Частоти, антени, широкосмуговий сигнал

Радіоканали в різних ділянках частотного спектра

Для пояснення подальшого викладу ми зробимо тут технічне відступ про особливості різних діапазонів частот і про пов'язаних з ними принципах побудови радіомереж.

Сучасні засоби радіозв'язку працюють на частотах в сотні мегагерц, в тисячі мегагерц (тобто гигагерци) і навіть в десятки гігагерц. Радіоспектр розділений на ділянки, відведені самим різним вживанням; радіозв'язок тільки одне з них. Розподіл спектра в міжнародному масштабі регламентується відповідним міжнародним комітетом, в який входить і Україна. ВУкаіни воно регулюється міжвідомчою Державним Комітетом по радіочастот (ГКРЧ). Ми повернемося до цього пізніше.

На частотах ж нижче 2 ГГц вимога прямої видимості не так строго: радіохвиля може огинати навіть будівлі - але не товщу землі, тобто не може "піти за обрій". Обмеженість радіусу дії передавача видимим з висоти його антени горизонтом дає можливість організувати стільникову мережу. тобто таку мережу, в якій одні і ті ж частотні канали можуть використовуватися багаторазово в несуміжних територіальних ділянках ( "осередках сот").

Зауваження 2: Картина буде неповною без згадки супутникового зв'язку. Всі міркування про ємності різних діапазонів частот залишаються в силі і тут, тільки майже відпадає поняття "горизонту", оскільки навіть супутник, що висить над екватором на підходящої довготі (не в протилежній півкулі), видно з полярних областей. Зрозуміло, що навіть вузьконаправлена антена на супутнику дає на земній поверхні "пляма" розмірами в сотні або тисячі кілометрів. Тому в порівнянні з наземними радіомережами супутники використовують ефір дуже неекономно, не маючи можливості багаторазового використання одних і тих же частот, як це робиться в стільникових мережах. Супутниковий зв'язок - теж окремий предмет для розгляду, і ми нею тут займатися не будемо. Треба тільки мати на увазі, що досить значна частина частотного спектра зайнята існуючої супутниковим зв'язком або зарезервована під майбутню.

У мережах радіопередач використовуються як вузькоспрямовані антени, так і антени з більш широким сектором охоплення, аж до всеспрямованих (кругових). Для з'єднання типу точка-точка використовуються дві націлені один на одного (вузько) спрямовані антени; так будуються, наприклад, радіорелейні лінії передач. в яких відстань між сусідніми релейними вежами може обчислюватися десятками кілометрів. Вузьконаправлена антена фокусує радиолуч, збільшуючи щільність його енергії; таким чином передавач даної потужності "прострілює" на більшу відстань.

Інший тип зв'язку вийде при використанні тільки всеспрямованих антен. У цьому випадку буде досягнута можливість з'єднання кожного з кожним. Таку топологію мають зазвичай невеликі установчі мережі, розгорнуті на обмеженій території.

Нарешті, якщо в центрі "осередки" помістити базову станцію зі всенаправленной антеною і забезпечити всіх обслуговуваних нею абонентів сфальцьованими на неї спрямованими антенами, то отримаємо топологію точка-багато точок. Якщо ще з'єднати між собою базові станції в деякій ієрархії (або радіорелейними лініями або просто радіо-з'єднаннями за типом "точка-точка", або кабельними каналами), то отримаємо вже цілу стільникову мережу. В даному випадку це буде фіксована мережа, так як мобільний абонент не може мати спрямовану антену.

Зауваження: Мобільна мережа будується за тим же принципом, але з використанням ненапрямлених антен також і у мобільних абонентів, які не заважають при цьому один одному як тому, що говорять завжди на різних каналах (або чергуючись на одному і тому ж каналі), так і тому, що сигнал від мобільного апарату набагато слабкіше сигналу від базової станції і може бути правильно прийнятий тільки базовою станцією, але не іншим мобільним апаратом.

Для того, щоб послати радіосигнал великої потужності в СВЧ-діапазоні, потрібен дорогий передавач з підсилювачем і дорога антена великого діаметру. Для того, щоб прийняти без перешкод сигнал малої потужності, також потрібна дорога велика антена і дорогий приймач з підсилювачем.

Так йде справа при використанні звичайного "вузькосмугового" радіосигналу, коли передача відбувається на одній певній частоті, а точніше, у вузькій смузі радіо-спектра, навколишнього цю частоту (частотному каналі). Картину ускладнюють ще й різні взаємні перешкоди між вузькосмуговими сигналами великої потужності, що передаються близько один від одного або на близьких частотах. Зокрема, вузькосмуговий сигнал може бути просто заглушений (випадково або навмисно) передавачем достатньої потужності, налаштовані на ту ж частоту.

Саме ця незахищеність від перешкод звичайного радіосигналу викликала до життя розробку, спочатку для військових застосувань, зовсім іншого принципу радіопередачі, званого технологією широкосмугового сигналу, або шумоподобного сигналу (обома варіантами терміна відповідає абревіатура ШПС). Після багатьох років успішного оборонного використання ця технологія знайшла і цивільне застосування, і саме в цій якості вона буде тут обговорюватися.

Виявилося, що крім своїх характеристичних властивостей (власна перешкодозахищеність і низький рівень створюваних перешкод), дана технологія виявилася відносно дешевою при масовому виробництві. Економічність відбувається за рахунок того, що вся складність широкосмугового технології запрограмована в декількох мікроелектронних компонентах ( "чіпах"), а вартість мікроелектроніки при масовому виробництві дуже мала. Що ж стосується інших компонентів широкосмугових пристроїв - СВЧ-електроніки, антен - то вони дешевше і простіше, ніж в звичайному "вузькополосному" випадку, за рахунок надзвичайно малої потужності використовуваних радіосигналів.

Ідея ШПС полягає в тому, що для передачі інформації використовується значно ширша смуга частот. ніж це потрібно при звичайній (у вузькому частотному каналі) передачі. Розроблено два принципово різняться між собою методу використання такої широкої смуги частот - метод прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) і метод частотних стрибків (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Обидва ці методу передбачаються і стандартом 802.11 (Radio-Ethernet).

Чи не забираючись в технічні деталі, метод прямої послідовності (DSSS) можна уявити собі таким чином. Вся використовувана "широка" смуга частот ділиться на деяке число подканалов - за стандартом 802.11 цих каналів 11, і ми так і будемо вважати в подальшому описі. Кожен переданий біт інформації перетворюється, по заздалегідь зафіксованим алгоритмом, в послідовність з 11 біт, і ці 11 біт передаються одночасно і паралельно, використовуючи всі 11 подканалов. При прийомі, отримана послідовність біт декодується з використанням того ж алгоритму, що і при її кодуванні. Інша пара приймач-передавач може використовувати інший алгоритм кодування-декодування, і таких різних алгоритмів може бути дуже багато.

Перший очевидний результат застосування цього методу - захист інформації, що передається від підслуховування ( "чужий" DSSS-приймач використовує інший алгоритм і не зможе декодувати інформацію не від свого передавача). Але більш важливим виявилося інше властивість описуваного методу. Воно полягає в тому, що завдяки 11-кратної надмірності передачі можна обійтися сигналом дуже маленькою потужності (у порівнянні з рівнем потужності сигналу при використанні звичайної узкополосной технології), не збільшуючи при цьому розмірів антен.

При цьому сильно зменшується відношення рівня сигналу, що передається до рівня шуму. (Тобто випадкових або навмисних перешкод), так що передається сигнал вже як би невиразний в загальному шумі. Але завдяки його 11-кратної надмірності приймаючий пристрій все ж зуміє його розпізнати. Це як якщо б нам написали 11 разів одне і те ж слово, і деякі екземпляри виявилися б написані нерозбірливим почерком, інші напівстертих або на обгорілому клаптику паперу - але все одно в більшості випадків ми зуміємо визначити, що це за слово, порівнявши всі 11 примірників .

Ще одне надзвичайно корисна властивість DSSS-пристроїв полягає в тому, що завдяки дуже низькому рівню потужності свого сигналу вони практично не створюють перешкод звичайним радіопристроїв (вузькосмуговим великої потужності), так як ці останні приймають широкосмуговий сигнал за шум в межах допустимого. В іншу ж сторону - звичайні пристрої не заважають широкосмуговим, так як їх сигнали великої потужності "шумлять" кожен тільки в своєму вузькому каналі і не можуть заглушити широкосмуговий сигнал весь цілком. Це як якщо б тонким олівцем, але крупно написана буква була б заштрихована жирним фломастером - якщо штрихи лягли не підряд, ми зможемо прочитати букву.

В результаті можна сказати, що використання широкосмугових технологій дає можливість використовувати один і той же ділянку радіоспектра двічі - звичайними вузькосмуговими пристроями і "поверх них" - широкосмуговими.

Підсумовуючи, ми можемо виділити наступні властивості ШПС-технології, принаймні для методу прямої послідовності:

· Чи не створюються перешкоди іншим пристроям.

· Економічність при масовому виробництві.

· Можливість повторного використання одного і того ж ділянки спектра.

При кодуванні за методом частотних стрибків (FHSS) вся відведена для передач смуга частот поділяється на кілька подканалов (за стандартом 802.11 цих каналів 79). Кожен передавач в кожен даний момент використовує тільки один з цих подканалов, регулярно перескакуючи з одного подканала на інший. Стандарт 802.11 не фіксує частоту таких стрибків - вона може здаватися по-різному в кожній країні. Ці скачки відбуваються синхронно на передавачі і приймачі в заздалегідь зафіксованої псевдослучайной послідовності, відомої обом; ясно, що не знаючи послідовності перемикань, прийняти передачу також не можна.

Інша пара передавач-приймач буде використовувати і іншу послідовність перемикань частот, задану незалежно від першої. В одній смузі частот і на одній території прямої видимості (в одній "осередку") таких послідовностей може бути багато. Ясно, що при зростанні числа одночасних передач зростає і ймовірність колізій, коли, наприклад, два передавачі одночасно перескочили на частоту №45, кожен відповідно до своєї послідовністю, і заглушили один одного.

Метод частотних стрибків, так само як і описаний вище метод прямої послідовності, забезпечує конфіденційність і деяку перешкодозахищеність передач. Перешкодозахищеність забезпечується тим, що якщо на якомусь з 79 подканалов переданий пакет не зміг бути прийнятий, то приймач повідомляє про це, і передача цього пакету повторюється на одному з наступних (в послідовності стрибків) подканалов.

З іншого боку, оскільки при використанні методу частотних стрибків, на відміну від методу прямої послідовності, на кожному подканале передача ведеться на досить великої потужності (порівнянної з потужністю звичайних вузькосмугових передавачів), про цей метод не можна сказати, що він не заважає іншим видам передач.