Перерахуємо деякі загальні закономірності поширення електромагнітних хвиль, пов'язані з частотою випромінювання.
§ Чим вище несуча частота, тим вище можлива швидкість передачі інформації.
§ Чим вище частота, тим гірше проникає сигнал через перешкоди. Низькочастотні радіохвилі АМ-діапазонів легко проникають у будинки, дозволяючи обходитися кімнатною антеною. Більш високочастотний сигнал телебачення вимагає, як правило, зовнішньої антени. І нарешті, інфрачервоний і видимий світ не проходять через стіни, обмежуючи передачу прямою видимістю (Line Of Sight, LOS).
§ Чим вище частота, тим швидше убуває енергія сигналу з відстаням від джерела. При поширенні електромагнітних хвиль у вільному просторі (без відображень) загасання потужності сигналу пропорційно добутку квадрата відстані від джерела сигналу на квадрат частоти сигналу,
§ Низькі частоти (до 2 МГц) поширюються вдалину поверхні землі. Саме тому сигнали АМ-радіо можуть передаватися на відстані в сотні кілометрів.
§ Сигнали частот від 2 до 30 МГц відображаються іоносферою землі, тому вони можуть поширюватися навіть на більш значні відстані в кілька тисяч кілометрів (при достатній потужності передавача).
§ Сигнали в діапазоні вище 30 МГц поширюються тільки по прямій, тобто є сигналами прямої видимості. При частоті понад 4 ГГц їх підстерігає неприємність - вони починають поглинатися водою, а це означає, що не тільки дощ, але і туман може стати причиною різкого погіршення якості передачі мікрохвильових систем.
§ Потреба в швидкісній передачі інформації є переважаючою, тому всі сучасні системи бездротової передачі інформації працюють в високочастотних діапазонах, починаючи з 800 МГц, незважаючи на переваги, які обіцяють низькочастотні діапазони завдяки поширенню сигналу уздовж поверхні землі або відбиття від іоносфери.
§ Для успішного використання мікрохвильового діапазону необхідно також враховувати додаткові проблеми, пов'язані з поведінкою сигналів, що поширюються в режимі прямої видимості і зустрічаючих на своєму шляху перешкоди.
На рис. 10.4 показано, що сигнал, зустрівшись з перепоною, може поширюватися відповідно до трьох механізмами: відображенням, дифракцией і розсіюванням.
Мал. 10.4. Поширення електромагнітної хвилі
Коли сигнал зустрічається з перешкодою, яке частково прозоро для даної дли-ни хвилі і в той же час розміри якого набагато перевищують довжину хвилі, то частина енергії сигналу відбивається від такої перешкоди. Хвилі мікрохвильового діапазону мають довжину кілька сантиметрів, тому вони частково відбиваються від стін будинків при передачі сигналів в місті. Якщо сигнал зустрічає незворушне для нього перешкоду (наприклад, металеву пластину) також набагато більшого розміру, ніж довжина хвилі, то відбувається дифракція - сигнал як би огинає перешкоду, так що такий сигнал можна отримати, навіть не перебуваючи в зоні прямої видимості. І нарешті, при зустрічі з перешкодою, розміри якого порівнянні з довжиною хвилі, сигнал розсіюється. поширюючись під різними кутами.
В результаті подібних явищ, які повсюдно зустрічаються при бездротового зв-зи в місті, приймач може отримати кілька копій одного і того ж сигналу. Такий ефект називається багатопроменевим поширенням сигналу. Результат багатопроменевого поширення сигналу часто виявляється негативним, оскільки один із сигналів може прийти зі зворотним фазою і придушити основний сигнал.
Так як час поширення сигналу вздовж різних шляхів буде в загальному випадку раз-особистим, то може також спостерігатися міжсимвольні інтерференція - ситуація, коли в результаті затримки сигнали, які кодують сусідні біти даних, доходять до приймача одночасно.
Спотворення через багатопроменевого поширення призводять до ослаблення сигналу, цей ефект називається багатопроменевим завмиранням. У містах багатопроменеве завмирання приво-дить до того, що ослаблення сигналу стає пропорційним НЕ квадрату відстані, а його кубу або навіть четвертого ступеня!
Всі ці спотворення сигналу складаються з зовнішніми електромагнітними перешкодами, яких в місті багато. Досить сказати, що в діапазоні 2,4 ГГц працюють мікро-хвильові печі.
Відмова від проводів і набуття мобільності призводить до високого рівня перешкод в бездротових ли-пах зв'язку. Якщо інтенсивність бітових помилок (BER) в дротяних лініях зв'язку дорівнює 10 -9 -10 -10. то в бездротових лініях зв'язку вона досягає величини 10 -3!
Проблема високого рівня перешкод бездротових каналів вирішується різними спосо-бами. Важливу роль відіграють спеціальні методи кодування, що розподіляють енергію сигналу в широкому діапазоні частот. Крім того, передавачі сигналу (і приймачі, якщо це можливо) намагаються розмістити на високих вежах, щоб уникнути багаторазових відображень. Ще одним прийомом є застосування протоколів з встановленням соеди-нений і повторними передачами кадрів вже на канальному рівні стека протоколів. Ці протоколи дозволяють швидше коригувати помилки, так як працюють з меншими значеннями тайм-аутів, ніж коригувальні протоколи транспортного рівня, такі як TCP.
Отже, електромагнітні хвилі можуть поширюватися в усіх напрямках на зна-ве відстані і проходити через перешкоди, такі як стіни будинків. Тому проблема поділу електромагнітного спектра є досить гострою і вимагає цін-тралізованного регулювання. У кожній країні є спеціальний державний орган, який (відповідно до рекомендацій ITU) видає ліцензії операторам зв'язку на використання певної частини спектра, достатньої для передачі інформації за певною технологією. Ліцензія видається на певну територію, в межах якої оператор використовує закріплений за ним діапазон частот монопольно.
При видачі ліцензій урядові органи керуються різними страті-гіямі. Найбільш популярними є три: конкурс, лотерея, аукціон.
§ Учасники конкурсу - оператори зв'язку - розробляють детальні пропозиції. У них вони описують свої майбутні послуги, технології, які будуть використовувати-ся для реалізації цих послуг, рівень цін для потенційних клієнтів і т. П. Потім комісія розглядає всі пропозиції і вибирає оператора, який в найкращій мірі буде відповідати суспільним інтересам. Складність і неоднозначність критеріїв вибору переможця в минулому часто приводили до значних затримок у прийнятті рішень і корупції серед державних чиновників, тому не-які країни, наприклад США, відмовилися від такого методу. У той же час в інших країнах він все ще використовується, найчастіше для найбільш значимих для країни послуг, наприклад розгортання сучасних систем мобільного зв'язку 3G.
§ Лотерея - це найбільш простий спосіб, але він також не завжди призводить до справед-лівим результатами, оскільки в лотереї можуть брати участь і «підставні» оператори, які збираються не вести операторську діяльність, а просто пере-продати ліцензію.
§ Аукціони сьогодні є досить популярним способом виявлення володаря ліцензії. Вони відсікають недобросовісні компанії і приносять чималі доходи державам. Вперше аукціон був проведений в Новій Зеландії в 1989 році. У зв'язку з бумом навколо мобільних систем 3G багато держав за рахунок подібних аукціонів в значній мірі поповнили свої бюджети.
Існують також три частотні діапазони, 900 МГц, 2,4 ГГц і 5 ГГц, які рекомен-дова ITU як діапазони для міжнародного використання без ліцензування [35]. Ці діапазони виділені промисловим товарам бездротового зв'язку загального призначення, наприклад пристроїв блокування дверей автомобілів, науковим і медичним при-борів. Відповідно до призначення ці діапазони отримали назву ISM-діапазонів (Industrial, Scientific, Medical - промисловість, наука, медицина). Діапазон 900 МГц є найбільш «населеним». Це і зрозуміло, низькочастотна техніка завжди вар-ла дешевше. Сьогодні активно освоюється діапазон 2,4 ГГц, наприклад, в технологіях IEEE 802.11 і Bluetooth. Діапазон 5 ГГц тільки почав освоюватися, незважаючи на те що він забезпечує більш високі швидкості передачі даних.
Обов'язковою умовою використання цих діапазонів на спільній основі є обмеження максимальної потужності переданих сигналів рівнем 1 Вт. Ця умова обмежує радіус дії пристроїв, щоб їх сигнали не стали перешкодами для інших користувачів, які, можливо, працюють в тому ж діапазоні частот в інших районах міста.
Існують також спеціальні методи кодування (вони розглядаються далі), по-зволяет зменшити взаємний вплив пристроїв, що працюють в ISM-діапазонах.
Типова схема проводового двухточечного каналу є популярною і для бездрот-водної зв'язку. За двухточечной схемою можуть працювати бездротові канали різного призначення, що використовують різні діапазони частот.
У телекомунікаційних первинних мережах така схема вже довгий час застосовується для створення так званих радіорелейних ліній зв'язку. Таку лінію утворюють кілька веж, на яких встановлені параболічні спрямовані антени (рис. 10.5). Каж-дая така лінія працює в мікрохвильовому діапазоні на частотах в декілька гігагерц. Спрямована антена концентрує енергію у вузькому пучку, що дозволяє передавати інформацію на значні відстань, зазвичай до 50 км. Високі вежі забезпечують пряму видимість антен.
Мал. 10.5. Радіорелейний лінія зв'язку
Пропускна здатність лінії може бути досить високою, зазвичай вона знаходиться в межах від декількох до сотень мегабітт в секунду. Це можуть бути як магістральні лінії, так і лінії доступу (в останньому випадку вони мають найчастіше один канал). Опе-ратора зв'язку часто використовують подібні лінії, коли прокладка оптичного волокна або неможлива (через природних умов), або економічно невигідна.
Радіорелейний лінія зв'язку може використовуватися в місті для з'єднання двох будівель. Так як висока швидкість в такому випадку не завжди потрібна (наприклад, потрібно з'єднати невеликий сегмент локальної мережі з основною локальною мережею підприємства), то тут можуть застосовуватися радіомодеми, що працюють в АМ-діапазоні. Для зв'язку двох будівель може також використовуватися лазер, забезпечуючи високу інформаційну швидкість (до 155 Мбіт / с), але тільки при відповідному стані атмосфери.
Інший приклад бездротової двухточечной лінії зв'язку показаний на рис. 10.6. Тут вона служить для з'єднання двох комп'ютерів. Така лінія утворює найпростіший сегмент локальної мережі, тому відстані і потужності сигналу тут принципово інші.
Мал. 10.6. Бездротовий зв'язок двох комп'ютерів
Для відстаней в межах одного приміщення може використовуватися діапазон інфра-червоних хвиль (рис. 10.6, а) або мікрохвильовий діапазон (рис. 10.6, б). Більшість сучасних ноутбуків оснащений вбудованим інфрачервоним портом, тому таке з'єднання може бути утворено автоматично, як тільки порти двох комп'ютерів виявляться в межах прямої видимості (або видимості відбитого променя).
Мікрохвильовий варіант працює в межах декількох десятків або сотень метрів - граничну відстань передбачити неможливо, так як при поширенні мікро-хвильового сигналу в приміщенні відбуваються численні відображення, дифракції та розсіювання, до яких додаються ефекти проникнення хвиль через стіни і міжповерхові перекриття.