continuare a essere sviluppato dalla comunità.
Il terzo vantaggio riguarda la formazione. M17 permette di affrontare concretamente:
- modulazioni digitali;
- elaborazione numerica dei segnali;
- codifica della voce;
- correzione degli errori;
- reti IP;
- programmazione embedded;
- progettazione di circuiti RF.
Non si utilizza semplicemente una radio digitale: si può comprendere come funziona.
I limiti attuali
M17 rimane un sistema giovane rispetto ai modi digitali più diffusi.
I principali limiti sono:
- numero ridotto di apparati pronti all’uso;
- comunità più piccola;
- copertura dei ripetitori ancora limitata;
- necessità, in molti casi, di assemblare o modificare hardware;
- configurazioni meno immediate;
- software in continua evoluzione;
- minore disponibilità di assistenza commerciale.
L’utente che desidera un apparato pronto, una rete capillare e una configurazione realizzabile esclusivamente attraverso un codeplug troverà probabilmente più semplice utilizzare DMR, D-STAR o System Fusion.
Chi ama costruire, programmare e sperimentare potrebbe invece trovare in M17 uno dei progetti più interessanti della radio digitale contemporanea.
M17 e una rete come D2ALP
Per una rete come D2ALP, M17 potrebbe rappresentare un laboratorio tecnologico parallelo all’infrastruttura DMR.
Non sarebbe necessario sostituire ciò che già funziona. Si potrebbe iniziare con:
- un reflector sperimentale;
- un hotspot di prova;
- due o più stazioni M17;
- un nodo locale su frequenza simplex;
- successivamente, un piccolo ripetitore sperimentale.
Un’eventuale integrazione con DMR non sarebbe nativa: richiederebbe un bridge capace di convertire protocolli e audio. Questo introdurrebbe complessità e potrebbe perdere parte della filosofia completamente aperta di M17.
La soluzione più coerente sarebbe quindi mantenere inizialmente M17 come ambiente sperimentale autonomo, utilizzato per attività tecniche, prove radio e formazione.
Conclusione
M17 non deve essere considerato il “nuovo DMR” o il sistema destinato a sostituire immediatamente tutti gli altri modi digitali.
È soprattutto un ritorno alle radici del radiantismo: osservare, capire, costruire, modificare e condividere.
Il suo vero valore non consiste soltanto nella possibilità di effettuare un QSO digitale, ma nel fatto che ogni parte della comunicazione può essere studiata e migliorata dai radioamatori stessi.
In un’epoca nella quale molti apparati si comportano come scatole nere, M17 dimostra che una radio digitale può tornare a essere un autentico strumento di sperimentazione.