Бездротовий зв’язок в інфраструктурі інтернет-мереж

Електромагнітне випромінювання довкола нас. Воно буквально оточує нас, природне чи створене людською діяльністю. Усе відбувається завдяки електромагнітним хвилям різної довжини. Але розповідь про все це забрала б кілька розділів читання з продовженням, починаючи з 1832 року з Майкла Фарадея і закінчуючи наноелектронікою, яку використовують для зв’язку між нанороботами в діагностичній медицині.

Тож повернімося на землю й подивімося на телекомунікаційний всесвіт, який нам найближчий.

ПОРАДА: Вам також може сподобатися наша стаття Що таке Wi-Fi насправді? Варіанти бездротових мереж.  

Спробуйте без дротів, шановний Марконі

Класичний жарт недостатньо передає величезний прогрес, якого досягло людство завдяки простій передачі імпульсів з радіостанцій на узбережжі океану та можливості двостороннього зв’язку між кораблями в морі. Тоді використовували низькі частоти й величезну потужність, що подавалася на антенні системи. Головне значення мала дальність. Зв’язок був повільніший за мовлене слово, але його можна було прийняти на другому боці планети. Кривизна Землі не була проблемою, бо хвилі відбивалися від шарів стратосфери.

З часом потреба передавати більше даних почала зростати. Як завжди, рушієм прогресу була армія. Передача більших обсягів вимагає вищої несівної частоти. Генерування сантиметрових хвиль магнетронами своєю чергою уможливило виявлення об’єктів за допомогою радіохвиль, а винайдення радара докорінно змінило співвідношення сил на початку Другої світової війни. Після війни воно уможливило розвиток цивільної авіації. А в телекомунікаціях для людства з’явилася принципова новинка: радіорелейна лінія передачі даних. За допомогою спрямованих антен стало можливо передавати відомості про бойову обстановку на великі відстані, керувати логістикою постачання армій у русі та замінювати пошкоджену телекомунікаційну інфраструктуру у звільнених країнах. Тоді світ відкрив справжню магію бездротового зв’язку.

З часом розвиток електронних комунікацій значно випередив можливості дорогих підземних металевих кабелів, і значна частина звичайного цивільного зв’язку почала спиратися на радіорелейні лінії. Пам’ятаєте ті величезні параболічні антени на передавачах České radiokomunikace? Чехословацьке телебачення з самого початку мовило саме через такі антени.

Можливостей для ліній передачі даних значно побільшало

Передавані потужності зросли, потреба в радіолініях великої дальності майже зникла, а випромінювана потужність такого обладнання впала до частки первісних значень Марконі. У 1945 році армія США працювала з аналоговою системою передачі, яка передавала кілька паралельних телефонних розмов. У 1950 році в Північній Америці почався період масового використання радіорелейних ліній у телефонній мережі, але радянський блок відставав недовго. У Чехословаччині TESLA випускала першокласне обладнання, яке експортували не лише до країн РЕВ, а й по всьому світу. У конкурентній боротьбі із західними компаніями східний блок почав відставати лише тоді, коли перейшов на цифрові системи передачі.

З 1990-х років цифровий зв’язок переживає неймовірне прискорення. Перехід від двохстанових схем частотної модуляції до модуляції з 1024 станами, з багаторазово більшою смугою пропускання, не тривав і 20 років. Завдяки прогресу напівпровідникових технологій, інтеграції раніше великих блоків у мініатюрні інтегральні схеми та використанню величезної обчислювальної потужності сигнальних процесорів сучасні радіолінії легко передають 10 Гбіт/с за секунду.

Самі радіолінії найчастіше поділяють за використовуваними діапазонами частот і способом використання. Найосновніший поділ — обладнання для з’єднання двох точок мережі. Для пересічного домашнього користувача інтернету легше зрозуміти зв’язок однієї базової станції з багатьма учасниками. Типовий приклад такої радіопередачі «точка — багато точок» — підключення мобільного телефону до базової станції. Або домашній Wi-Fi-роутер. Принцип такого множинного зв’язку ми розглянемо в іншій статті.

На лінії «точка — точка» спираються всі базові станції мобільної мережі та точки доступу інтернет-провайдерів. Щоб швидкісний інтернет працював надійно, а телефонні розмови не уривалися в русі, потрібна висока щільність точок доступу. Колись, можливо, через кілька десятиліть, усі такі точки в сільській місцевості буде з’єднано оптичною мережею. З саркастичною усмішкою я хотів би розлого написати про бюрократичну пастку будівництва чого завгодно в цій країні, де ми не говоримо, а діємо, але це позбавило б Вас опису використовуваних діапазонів частот.

Радіозв’язок в інфраструктурі використовує частоти від 4 ГГц до 80 ГГц. Що нижча частота радіолінії, то менші втрати випромінюваної енергії в дощ і в довкіллі. З іншого боку, з вищою частотою зростає підсилення антен, бо високу частоту параболічна антена ефективніше спрямовує в промінь енергії. Підсилення антени діаметром 60 см у використовуваному діапазоні 6 ГГц становить 29,5 дБі, тоді як тарілка такого самого розміру в міліметровому діапазоні 80 ГГц має підсилення 51 дБі. Таке число не вразить непосвячених, але кожен, хто ще пам’ятає фізику із середньої школи, бачить покращення на кілька порядків.

Низькі діапазони зв’язку досить переповнені через історичне навантаження, технічний розвиток і закони фізики. Регуляторні органи, як-от CEPT на європейському рівні та Чеське телекомунікаційне управління (CTU) на національному, встановлюють обов’язкові правила експлуатації таких мереж. Регулятори мусять забезпечити безперешкодну роботу не лише для телекомунікацій, а й для згаданих вище військових і цивільних радарів, супутників та керування рухом. Регулюванню підлягає все, що здатне передавати сигнал, зокрема іграшки на радіокеруванні чи брелоки центрального замка автомобіля. У вищих діапазонах, які ми навчилися використовувати лише нещодавно, місця вдосталь. Є достатньо простору для великих обсягів передачі даних без того, щоб радіолінії заважали одна одній. Перевагою є й обмежені відстані для побудови такої лінії. Наприклад, у діапазоні 60 ГГц енергія повністю зникає вже за кілька сотень метрів. Тому радіоексплуатації не можуть впливати одна на одну. Під час експлуатаційних випробувань з’єднання між мережею Újezd.Net і компанією Eurosignal ми досягли підключення з пропускною здатністю 2,5 Гбіт/с, з такою самою якістю, якої можна досягти оптоволокном, на відстані близько 2 км. Ми використали лінію CERAGON IP20E для діапазону 80 ГГц.

Інший, нетехнічний поділ радіоліній ґрунтується на типі дозволу, потрібного для використання цих діапазонів частот. Чеське телекомунікаційне управління (CTU) видає ліцензії на використання діапазонів. Деякі з них пов’язані з доволі високими зборами й потребують ретельної взаємної координації, а взаємні завади під час роботи в спектрі доводиться складно розраховувати. Це логічний захід, особливо якщо потрібно радіозв’язком з’єднати віддалені місця. Лінії в інших діапазонах своєю чергою мають працювати на малій потужності, а плата за взаємну координацію не вимагається. Як я згадував, із зростанням частоти про взаємні завади можна не турбуватися, і водночас телекомунікаційний оператор може передавати в кілька разів більше. Порівняння таких професійних ліній з оптичною лінією зовсім не виглядає погано. Такі лінії працюють у повнодуплексному режимі й використовують дві пари частот для зв’язку, по одній для кожного напрямку передачі.

Залежність від використовуваної частоти, потужності передачі даних і ліцензійних умов Ви бачите в таблиці 1. Я описую не всі діапазони.

Радіолінії використовує вся телекомунікаційна галузь. Наприкінці кожного оптичного волокна, імовірно, є якась така радіостанція, яка переносить дані до інших клієнтів мережі. Люди часто питають мене про надійність такої лінії в дощ чи туман. Розрахувати радіотрасу та її надійність нині може будь-який студент електротехнічної школи. Виробники постачають інструменти для проєктування траси, а за стандартом ITU-R P.530 враховують і статистику опадів у районі, де лінію розгорнуто. Розрахунки для конкретного пристрою надійно визначать, чи працюватиме з’єднання навіть під час апокаліптичної зливи. Пам’ятаєте, коли Ви востаннє телефонували з мобільного під дощем?

Чи сподобалася Вам стаття? Збираєтеся оформити нове підключення? Погляньте на статтю Шукаєте відповідне підключення до інтернету, але не орієнтуєтеся в тарифах? 

Автор: Jakub Moník

Оновлено 16 лютого 2024 р.