UV-K5、これまでで最もハックしやすい携帯型アマチュア無線機
(spectrum.ieee.org)- Quanshengの UV-K5 は、USBプログラミングケーブルだけでファームウェアフラッシュを書き換えられるため、アマチュア無線コミュニティを代表する ソフトウェア改造対象 となった
- Baofeng UV-5R はファームウェアが読み取り専用メモリにあったが、UV-K5はチャンネル設定に使うのと同じケーブルでファームウェア更新まで可能で、アクセシビリティが大きく変わった
- 改造はおおむね公式ファームウェアへの パッチ 方式で、64KBフラッシュのうち空き容量3KB未満、48MHz 32ビットARMベースのプロセッサ、8KB RAMという制約の中で行われる
- 実際の改造例には、グラフィカルな スペクトラムアナライザ、K5間のテキストメッセージ交換、AM受信の改善、システムフォント変更、起動メッセージ画像の差し替えなどがある
- Web Serial APIベースのWebパッチャー/フラッシャーによりブラウザからのアップロードは容易になったが、違法送信制限の解除のような悪用の可能性があるため、アマチュア無線は依然として 名誉システム に頼らざるを得ない
UV-K5が注目された理由
- Quanshengの UV-K5 は2023年に発売された携帯型アマチュア無線機で、アマチュア無線愛好家がソフトウェア改善や機能追加を試みたことで注目を集めた
- ここでのK5は、元のUV-K5と新しい K5(8) モデルの両方を指す
- 無線送受信機そのものはBaofeng UV-5Rのように「悪くない」程度だが、核心的な違いは ファームウェアの保存方式 にある
Baofeng UV-5Rとは異なる設計上の選択
- Baofengの UV-5R は、2012年に低価格VHF/UHF携帯型無線機市場を揺るがした製品
- 当時、最も安いVHF/UHF携帯型無線機は100米ドルを少し超えており、UV-5Rはその1/4〜1/3の価格で販売された
- 技術性能には不満もあったが、アマチュア無線ユーザーは車や職場に置く用途で複数台を購入した
- UV-5Rのファームウェアは 読み取り専用メモリ にあり、UV-K5はファームウェアをフラッシュメモリに保存する
- ユーザーは周波数プリセットチャンネルを設定するときに使うのと同じ USBプログラミングケーブル で、UV-K5のフラッシュメモリを書き換えられる
- この設計により、Quanshengが標準で提供する機能を超えた改造の可能性が開かれ、他の無線機メーカーが改造サポートを増やせば、VHF/UHF帯のイノベーションにつながる可能性がある
ファームウェア改造方式とハードウェア制約
- Quanshengは公式ファームウェアリリースをアップロードする無料のインストールツールを提供している
- 更新可能な無線機は、ファームウェアとハードウェアを リバースエンジニアリング し、自分でコードを書こうとするユーザーに強い動機を与える
- 現在の改造は、公式ファームウェアを完全に書き換えるというより、パッチ を当てる方式が大半
- ハードウェア制約はかなり厳しい
- 公式ファームウェアが64KBフラッシュメモリの大半を占めるため、改造コードは3KB未満の空き領域に収める必要がある
- CPUは48MHzの32ビットARMベースプロセッサ
- RAMは8KB
- こうした制約にもかかわらず、実際の成果物は印象的な水準にある
実際の改造例
- 比較的精巧な グラフィカルスペクトラムアナライザ を導入する改造がある
- 帯域幅を調整可能
- 検出されたピークへ自動チューニングするためのしきい値を設定可能
- 無視する周波数を指定可能
- 別の改造では、K5同士で テキストメッセージ をやり取りできる
- AM信号の受信能力を改善し、航空帯域をより明瞭に聴けるようにする改造もある
- 軽い改造も多い
- システムフォントの変更
- 起動メッセージを好みのラインアート画像に差し替え
Webベースのパッチャーとインストール体験
- whosmattという改造者が、K5向けの Webベースのパッチャー/フラッシャー を作成した
- ユーザーはメニューから複数の改造を選べ、ツールは選択された改造を公式ファームウェアと結合して、アップロード用のカスタムイメージを生成する
- 組み合わせは全体のメモリ容量を超えない範囲でのみ可能
- Chrome、Edge、Operaでは、Quanshengのインストールツールなしにブラウザから直接フラッシュメモリを更新できる
- 内蔵の Web Serial API とUSBプログラミングケーブルを使用する
- 案内文ではLinuxとWindowsのみ対応とされていたが、Macでも動作する
- Web Serial APIには エラー処理 の改善余地がある
- 不安定なUSBプログラミングケーブルを使ったとき、Quanshengのインストールツールは通信エラーを表示してアップロードを中断した
- Web Serialは何も表示せずにクラッシュし、Windows OS全体も一緒に停止させた
- whosmattのオンラインパッチャーに含まれていないK5改造もさらにあり、自分で改造を書きたいユーザー向けのPythonベースのツールチェーンも存在する
オープン性のリスクとアマチュア無線の信頼構造
- K5送受信機を自由に改造できるようになると、悪用の可能性も生じる
- Quanshengのファームウェアは、違法で危険な干渉を防ぐために 航空帯域での送信 を遮断している
- この遮断はパッチで解除できる
- ただしK5の5W信号だけで大きな脅威となるには、増幅器が必要になる可能性が高い
- アマチュア無線ユーザーは、ファームウェアによる遮断の有無にかかわらず、もともと悪い振る舞いができる能力を持っている
- こうした遮断は誤操作による悪用を防ぐには便利だが、問題の信号が送信機の位置を三角測量できるほど長く続かない限り、アマチュア無線は 名誉システム に依存せざるを得ない
- この原則は、近隣のテレビを妨害しないことや、禁止された周波数で送信しないことにも適用される
無線機内部処理の未来
- 今日の興味深いアマチュア無線の活用例の多くは デジタル処理 に関係している
- こうした処理は通常、送受信機に接続されたコンピュータで行われる
- 組み込みコントローラがより強力になるにつれ、K5の改造エコシステムは、より多くの処理が無線機内部で行われる未来を示している
- 新機能をスマートフォンアプリのように追加する形が可能になるかもしれず、メーカーがこの方向性を受け入れることが期待される
1件のコメント
Hacker News のコメント
この無線機向けに人々が作っているカスタムファームウェアは本当に印象的。
今使っているのは egzumer が作ったファームウェアで、スペクトラムアナライザーまで入っている。
ただし無線機自体は30ドルの輸入品に期待する程度のもので、フロントエンドは簡単に過負荷になり、送信時の高調波も FCC の許容値を大きく外れている。
それでもアマチュア無線の入門用としてはものすごいコスパ。
中国製無線機の品質はここ数年でかなり良くなったと思うし、UV-K5 の試験結果も FCC の限界内に収まっているように見える。
2m 帯は十分に余裕があり、70cm 帯は限界にやや近い程度。
その帯域外で送信するとずっと悪くなるが、そもそもその用途向けに設計されたものではない。
こうした無線機の高調波測定は慎重に行う必要がある。
多くの人が SDR で評価しようとするが、その場合 SDR のフロントエンドがほぼ確実に過負荷になってあらゆる相互変調が発生し、それを無線機からの放射と誤解しやすい。
ARRL には QST にもっと試験記事を載せてほしい。
オンラインの試験結果は機器ごとのばらつきもあるだろうが、ネット上の見知らぬ人たちがそれぞれ異なる試験構成で測定しているため、結果がまちまちになっている面も大きそう。
それでも2023年初めに発行された FCC ID がある。
https://fcc.report/FCC-ID/XBPUV-K5
結局1台買った。
趣味に火をつける衝動買いの上限を下回る価格なので、箱の中で長く放置されないことを願っている。
自分で分解して、さらに何ができるのか見てみたい。
こういうデバイスのファームウェアをもっと多くのメーカーが開放してくれればいいのに。
工場出荷時の基本的な安全装置は維持しつつ、ユーザーがいじれるようにしてほしい。
安価でハック可能なものは無線に新たに関心を持たせる助けになるし、WebSerial のようなすでに馴染みのあるツールで扱えるなら特に良い。
要件が変わったときに新しいバイナリ blobを配布するため再フラッシュ可能にしたもので、人々が標準ファームウェアをリバースエンジニアリングして新たに書き始めたもの。
実際のオープンな無線機というよりは Rockbox に近い。
すでにもっと良い無線機を持っているので、実際に送信はたぶんしないと思う。
GPS、航空帯域、セルラーを妨害して回ればかなり厳しく怒られるだろうが、派手にやらず任意の別の実験をする分には、実際には誰も気にしない。
AliExpress で送料無料、24カナダドルで売られている。
どうしてこれが可能なのか理解できない。
材料費の方が高くつきそうなのに、こういう経済性がどう成り立っているのか誰か説明してほしい。
1つは RF チェーンの大半を処理し、もう1つは画面とボタン入力を担当する。
量産ベースならどちらも1個あたり1ドル未満である可能性が高い。
残りの部品の大半は1個1セントもしない小さな受動部品で、フィルタリングとインピーダンス整合用。
開発費の面では部品選定とパッケージングに腕が要るが、一般にメイン PCB は電気電子系の卒業生のかなり多くが設計できるレベル。
詳しく見れば作り込みはハッピーミールのおもちゃより数段上という程度だが、高品質で柔軟な無線機を誰も作らないので、結局みんなが実験用にこれを買うことになる。
Apple の民生電子機器の価格、TI のマイコン価格、Qualcomm/TI の無線チップ価格、Intel FPGA の価格みたいなもののこと。
その背後にある技術は非常に基本的で、すでに100年以上存在している。
ケーブル数本と増幅器だけでも AM ラジオは作れるほど [1]。
もちろんこうした新しい無線機はそれよりは少し複雑だが、基本的な SoC も今では非常に安く、規模の経済が働けばさらに安くなる。
少し前までは低出力無線機は子どものおもちゃでもあった。
[1]: https://www.wikihow.com/Create-a-Simple-AM-Radio
ときにはもっと安く買う人もいる。
人々がこれを改造するずっと前に、AliExpress で20カナダドルで1台買った。
スピーカーが断続的にしか動かず、ケースを押さないと音が出ないので、弱いはんだ接合のようなものがあるらしい。
販売者に連絡したが、延々とはぐらかされるだけだった。
いずれにせよ購入者は注意が必要で、こういうものが狂ったように安いのには理由がある。
実質的にはドルストアの HT だ。
コミュニティが成し遂げていることは驚くべきだが、こうしたハック可能なデバイスがなぜこれほど低消費電力チップばかり使うのかは、いまだに気になる。
市場にある多くのものは実質的に特殊な入出力を付けたコンピュータなのに、ほとんどのファームウェアとマイクロコントローラは残りのハードウェアの潜在能力を使い切っていない。
数ドル余計にかけるだけで、望めば何百もの機能を追加できるのではと思う。
Webサイトとマニュアルで10グループのスクランブル音声暗号化に言及されている
実際に何をするのかは明記されていない
こういうデバイスで非常に優れた暗号化通信システムを作るには何が必要なのか、いつも気になっていた
ただ自分の理解では、アマチュア無線で暗号化送信をするのは違法のはず
FCCから許可を買えば商用帯域で使えるし、ISM帯の一般的な2.4GHz/5GHzはおおむね自由に使える
現実的には、FCCは全知全能ではなくリソースも限られているので、人々が乱用しても見逃されることが多いだろう
個人がFCCの怒りを買うには、自分から迷惑な存在になる必要がある
違法な携帯電話ジャマーのようなものを使って逮捕されたという話はたまに聞くが、暗号化を使って捕まったというのは記憶にない
こういうものが本格的に取り締まられるには、安価なドローンがRC航空機にもたらした変化のような分水嶺が必要だ
非常に有能なハードウェアが、趣味を知らない人たちにも極端に安く簡単に手に入るようになる地点のことだ
RC航空コミュニティは参入障壁が高く、参加するにはコミュニティと接触せざるを得なかったため、数十年にわたって事実上の自主規制が機能していた
ドローンがそれを変え、FAAが介入して規制する必要があった
安価な中国製トランシーバーもその地点に近づいていると思う
それでもBaofengでさえ、プログラミングと自己学習が必要だ
Flipper Zeroのようなデバイスのほうがはるかに有害だ
機能は限定的でも、ユーザーが無視しにくい形で迷惑行為を非常に簡単にできるようにしているからだ
いずれAmazonに、すべてを代わりにやってくれて、非趣味人が台無しにできる安価な無線機が並ぶのは時間の問題のように思える
HackRF並みにできることが多く、iPhone並みに使いやすいものを想像してみれば、その時に問題が起きる
技術的には暗号化ではないかもしれないが、境界は曖昧だ
https://github.com/kamilsss655/ESPRI?tab=readme-ov-file
この機器の中核であるBK4819のデータシート[1]を探してみたところ、受信側にI/Q出力があり、内部的には送信側にもI/Q入力がある可能性がありそうだった
つまりSDRであり、FMだけに限定されてはいないように見える
低出力なので、おそらく見通し内通信に限られるだろうが、試してみるには興味深い基盤だ
[1] https://touchardinforeseau.servehttp.com/f4kmn/f4kmn/FRANCAI...
片側にUSB-Cポート、もう片側にアンテナコネクタがあるようなものだ
コンピュータ無線機があれば、VHF/UHF帯でできる興味深いことがたくさんある
良い例としてはAPRS中継器やパケットデータがある
受信はSDRでできるが、送信にはオーディオを使う無線機が必要で不安定だ
完全なI/Qがあれば望ましいが、FMデータだけでも十分だ
純粋な質問なのだが、自分のどこが間違っているのか、反対票を入れた人たちに説明してほしい
送信側はFM専用だ
記事上部にリンクされている製品ページは音声暗号化を機能として掲げているが、米国のアマチュア無線帯では今でも明らかに違法ではないのか？
それとも単にCTCSS/DCSを指しているだけなのか？
CTCSS/DCSは暗号化やスクランブリングではなく、帯域内の信号方式にすぎない
対応していない無線機でもCTCSS/DCSは聞こえる
誰かがこのデバイスにFT8を移植してくれることを期待している
現状ではFT8の送受信にスマートフォンやPCが必要だ
FT8はSSBを使うが、このデバイスはSSBに対応していない
FMでFT8をやるのは、帯域幅と微弱信号特性の両面で無駄だ
FT8は通常、長距離伝搬があるHFで行われ、ごく小さな信号を拾い出すことが重要だ
VHFでFT8をやる人もいるが、SSB対応の無線機を使っている
この無線機にはFT8を処理する演算性能もない可能性が高い
自分の場合、Raspberry Pi 3でもきつかった
さらにFT8の大きな部分は、何を送るか、誰に応答するかを選ぶことなので、良い画面も必要だ
記事によると、CPUと利用可能なフラッシュメモリが非常に限られている
デジタルモード用のハードウェアも少し作り始めたところだが、これがより安価なフロントエンドとフィルタへの投資先になるかもしれない
仕様表で、アマチュア無線機に入っていてはいけなさそうなスクランブラーが目についた
実際には暗号化ではなく DTS/CTCSS のようなものを指しているのかもしれないが、ユーザーマニュアルには encryption という単語が出てきており、翻訳の問題かもしれない
この機能が正確には何なのか、実機を持っている人がより明確に把握しているのか気になる
概念的には、ベースバンド信号のスペクトルを、互いに合意した周波数、つまりキーを基準に反転させる方式で、結果として音声は聞き取りにくくなる
UV-K5 では単一のキー周波数しか選べない
より賢い方式ではローリングコードや周波数ホッピングのようなものを使う
これはこの無線機が対応する CTCSS/DCS とは別物で、意味を隠す方式でもない
アマチュア無線の周波数では意味を隠してはいけないため、違法だという点は正しい
FRS では合法かもしれないと思うが、この無線機は FRS 用の型式認証を受けていないので、厳密に言えばそれも違法である
ただし、FRS の型式認証をあまり気にしない人も多い
結論として、この無線機で完全に合法に使える用途はない
[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Voice_inversion
どうせルールの執行は事実上不可能で、実害もない
私もアマチュア無線家だが、多くのアマチュア無線家は、企業が突然アマチュア帯域を好き勝手に使い始めるのではないかと考えて過剰反応している
現実的には、定期的に平文で識別するという既存のルールを執行し、その後は望むものを送らせればよい
すでに一般的なデジタルモードのかなり多くは独自のボコーダーに依存しており、相当な努力なしにはデコードできないので、暗号化が加わっても大して変わらない
では、怒れるアマチュア無線家たちの登場だ
CPU は本物の AES 暗号化を実装できるほど強力ではなく、データシートにもハードウェア暗号モジュールへの言及はない
反転スクランブラーの可能性もあり、ソフトウェアで実装するのは難しくなく、標準ファームウェアになくても誰かが実装できる
しかし、最近ではスクランブラーの有用性は限定的だ
他人をいら立たせる程度には使えるが、無力化するのも非常に簡単だ
中国製のアマチュア無線機に、文書化されていない暗号化機能があるのも前例がないわけではない
FCC は、人々が迷惑行為をして注意を引いたときだけ気にするように見える
基本的なスクランブラーだと言っている
30ドルの無線機に、リアルタイムで本格的な暗号化を行えるほど強力なチップが入っているとは考えにくい