Классификация радиоволн

Основные законы распространения радиоволн следуют из системы уравнений Максвелла:

rot = s + ; (1.5)

rot = ; (1.6)

div = r/e; (1.7)

div = 0; (1.8)

= e ; = m ; = s . (1.9)

Здесь и – электрический и магнитный векторы; и – векторы электрической и магнитной индукции; e, m, s – электрическая и магнитная проницаемости среды и ее удельная проводимость; r – объемная плотность заряда; – плотность тока проводимости.

Следствия.

Из уравнений (1.5) и (1.6) следует, что характер распространения электромагнитных волн зависит от длины волны. Эффективность излучения электромагнитной энергии в пространство увеличивается с ростом скорости изменения электрической и магнитной индукции (т.е. с повышением частоты или уменьшением длины волны).

Из уравнений (1.7) и (1.9) следует, что характер распространения определяется параметрами среды (e и m).

Из уравнения (1.7) следует, что характер распространения электромагнитных волн зависит от наличия свободных электрических зарядов.

Из уравнения (1.8) следует замкнутость линий магнитного поля (магнитных зарядов в природе нет).

В соответствии с изложенным различают следующие основные случаи распространения радиоволн:

1. Прямолинейное распространение e(x,y,z,t) = const и m(x,y,z,t) = const.

2. Рефракция (огибание препятствий, размер которых много больше длины волны) e = f(x,y,z,t); m = f(x,y,z,t).

3. Преломление и отражение e₁ ¹ e₂, m₁ ¹ m₂.

4. Полное внутреннее отражение.

5. Дифракция (огибание препятствий соизмеримых по размерам с длиной волны).

6. Затухание (уменьшение энергии электромагнитной волны из-за явлений рассеяния, поглощения, конвекции).

На распространение радиоволн оказывает влияние состояние ионосферы, состоящей из нескольких слоев (наиболее важные из которых D, E, F₁, F₂) на высотах от 50 до 300 км.

Распространение мириаметровых и километровых (сверхдлинных) волн иллюстрирует рис. 1.5. Особенность – возможность проникать под воду.

Распространение гектометровых (средних) волн иллюстрирует рис. 1.6. Наблюдается рефрация – огибание препятствий соизмеримых по размерам с длиной волны.

Поверхностная и пространственная волны, встречаясь в точке приема, вызывают глубокие замирания. Качество радиосвязи зависит от времени суток, времени года, солнечной активности и т.п. факторов.

Распространение декаметровых (коротких) волн иллюстрирует рис. 1.7. Возможна интерференция двух пространственных волн. Наблюдаются замирания. Радиосвязь возможна на большие расстояния при малой мощности радиопередатчика.

Распространение метровых (ультракоротких) волн иллюстрирует рис. 1.8. Ионосфера не является препятствием для УКВ. Возможна связь с ИСЗ, использование их в качестве активных ретрансляторов. Поверхностная волна распространяется в пределах прямой видимости на расстояние

R = 4,12( ), (1.10)

где R в км, h₁ , h₂ – высота передающей и приемной антенн в метрах. Работа радиорелейных линий и систем сотовой связи на УКВ не зависит от метеоусловий.

Сотовые наземные системы мобильной связи.

В то далёкое глухое время, когда сотовую связь ещё не изобрели, люди, нуждающиеся в мобильном общении, устанавливали в автомобили радиотелефоны. При радиотелефонной системе на весь город была одна антенна и на этой башне доступно примерно 25 каналов. Антенне в автомобиле нужен был передатчик волн, способный передавать волну на расстояние 70 км. При такой системе не все люди могли насладиться мобильным общении - на всех каналов просто не хватило бы. Устройство, ныне известное, как рация - это полудуплексный прибор. Это означает, что если на радиоволне одной частоты два человека, то они могут разговаривать только по очереди. Мобильный телефон - это полно дуплексная сеть. Это означает, что для разговора вы используете одну частоту, а когда слушаете, то другую. Оба собеседника могут разговаривать одновременно. Устройство "иду и говорю" имеет как правило один канал, а радиотелефон 40 каналов.
Самый простой мобильный телефон имеет 1664 канала и даже больше! Устройство "иду и говорю" может передавать сигнал на расстояние 1,6 км с помощью передатчика на 0,25 Вт. Рация при её большей мощности передают сигнал на 8 км при передатчике на 5 Вт. Мобильные телефоны подключены к сетям, при движении за пределами своей сети они подключаются к другой. Это даёт настоящую свободу движения. Широкая доступность сетей позволяет проехать на автомобиле расстояние в тысячи километров, при этом непрерывно разговаривая по телефону без помех.

В обыкновенном аналоговом мобильном телефоне в Соединённых Штатах мобильный аппарат при движении по городу воспринимает около 800 частот. Из-за того, что мобильные телефоны и станции используют низковольтную передачу, те же частоты можно использовать в не примыкающих сетях. У каждой сети есть своя станция, состоящая из башни и небольшого сооружения с радиооборудованием. Давайте рассмотрим, что такое сеть, которая создаёт сетевую систему.

Современные каналы мобильной связи.

Одна сеть в аналоговой сотовой системе использует 1/7 часть доступных голосовых дуплексных каналов. Получается, что каждая сеть (из семи) использует 1/7 долю доступных каналов, так что она обладает уникальным набором частот, и они не накладываются. У владельца мобильного телефона в городе в распоряжении есть примерно 832 радиочастоты. Каждый телефон при звонке задействует две частоты - дуплексных канала - так что на одного человека с мобильным телефоном получается 395 голосовых каналов.

Другие 42 частоты задействованы как контролирующие каналы, но об этом позже. Получается, что каждый мобильный телефон имеет 56 доступных голосовых каналов. Другими словами, в любой сети могут одновременно разговаривать 56 людей по мобильным телефонам. Аналоговые сетевые системы считаются первым поколением мобильной связи, или их еще называют одногиговыми системами. С внедрением цифровых технологий - двухгиговые - количество доступных каналов значительно возросло.

Принципы построения наземных систем мобильной связи.

Не­смотря на многообразие существующих стандартов сотовой связи и обилие особенностей их реализации, построение и алгоритмы работы таких систем во многом сходны. Наиболее экономное и эффективное перекрытие зон уверенной связи достигается рабо­чими зонами в виде шестиугольников (сот), так как ими почти идеально описывают рабочую зону базовой станции (установлен­ной, как правило, в центре соты) и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности.

Дальность распространения радиоволн высокой частоты (до 2 ГГц) во многом зависит от рельефа местности, наличия холмов, оврагов, гор, крупных зданий, которые искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции не всегда в строгом геометрическом порядке.

Техническое обеспечение сотовой системы мобильной связи включает (рис. 8.7): абонентское оборудование (мобильные радио­телефоны), сеть базовых станций (размещенных на обслуживае­мой для абонентов территории), контроллеры и коммутатор.

Каждая базовая станция — это многоканальное приемо-передающее устройство, обслуживающее абонентов в пределах своей соты. По специальным линиям связи (проводным или радиоре­лейным) все базовые станции соединены через контроллеры с ком­мутатором.

Коммутатор обеспечивает управление сетью базовых станций и, по сути, представляет собой специализированную автоматичес­кую телефонную станцию. Он хранит в своей памяти данные всех абонентов сотовой сети, отвечает за проверку прав доступа абонентов и их идентификацию (подтверждение подлинности), обра­батывает и хранит информацию.

В функции коммутатора также входит: слежение за сигналами мобильных телефонов, их эстафетная передача при перемещении телефона из соты в соту, коммутация каналов в сотах при появле­нии помех или неисправностей, а главное — установление соеди­нения абонента сотовой сети в соответствии с набранным номе­ром с другим абонентом или выход в городскую, междугородную и международную телефонные сети.

Работа системы мобильной связи. В каждой базовой станции есть специальный канал, называемый управляющим, и все сотовые теле­фоны прослушивают сигналы на этом канале в ожидании вызова.

В том случае если абонент желает позвонить, сразу после набо­ра номера радиотелефон начинает автоматический поиск свобод­ного канала. При его обнаружении он передает свои параметры и набранный номер через базовую станцию и контроллер на комму­татор сотовой сети. После проверки параметров абонента центр коммутации осуществляет соединение.

В обратном направлении — при вызове абонента сотовой сети — коммутатор проверяет в своей базе данных наличие такого номера и начинает поиск радиотелефона в каждой из сот. Радио­телефон абонента, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение вызова, определяя таким образом свое местонахождение в сотовой сети. После этого коммутатор находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает со­единение на него.

Кроме организации соединений коммутатор непрерывно сле­дит за сигналами радиотелефонов и в процессе связи. Если возни­кает неисправность в оборудовании или появляются помехи, коммутатор находит другой свободный канал и переводит связь на него.

Территориальные перемещения абонента в процессе соедине­ния могут привести к предельному снижению уровня сигналов. Тогда коммутатор переключается на другую базовую станцию, бо­лее близкую к абоненту. Эстафетная передача происходит полнос­тью автоматически и настолько быстро, что связь не прерывается, а абонент ничего не замечает в процессе передачи информации (например, своего разговора). Когда абонент набирает номер и начинает звонить (или абоненту звонят), то мобильный аппарат по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей стан­ции.

Важное значение в алгоритмах функционирования сотовых се­тей имеют данные о соте, в которой размещены абоненты. Для хранения таких данных в коммутаторе используют два регистра памяти: домашний регистр, содержащий данные об абонентах, приписанных к зоне обслуживания данного коммутатора, и госте­вой регистр с данными о появившихся в этой зоне абонентах, при­писанных к другим коммутаторам, с которыми предусмотрен роуминг. Под роумингом (от англ. roam — скитаться, блуждать) пони­мают возможность абонента, приписанного к сети некоторого географического района, работать в сети того же стандарта, но расположенной в другом районе. Для организации роуминга сото­вые сети должны быть одного стандарта (телефон стандарта GSM не будет работать в сети стандарта CDMA и т. п.). Роуминг может быть обеспечен при наличии каналов связи между коммутаторами обоих регионов на основе соглашения между соответствующими операторами.

Каждая из базовых станций содержит приемо-передающие ан­тенны, направленные в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон.

От антенны сигнал по электрическому кабелю передается не­посредственно в управляющий блок базовой станции. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают какую-либо опреде­ленную территорию или район города, подсоединены к контрол­леру. К одному контроллеру может быть подключено более 10 ба­зовых станций.

Коммутатор обеспечивает выход (и вход) на городские теле­фонные сети или на других операторов сотовой связи. Коммута­тор в сотовой сети осуществляет практически те же функции, что и автоматическая телефонная станция в проводных сетях связи. Именно он определяет, куда абонент звонит, кто абоненту зво­нит, отвечает за работу дополнительных услуг и определяет, раз­решено ли (с учетом необходимой оплаты за разговоры) абонен­ту звонить.

Цифровые наземные системы сотовой связи. Широкое распрос­транение получили цифровые наземные системы сотовой связи двух типов: Global System for Mobile Communication (GSM) и Code Division Multiple Access (CDMA). Их принципиальное от­личие заключается в используемых методах многостанционного доступа. Если в CDMA, как это следует из названия, используют широкополосные сигналы и их разделение по форме, то в GSM реализуют узкополосные сигналы и их частотно-временное раз­деление.

Для работы сотовых систем стандарта GSM в России и Запад­ной Европе применяют следующие диапазоны частот: 890...915 МГц и 935...960 МГц. Каждый диапазон разделен на 124 стандартные частотные полосы по 200 кГц каждая. Их используют для организации каналов связи между базовой станцией и або­нентами. На основе стандарта GSM применяют и определенные его модификации, отличающиеся диапазонами частот. Так, в Ев­ропе и России используют стандарт DCS-1800 (Didgital Cellular System), отличающийся меньшим размером сот и диапазоном ча­стот (1805... 1880 МГц) с числом стандартных частотных полос, равным 374.

Работа системы CDMA предусмотрена в диапазонах частот 825...850 МГц и 870...895 МГц.

В мобильных телефонах очень маломощный передатчик. Многие аппараты имеют 2 величины сигнала: 0,6Вт и 3Вт (для сравнения, большинство радиопередатчиков потребляют от 4Вт). Основная станция так же работает при низкой мощности. Низкая мощность работы обладает двумя преимуществами: передачи между станцией и её мобильными телефонами внутри сети идут не далеко от сети. Следовательно, как говорилось выше, две сети могут использовать те же самые 56 частот. Те же частоты можно многократно использовать в городе.
Мобильные телефоны потребляют чрезвычайно мало энергии и работают преимущественно от батарей. Маленькая мощность - маленькие батареи, что и делает сотовые телефоны мобильными. Использование сотовой связи требует большого количества базовых подстанций в городе любого размера. В типичном мегаполисе - сотни подстанций. Из-за большого количества пользователей мобильными телефонами стоимость связи одному человеку обходится не дорого.

Каждый день во всем мире фиксируется около 13 млрд. телефонных звонков, при этом наибольшее число телефонных линий на душу населения приходится в Скандинавии. Распространение мобильных телефонов резко повысило интенсивность телекоммуникаций. Например, каждый день на планете отправляется около 1 млрд SMS .

Спутниковые системы связи.

Проблема систем связи — увеличение их дальности и пропуск­ной способности, так как увеличение пропускной способности приводит к сокращению дальности, и наоборот. Повышение про­пускной способности требует перехода на все более высокочастот­ные диапазоны волн, сигналы которых могут быть непосредствен­но переданы лишь на расстояния прямой видимости. Для разре­шения этого противоречия применяют ретрансляторы, поднятые достаточно высоко над поверхностью Земли.

В качестве таких ретрансляторов используют искусственные спутники Земли. Поскольку их можно разместить сколь угодно высоко над Землей, область действия спутников охватывает не только отдельные страны, моря, но и целые континенты, океаны. В общем случае спутники движутся по геостационарным или эл­липтическим орбитам, в одном из фокусов которых расположен центр Земли. Такие спутники содержат приемное и передающее оборудование для ретрансляции сигналов.

Для систем спутниковой службы Регламентом радиосвязи вы­делен ряд диапазонов частот: 4...6; 11...14; 20...30 ГГц.

Для спутникового аудиовещания принята полоса в районе 1,4 ГГц, а для телевизионного вещания — диапазон 12 ГГц.

В сотовых системах спутниковой связи заданную область по­верхности Земли разбивают на соты, и каждая из них обслужи­вается спутником отдельно. Как в наземной, так и в спутнико­вой радиосвязи использование сотовой системы — основной путь повышения энергетической и частотно-полосной эффек­тивности.

В заключение отметим основные этапы развития спутниковых систем связи:

середина 1960-х гг.— запуск первых спутников связи, начало коммерческого использования спутников-ретрансляторов для многоканальной связи, передачи телепрограмм и т. д.;

1970-е гг. — создание систем подвижной спутниковой связи, спутникового телевещания коллективного пользования;

1980-е гг.— зарождение технологии VSAT (Veri Small Aperture Terminal) — технологии малых спутниковых терминалов, устанав­ливаемых непосредственно у пользователей, и спутникового теле­визионного вещания;

конец 1990-х гг. — начало эксплуатации глобальных спутнико­вых систем связи;

2000-е гг. — внедрение малых спутниковых телефонных аппа­ратов, совместимых со стандартами сотовых сетей и позволяющих охватить бесперебойной связью всю планету.

В будущем спутниковая связь изменит индустрию телекомму­никаций, станет обычной и откроет новые возможности для обра­зования и науки.