На днях меня посетил вопрос: «Почему радиочастоты и сигналы не мешают друг другу? И был ли момент, когда их стало так много, что эфир прям ломился?». Хотя ответ кажется интуитивно понятным, далеко не все понимают, как работает, например, полоса пропускания, как распределяется спектр и как используется один канал радиочастот.
Да, сегодня все меньше и меньше людей слушают радио, и вспоминают о нем разве что в поездке на машине. Зато мобильная связь, Wi-Fi, спутниковые сервисы и миллионы IoT-устройств работают постоянно. В этой статье я отвечу на возникший вопрос и разберу основные принципы радиочастот. Детали под катом.
Радио — все еще единственное надежное средство связи в удаленных и труднодоступных районах, где нет мобильной сети и интернета. С этим прекрасно знакомы геологи, добытчики и отчаянные туристы, решившие зайти подальше от цивилизации.
В отличие от мобильной связи и интернета, радиосвязь не требует наличия сложной инфраструктуры: базовых станций, оптоволоконных сетей и электропитания. Радиостанции могут работать автономно, используя собственные аккумуляторы и генераторы. Это было небольшое отступление, чтобы напомнить значимость радиочастот и всего этого. А пока поговорим о проблемах.
Дефицит радиочастот
Как писали разные СМИ еще в 2023 году, радиочастотный спектр, выделенный в России операторам сотовой связи в «традиционных» диапазонах частот, практически исчерпан.
Так, например, на тот год в Москве дефицит радиочастотного спектра достигал 50%, тогда как в Пекине он был уровне 14%, а в Нью-Йорке — 26%.
При этом для нормального роста 5G сетям нужно еще примерно 800 МГц в диапазонах ниже 6 ГГц и около 2 ГГц в диапазоне 6–30 ГГц, а для 6G прогнозы варьируются от 1 до 3 ГГц в зависимости от сценариев. Но нам бы пока хотя бы сетей пятого поколения дождаться. И вот тут начинается: самый «удобный» для быстрого развертывания 5G участок — 3,4–3,8 ГГц — уже занят государственными ведомствами.
Этот диапазон позволяет сохранять оптимальное число базовых станций и, как следствие, — развернуть 5G сеть в минимальные сроки. Но пока российским операторам предлагают освоить другие частоты.
Причем диапазон 3,4–3,8 ГГц занят по большей мере устаревшим телекоммуникационным оборудованием. Оно требует слишком широкий диапазон частот, занимая большую часть из того, что можно было бы отдать на развитие 5G.
И это не первая такая проблема: при развертывании первых 3G и 4G в Москве операторы связи получили нужные частоты тоже далеко не сразу. Как говорится: «Частот нет, но вы держитесь».
В городах и густонаселенной местности для 5G, судя по всему, будут использоваться частоты в диапазоне 4,4–4,99 ГГц. Это следует из новой таблицы распределения полос радиочастот, утвержденной правительством в конце января 2024 года. Прежде чем операторы получат эти частоты, их нужно очистить от несовместимого радиооборудования, прописать условия распределения, провести конкурсы и аукционы.
Интересная новость, что частотный ресурс для развертывания 6G оказался свободнее 5G. Потенциально для операторов может быть доступно до 2 ГГц спектра. Под шестое поколение могут быть выделены диапазоны 4,4–4,8; 7,1–7,25 и 14,8–15,3 ГГц. В то время как мировым стандартом для сетей 6G определен диапазон 6–7 ГГц.
С доступностью частот для 6G ситуация изначально чуть проще, потому что там тоже есть спецсредства, но их загруженность чуть ниже, чем в диапазоне 3 500 МГц (является приоритетным для развертывания сетей 5G. – «Ведомости»), и менее критичная, — на форуме «Спектр-2025» сообщил директор ФГАУ «НИЦ Телеком» (подведомственно Минцифры) Евгений Девяткин.
О��лайн-квест для новичков и профи в IT. 24-28 ноября
Найдите спрятанные коды первыми и сообщите нам, чтобы выиграть эксклюзивный мерч и бонусы на сервисы Selectel.
Миф о нехватке частот
Сразу ответить на вопрос о том, закончится ли когда-нибудь радиочастотный спектр, и можно ли просто «сжать» сигналы, сложновато.
Проблема не в том, что «не хватает Гц». Их-то хватает. А в том, что два близких по частоте сигнала могут мешать друг другу. Если правила регулятора не дают плотнее «упаковать» сигналы, используя современные методы разделения по времени, коду или пространству, то возникает дефицит доступных каналов.
С точки зрения математики, количество частот в радиоспектре бесконечно, поскольку частота — непрерывная величина. Даже в самом узком диапазоне частот (например, между 100.0 МГц и 100.1 МГц) содержится бесконечное, несчетное количество возможных точных значений частот (например, 100.000...1 Гц, 100.000...2 Гц и т. д.).
Но любой полезный сигнал, передающий информацию (голос, данные), занимает не одну единственную частоту, а определенную полосу частот. Спектр делится на каналы с конкретной шириной пол��сы, чтобы были защитные интервалы от перекрытия и взаимных помех. Например, FM-радио отводит одной станции около 200 кГц полосы. Так что на практике, количество используемых частот ограничено техническими и нормативными факторами.
А что если нам нужно передавать больше информации? Этого можно достичь как за счет повышения спектральной эффективности (увеличения объема данных на 1 Гц полосы), так и за счет освоения новых, более широких диапазонов частот. Только что мы назвали причину перехода с 2G на 3G, 4G и далее.
С ростом частоты сигналы хуже проникают через стены и другие препятствия. Поэтому низкие частоты (меньше 1 ГГц) ценятся операторами мобильной связи для обеспечения сплошного, широкого покрытия. Так как они распространяются дальше и с меньшими потерями. А значит, базовых станций для покрытия потребуется меньше.
Высокие же частоты, вплоть до десятков гигагерц (миллиметровый диапазон), используются там, где нужна огромная пропускная способность на очень коротких расстояниях (например, в плотном центре города), где много базовых станций расположены близко друг к другу.
Но есть и другой способ эффективно использовать ограниченный спектр, жертвуя скоростью в пользу надежности и дальности. Современные цифровые протоколы, например, FT-8, позволяют передавать сигналы с очень узкой полосой (около 50 Гц), резко повышая плотность использования спектра. В полосе 1 кГц возможно работать с большим числом независимых потоков без помех.
Также применяются сложные схемы модуляции и методы кодирования, когда сигналы эффективно уплотняются в спектре. Современные системы сотовой связи (4G/5G), использующие методы вроде OFDM и пространственного мультиплексирования (MIMO), способны эффективно управлять интерференцией и выделять нужные данные даже при высоком уровне загрузки спектра.
Тип модуляции тоже значительно влияет на ширину полосы. Передача AM с аудиосигналом 10 кГц требует 20 кГц полосы (две боковые полосы по 10 кГц), а SSB — только 10 кГц, так как одна боковая полоса подавляется. FM-сигналы обычно ограничиваются девиацией ±5 кГц.
Например, в США Федеральная комиссия по связи (FCC) несколько лет назад потребовала уменьшить ширину полосы частот в диапазоне 150–174 МГц с 25 кГц до 12,5 кГц. Это удвоило число каналов, хотя и потребовало больших затрат на замену оборудования.
В радиолюбительской практике переход от амплитудной модуляции с двумя боковыми полосами (AM) к однополосной модуляции (SSB) позволил сократить ширину канала вдвое.
Когда свободное место заканчивается, начинают активнее использовать более высокие частоты с большим доступным спектром (например, от 24 до 68 ГГц для 5G), что обеспечивает дополнительные полосы. Атмосферное затухание на таких частотах быстро возрастает, что позволяет повторно использовать частоты в компактных сотах на небольших расстояниях, снижая интерференцию и увеличивая емкость сети.
Дополнительно применяется метод, когда свободные от классических аналоговых сигналов промежутки спектра заполняются новыми потоками без создания помех.
Радиоволны в диапазоне 30 кГц – 300 ГГц активно используются в различных технологиях связи: от AM- и FM-радиовещания, Wi-Fi и сотовой связи до спутниковых и точечных систем. Кроме того, информационные технологии применяют и другие диапазоны электромагнитного спектра: инфракрасный свет, видимое излучение, ультрафиолет. Знакомый многим пример — оптоволокно.
Полоса пропускания и предел Шеннона
Для того чтобы понять, почему спектр не бесконечен и перейти к сути ограничений, нужно понимать две простые вещи. Что такое полоса пропускания и что такое предел Шеннона.
Полоса пропускания — это ширина частотного диапазона, который может использоваться для передачи сигнала. Чем шире полоса, тем выше потенциальная скорость передачи данных, потому что больше частотных «каналов» доступно для передачи информации.
Чем шире дорога, тем больше машин туда влезет, то есть выше потенциальная скорость передачи данных. Но дорога сама по себе не решает все.
В 1948 году Клод Шеннон показал, что существует жесткий верх — сколько информации можно протолкнуть по этой дороге при заданном уровне шума. Предел Шеннона связывает полосу и отношение сигнал/шум (SNR): для каждой конкретной полосы и уровня помех есть максимальная скорость, выше которой ошибки неизбежны. Проще: если шум слишком велик, никакое расширение полосы и никакая модификация модуляции не дадут стабильно более быстрой передачи.
Отсюда два вывода, которые понятны без формул. (но формулу я все равно вставлю :) )
Первый — просто добавлять Гц бессмысленно, если не бороться с шумом и не улучшать приемную часть.
Второй (следует из первого) — индустрия идет по двум направлениям одновременно: расширять доступный спектр там, где это возможно, и максимально выжимать полезную емкость из имеющейся полосы с помощью продвинутых схем модуляции, кодирования и приемников.
Теорема Шеннона — Хартли определяет абсолютный потолок скорости передачи данных.
В этой формуле:
B — ширина полосы пропускания;
S — мощность сигнала;
N — мощность шума;
S/N — отношение сигнал/шум (SNR) или отношение несущий/шум (CNR) сигнала связи к шуму и помехам на приемнике.
Этот закон задает рамки, к которым стремятся современные технологии.
Технологии совместного использования спектра
Так как устройствам работать в одних и тех же диапазонах без помех и деградации?
Сначала было просто. Разделяли методами частотного, временного и кодового мультиплексирования — FDMA (Frequency Division Multiple Access и дальше по аналогии), TDMA и CDMA. В их основе лежит идея, что каждому пользователю выделяется своя уникальная часть ресурса.
Потом пришла OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Это когда широкую полосу дробят на множество узких субнесущих, ортогональных друг к другу дорожек. Архитектура повысила устойчивость к шумам и искажениям и дала гибкость в аллокации спектра под конкретные нужды.
На этом же уровне двумя ключевыми элементами становятся MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) и beamforming.
MIMO — это распределение одного потока данных, между несколькими антеннами для их передачи и последующего приема.
Beamforming — технология адаптив��ого формирования диаграммы направленности. Она позволяет сфокусировать в сторону клиента передаваемый сигнал и улучшить таким образом канал между точкой доступа и клиентом.
Направленный луч позволяет сфокусировать сигнал в направлении предполагаемого местоположения конкретного беспроводного устройства (или устройств), а не посылать его случайным образом во всех направлениях. Это улучшает скорость передачи данных и расширяет диапазон.
Однако для предотвращения нежелательных интерференций необходимы guard bands — буферные полосы между соседними каналами, а также фильтры, которые обеспечивают строгое выделение частот. Но далеко не всегда статических мер хватает, особенно в условиях непрерывного роста числа беспроводных устройств.
Сегодня важнейшим компонентом становятся динамические технологии доступа к спектру: спектральное совместное использование (spectrum sharing), CBRS и прочие системы, которые регулируют и распределяют ресурсы в реальном времени, давая участникам возможность занимать частоты по запросу и адаптироваться под текущую нагрузку.
Для того чтобы между ними не возникало вредных помех, устройства этих пользователей должны уметь обнаруживать радиосигналы абонентов других сетей, которые находятся в одной с ними географической области и используют те же частоты, а затем реагировать.
Для этого есть два механизма: базы данных и когнитивное радио. Когнитивные радиостанции обнаруживают действующие поблизости источники излучения и меняют частоты своих передатчиков так, чтобы не испытывать помех и не создавать их соседям.
Другой вариант — сети с базами данных. Динамические базы данных, доступные для каждого пользователя сети, регистрируют местонахождение устройства, проверяют по предыдущим записям, какие именно частоты уже используются в том регионе, определяют, какой спектр остается доступным, и сообщают эту информацию радиостанции абонента. Такой подход применяется для устройств класса white space TV, работающих в телевизионных диапазонах в ряде стран мира.
Особое место занимает Dynamic Spectrum Sharing (DSS), позволяющее одновременно задействовать одни и те же частоты в сетях разных стандартов, например 4G и 5G.
Все эти методы объединены общим принципом — максимальное использование ограниченного спектра за счет интеллектуального, адаптивного и многомерного разделения ресурсов по частоте, времени, коду и пространству, что предотвращает «коллапс» эфира при росте числа подключенных устройств. Благодаря им сегодня мы имеем устойчивую работу беспроводных сетей даже в самых загруженных и сложных условиях.
Технологии совместного использования радиочастот
Чтобы обеспечить бесшовный переход трафика с вашего телефона на спутник в «мертвых зонах», инженеры активно ищут способы совместного использования частот. Такое объединение наземных сетей (привычные нам вышки сотовой связи) и спутниковых систем увеличивает надежность покрытия и качество связи, особенно там где нет вышек.
В ход идут как специальные диапазоны 1980–2010 МГц и 2170–2200 МГц, так и весь классический набор сотовых частот — 700, 800, 900, 1800, 2300 и 2400 МГц. Параллельно спутники, висящие высоко на орбите, осваивают сверхвысокие частоты (Q/V-диапазоны около 40/50 ГГц), чтобы пропускать огромные потоки данных, с которыми не справятся традиционные полосы.
Подходов к совместному использованию спектра несколько. Среди них LSA, SAS, TVWS, IIC, AFC, OSA и др.
LSA (License Shared Access) предполагает обеспечение совместного использования РЧС сотовой связи и РЭС различных служб с обеспечением отсутствия помех. При этом свободный радиочастотный ресурс предоставляется держателям лицензий с гарантией эксклюзивного пользования и защиты от помех на статической основе.
SAS (Spectrum Access System) — концепция совместного пользования спектра, предполагающая совмещение особенностей LSA и OSA.
TVWS (TV White Spaces) — работа с «белыми пятнами» в диапазонах, выделенных под телевидение: через централизованную геоинформационную базу данных определяется, где и какие частоты свободны, и туда подключаются нелицензируемые сервисы для фиксированного доступа.
IIC (Incumbent Informing Capability) — более масштабная идея от NTIA для координации со спецпотребителями: централизованная подача информации о территориально-частотных потребностях спецслужб, чтобы динамически перераспределять спектр близко к реальному времени.
AFC (Automated Frequency Coordination) — механизм, который позволяет нелицензируемым устройствам (например, Wi-Fi) жить рядом с фиксированными радиосистемами (РЛС, радионаблюдение и т. п.) за счет геоинформационной базы и расчета допустимой мощности вторичных пользователей.
OSA (Opportunistic Spectrum Access) — система использования РЧС, при которой вторичный (нелицензируемый) пользователь РЧС в динамическом режиме использует свободные каналы, но не имеет гарантий ни в качестве, ни в объеме, ни в защите от помех.
Радиочастоты не кончаются, пока мы придумываем все новые и новые способы использовать эфир. Если у вас есть какие-то свои вопросы или интересно разобрать какие-то конкретные технологии — пишите в комментарии, с удовольствием рассмотрю тему.