Радиочастотного спектра

Развитие беспроводной связи, как следует из данных, приведенных в таблице 2.1., шло по пути постепенного освоения все более высокочастотных участков радиочастотного спектра (соответственно – более коротких волн).

Таблица 2.1.

На начальном этапе развития радиосвязи (нач. 1900-х – сер.1920-х гг.) получили распространение два основных диапазона волн (доступные для техники того времени): средние волны (СВ) от 300 до 600 м) и длинные волны (ДВ) свыше 2000 м. С целью увеличения дальности связи и улучшения качества постоянно совершенствовались конструкции и схемы антенн, передающих и приемных радиосредств.

Передатчики на заре развития радиосвязи были искровыми. Но они создавали широкий спектр помех, генерировали затухающие колебания, и это вызывало много неудобств. Поэтому далее конструкторская мысль стала развиваться в направлении поиска способов генерации незатухающих колебаний. Переход к использованию незатухающих колебаний в радиосвязи происходил постепенно и занял около десяти лет (1905 -1915 гг.). За это время было разработано несколько методов генерирования незатухающих колебаний – с помощью электрической дуги, электрических машин повышенных частот и посредством нового прибора – электронной лампы. Правда, надо отметить, что в области радиопередающих устройств изобретение лампы вначале прошло незамеченным. Столь маломощные устройства как первые электровакуумные приборы не могли поначалу решить проблемы передающих устройств. Но зато в области приёмных устройств появление электронной лампы совершило революцию – появилась возможность усиливать слабые сигналы на приёме и таким образом повышать дальность связи.

Таким образом, средства радиосвязи в течение почти 20 лет развивались только в низкочастотных участках частотного спектра - в диапазонах длинных и средних волн. Почти двадцать лет диапазон коротких волн (КВ) у профессионалов считался непригодным для дальней радиосвязи, поэтому его (примерно к концу 20-летнего периода развития радиосвязи) предоставили радиолюбителям. Как ни удивительно, но на практике радиолюбители смогли получить дальность связи на коротких волнах намного больше, чем на длинных. Теоретическое объяснение этому нашлось позднее.

Было выявлено, что длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли, и что волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения. Длинные и средние волны распространяются как поверхностные лучи. У длинных волн зона уверенного приёма составляет 2000-3000 километров. В диапазоне средних волн поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. КВ-лучи, в виду своей малой длины, имеют другую природу распространения. Они преодолевают огромные расстояния, многократно отражаясь от слоёв ионосферы.

Кроме увеличения дальности, КВ-радиосвязь имела еще одно важное достоинство. За счет того, что КВ-каналы являются более широкополосными по сравнению с каналами связи в диапазонах длинных и средних волн, появилась возможность передачи большого объема радиовещательных, телефонных, телеграфных сообщений. Начавшаяся в начале XX века эпоха радиоламп способствовала созданию в 1920-х гг. первых радиосредств КВ-диапазона, которые смогли передавать на большие расстояние намного больше информации. С помощью новых мощных радиоламп оказалось возможным создать новое для того времени поколение ламповых радиопередатчиков.

Электроламповые генераторы и приемники электромагнитных колебаний на долгие годы стали основой построения радиовещательных сетей, работающих во всех трех диапазонах (ДВ, СВ, КВ). Бытовые радиоприемники выпускались с возможностью настройки на радиостанции, работающие во всех трех диапазонах.

Следующие диапазоны частот, относящиеся к сверхвысоким (СВЧ) не развивались вплоть до появления электронных ламп, способных генерировать СВЧ-колебания. Диапазон СВЧ (так называемый микроволновый или диапазон ультракоротких волн УКВ) на первых порах не интересовал связистов, так как дальность связи у микроволн небольшая. Радиоволны этого диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются только в пределах прямой видимости. Но в этом оказалось скрыто преимущество для радиосвязи – появилась возможность многократного использования одних и тех же частот (без взаимных помех) радиостанциями, расположенными друг от друга на расстоянии, превышающем прямую видимость (150–200 км). Свойства радиоволн диапазона от 100 МГц и выше еще более близки к световым лучам, поэтому их можно сфокусировать в узкие пучки с помощью зеркал-антенн. Возможность фокусировки излучения - еще одно преимущество УКВ-диапазона. За счет направленного излучения создается меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча, а также узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных, радиоастрономии и т.п.

Радиорелейная связь первой освоила микроволновый диапазон. Первые радиорелейные станции появились за рубежом еще в 1930-х гг.Этот вид связи относится к наземной радиосвязи, основан на многократной ретрансляции радиосигналов микроволнового диапазона ретрансляционными станциями. Радиорелейная связь осуществляется, как правило, между стационарными объектами. Отличительной особенностью радиорелейной связи от всех других видов наземной радиосвязи является использование узконаправленных антенн, а также дециметровых и сантиметровых (а позднее и миллиметровых) радиоволн. Разновидностью радиорелейной является тропосферная связь, использующая эффект отражения дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых неоднородностей в нижних слоях атмосферы — тропосфере. Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ-диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях.Освоенный радиорелейными станциями УКВ-диапазон дал возможность передавать в узкой полосе, присущей высокочастотному диапазону, широкополосные сигналы телевизионного вещания. Исторически радиорелейные линии связи использовались для организации каналов связи телевизионного и радиовещания, а также для связи телеграфных и телефонных станций на территории со слабо развитой инфраструктурой. Современные радиорелейные линии связи обеспечивают передачу больших объёмов информации от базовых станций 2G, 3G и 4G к основным элементам опорной сети сотовой связи. В соответствии с рекомендацией ITU-R F.746 для радиорелейной связи прямой видимости утверждены диапазоны частот от 0,4 ГГц до 94 ГГц. Частотные диапазоны от 2 ГГц до 38 ГГц относятся к «классическим» радиорелейным частотным диапазонам.

Развитием традиционной радиорелейной связи в микроволновом диапазоне с начала 1960-х гг. стала спутниковая связь, организованная путём вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от десятков до сотен тысяч километров). Вначале в спутниковой связи использовался сантиметровый диапазон волн, в последующем освоили и более высокие частоты. Спутниковые линии связи действуют на принципе ретрансляции сигналов, осуществляемой аппаратурой, расположенной на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Спутниковые линии позволяют осуществлять многоканальную связь на очень большие расстояния. На геостационарной орбите высотой 36 000 км спутник вращается со скоростью вращения Земли (один оборот за 24 часа). В этом случае можно с помощью трех спутников, расположенных под углом 120°, обеспечить связь на территории всего земного шара. Появление спутниковой связи (в 1960-х гг.) стало возможным только после того, как были созданы ракеты, способные вывести спутники на околоземную орбиту. Как известно, первый искусственный спутник земли был запущен в СССР в 1957 г. Благодаря спутниковой связи появилась возможность доставлять телевизионные программы на обширную территорию нашей страны, во многих местах которой (особенно от Урала до Дальнего Востока) не было проводных линий. Первый экспериментальный спутник связи «Молния-1» в СССР был запущен в 1965 г. На основе таких спутников в нашей стране были созданы первые в мире сети спутникового телерадиовещания, которые постоянно совершенствовались: «Орбита» (1967 г.), «Экран» (1976 г.), «Москва» (1979 г.) и т.д. За рубежом первоначально спутниковая связь развивалась как средство передачи больших объемов международного (в том числе межконтинентального) телефонного трафика. Вскоре появились спутниковые системы, в которых можно было организовывать индивидуальные линии связи, используя недорогие земные станции с малыми антеннами (VSAT – Very Small Aperture Terinal). Спустя десятилетия, появилась мобильная спутниковая связь, в которой абонентское устройство имело такой же размер, как сотовый телефон. Благодаря спутниковым системам для миллионов жителей Земли, живущих в труднодоступных для создания наземной инфраструктуры местах, стала доступна и мобильная связь, и телерадиовещание. Продвижение спутниковых систем во все более высокочастотные области связано с расширением задач, решаемых с помощью спутниковой связи – появились системы спутниковой навигации (GPS и ГЛОНАСС), спутниковая метеорология и спутниковые системы исследования Земли, в том числе картографирования всей поверхности Земного шара, и т.п. Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6: L - 1,5 ГГц; S - 2,5 ГГц; C - 4 ГГц, 6 ГГц; Ku - 11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц; K - 20 ГГц; Ka - 30 ГГц .

Конкурентом радиорелейной и спутниковой связи, начиная с кон. 1980-х – нач. 1990-х гг., стала мобильная сотовая связь, которая как и радиорелейная, спутниковая относится к радиосвязи, основанной на многократной ретрансляции радиосигналов УКВ-диапазона. Только в данном случае эта ретрансляция осуществляется сетью наземных базовых станций. Предшественником мобильной сотовой персонифицированной связи можно считать системы профессиональной подвижной связи, в частности транкинговые. Сотовый принцип связи, предполагающий повторное использование частот был предложен в 1947 г. Практическое воплощение этого принципа стало возможно только спустя несколько десятков лет после того, как вычислительная техника и элементная база в своем развитии достигли уровня, позволившего создавать инфраструктуру мобильной связи и компактные абонентские терминалы. Мобильная сотовая связь родилась как связь, оказывающая на достаточно больших расстояниях только голосовые услуги и за 30 лет (нач. 1980-х – нач.2010-х гг.) перечень услуг пополнился сначала данными, потом видео.

В настоящее время конкуренцию мобильной сотовой связи составил мобильный широкополосный доступ, для которого оптимальными являются те же частоты. Начинавшийся в начале 1990-х гг. как передача данных в простейших компьютерных сетях, широкополосный доступ за 20 лет стал конкурентом мобильной сотовой связи, как по составу оказываемых услуг (их перечень пополнился видео и голосовой информацией), так и по получению разрешений на частоты.

Говоря об освоении инфокоммуникационными сетями высокочастотных участков частотного спектра, нельзя не отметить существование беспроводной оптической связи, которая, правда, не нашла столь широкого применения, как проводная оптическая связь. Оптическая (атмосферная) связь(иногда называемая лазерной) стала применяться в конце 1990-х гг., когда были разработаны недорогие полупроводниковые лазеры мощностью около 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигналов позволило избежать недопустимого затухания сигналов и выполнять повторную передачу пакетов при обнаружении ошибок. Тем не менее, обеспечить должное качество связи вследствие большого поглощения волн в атмосфере и разных помех другого рода удалось только на небольших расстояниях. Поэтому сфера применения лазерной связи очень ограничена: для преодоления сложных участков сети (например, водной преграды), как временная связь при прокладке подземных линий связи или проведении мероприятий. Лазерная связь осуществляется посредством модуляции низкочастотным информационным сигналом электромагнитных волн инфракрасного диапазона (граничащих с видимым светом). Механизмы поглощения этих волн в атмосфере во многом аналогичны тем, которые происходят в оптоволокне. В результате в атмосфере электромагнитные волны (свет) распространяется в тех же «окнах прозрачности» (850 нм, 1310 нм, 1550 нм), что позволяет заимствовать элементную базу и технологии, применяемые в волоконно-оптической связи.