в каком частотном диапазоне возможна передача сигналов по медным телефонным линиям

В каком частотном диапазоне возможна передача сигналов по медным телефонным линиям

Теорема Шеннона ограничивает предельную пропускную способность канала I с заданной полосой пропускания F и отношением сигнал/шум S/N :
[2.1]

Для стандартного телефонного канала F=3кГц, N/S=30db, следовательно, теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 дБ/км, дополнительные ограничения возникают из-за перекрестных наводок. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 дБ/км на частоте 800 Гц, или 10 дБ/км на частоте 1600 Гц. На рис. 2.1.1 показана зависимость ослабления от частоты передаваемого сигнала для медной линии с сечением 0,5 мм.

Рис. 2.1.1. Зависимость ослабления сигнала в медной линии сечением 0,5мм от частоты

От частоты зависит фаза (из расчета на километр) и волновое сопротивление скрученной пары (см. рис. 2.1.2), по этой причине искажения формы сигнала при заметной длине линии неизбежны.

Рис. 2.1.2. Зависимость волнового импеданса скрученной пары и фазы (сечение 0,5мм) от частоты

Рис. 2.1.3. Линейное выравнивание (эквилизация)

Рис. 2.1.4. Эквилизация с помощью решающей обратной связи

На практике линейное выравнивание и эквилизация с обратной связью совмещаются друг с другом и со специальными методами формирования передаваемых сигналов. Проблема усугубляется тем, что одна и та же линия используется для передачи данных в обоих направлениях одновременно.

Для улучшения отношения сигнал/шум следует поднимать амплитуду передаваемого по линии сигнала. Выбранное значение определяется требованиями перекрестных наводок и возможностями существующих БИС. В результате компромисса выбрана амплитуда 2.5 В на нагрузке 135 ом. Любые нелинейные искажения должны быть менее 36 дБ по отношению к основному сигналу. Учитывая динамический диапазон сигналов в линиях связи, отношение сигнал шум предполагается равным 20 дБ, что соответствует ограничению 6дБ на число ошибок 1/10 6 для гауссова распределения шума. При аналого-цифровом преобразовании одному биту соответствует 6 дБ.

Рис. 2.1.5. Схема эхо-компенсации

Более широко для реализации двухстороннего обмена по одной паре проводов используется метод эхо-компенсации. Этот метод предполагает вычитание передаваемого сигнала из принимаемого, определяя тем самым истинную форму входного сигнала. Если на приведенном рисунке 2.1.5 Z_вх равно волновому сопротивлению линии, то выходной сигнал передатчика не будет влиять на работу приемника. Здесь предполагается, что выходное сопротивление передатчика много меньше z= z_линии. Учитывая вариации ослабления сигнала, схема эхо-компенсации должна уметь работать в очень широком динамическом диапазоне амплитуд, сохраняя удовлетворительную линейность. Это обстоятельство, а также зависимость z_линии от частоты, приводит к заметному усложнению схем эхо-компенсации (Рис. 2.1.6). Системы эхо-компенсации весьма чувствительны к временному разбросу срабатывания пороговых схем, так как это приводит к фазовому сдвигу вычитаемых друг из друга сигналов.

Рис. 2.1.6. Схема эхо-компенсации с адаптивным фильтром

На рис. 2.1.7 показана зависимость скорости пропускания от сопротивления петли передающей линии для разных схем кодирования сигнала (пунктирной линией отображен вариант четырехуровневого кодирования). Те, кто работал с выделенными линиями, усвоили эту зависимость на практике. Если сопротивление линии более 1,5 кОм вы скоро будете знать дежурных вашей телефонной станции по имени, узнаете, что такое грозовые вставки и что они имеют привычку окисляться.

Рис. 2.1.7. Зависимость максимальной скорости передачи данных от сопротивления петли передающей линии

Различные методы модуляции приводят к разным уровням перекрестных наводок, и, как следствие, могут обеспечить разные скорости пропускания сигналов. Так применение линейной эквилизации при амплитудной модуляции дает улучшение пропускной способности примерно в 5 раз. Из рисунка 2.1.8 видно, что переход от линейного выравнивания к эквилизации с обратной связью позволяет добиться улучшения почти в 1,5 раза. Многоуровневый метод кодирования увеличивает скорость пропускания еще на 30%. Следует, правда, иметь в виду, что многоуровневый метод кодирования характеризуется большим уровнем импульсных помех и, следовательно, ошибок.

Рис. 2.1.8. Минимальное отношение сигнал-шум при скорости передачи

Источник

Зависимость работы ADSL от различных параметров

В статье подробно рассматривается влияние различных параметров на скорость и другие характеристики работы ADSL-оборудования.

Аббревиатура ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) расшифровывается как «Асимметричная цифровая абонентская линия», что подчеркивает изначально заложенное в этой технологии различие скоростей обмена в направлениях к абоненту и обратно.

Асимметричность ADSL, по своей сути, подразумевает передачу больших объемов информации к абоненту (видео, массивы данных, программы) и небольших объемов от абонента (в основном команды и запросы).

Оборудование ADSL, размещенное на АТС, и абонентский ADSL-модем, подключаемые к обоим концам телефонной линии, образуют три канала:

Величина скорости передачи данных при этом зависит от длины и качества телефонной линии. Асимметричный характер скорости передачи данных вводится специально, т. к. удалённый пользователь Интернет обычно загружает данные из сети в свой компьютер, а в обратном направлении идут либо команды, либо поток данных существенно меньшей скорости. Для получения асимметрии скорости полоса пропускания абонентского окончания делится между каналами также асимметрично.

Влияние параметров кабеля на работу ADSL оборудования

Первичные параметры линии: (реальные)

на поврежденном кабеле измерить цифровым мультиметром сопротивление изоляции и емкость невозможно! это первый признак намокания кабеля, «разбитость», асимметрия.

Вторичные параметры линии: (основные)

Уровень шума: RMS Noise Energy [dBm]

Частотная характеристика линии. (примеры ниже)

Рефлектомер “CableSHARK” фирмы ”Consultronics”. Рефлектомер “990DSL CopperPro” фирмы ”FLUKE Networks”. Мультиметры APPA 101 и UNI-T UT70D

Для начала глянем как выглядит с точки зрения ADSL модема идеальная линия.

Витая пара. 5Cat. 720м. (собрано на скрутках из кусочков)

Рис.1. Проверка расстояния

DMT (Discrete Multi-Tone), информационный поток разбивается на несколько каналов, каждый из которых передается на своей несущей частоте с использованием QAM. Обычно DMT разбивает полосу от 4 кГц до 1,1 Мгц на 256 каналов, каждый шириной по 4 кГц. Данный метод по определению решает проблему разделения полосы между голосом и данными (голосовую часть он просто не использует), но более сложен в реализации, чем CAP. DMT утвержден в стандарте ANSI T1.413, а также рекомендован как основа спецификации Universal ADSL.

Рис.2. Результаты тестирования линии

Чем больше расстояние, тем больше сопротивление линии, хуже частоная характеристика и выше затухание сигнала. В основном это сказывается на Downstream (середина и конец графика) т.е. скорость соединения ADSL модема в сторону абонента.

DSLAM и модем фирмы SIEMENS.
Теоретическая скорость:
7Mбит/с Downstream
800кбит/с Upstream

Реальная скорость соединения:
1Mбит/с Downstream
512кбит/с Upstream

Рис.3. Линия с повреждением

Рис.4. Шум в линии, в основном от радиостанции Маяк(549КГц) и т.п.

Рис.5. Шум в линии, (рис.4 подробнее)

DSLAM и модем фирмы SIEMENS.

Реальная скорость соединения:
64Кбит/с Downstream
32кбит/с Upstream
(иногда потеря синхронизации)

Заводской кросс, лапша, скрутки. очень большое расстояние до АТС.
Стабильная работа ADSL оборудования на такой линии невозможна.

Внешние факторы влияющие на работу ADSL оборудования

При совместной работе DSL и ВЧ уплотнений в одном кабеле на разных парах могут возникать перекрестные помехи, мешающие работе аналоговой телефонии. (шум в диапазоне от 1КГц и выше)

В заводских и промышленных зонах очень сильно влияет всевозможное силовое оборудование. Непосредстенная близость железной дороги.

Рис.7. Помехи от линий АВУ, ВЧ уплонений Peterstar, УВО сигнализаций

Как видно на графике практически весь основной шум приходящийся на диапазон Upstream.(начало графика) Шум от линий АВУ и ВЧ уплотнений постоянный, т.е. от времени суток не зависит. Сигнализацию обычно включают с 19:00 до 09:00 и в выходные дни круглосуточно. Соответственно в это время ADSL работает с перебоями или не работает совсем.

Рис.8. Работа силового электрооборудования

Очень плохая частотная характеристика кабеля. Высокий уровень шума, забивающий практически весь сигнал. Станционная часть. DSLAM

Нарушение технологии монтажа кроссировочного кабеля.

когда через кроссовое ушко, в котором уже есть много других кроссировок, пропускают очередную пару проводов. И делают это с таким усилием, что протаскиваемая пара сдирает/сжигает изоляцию на соседних кроссировках. Как следствие: замыкание проводников различных пар между собой или на землю.

Неправильное подключение сплиттерной/модемной карты в DSLAM. Неправильное подключение порта сплиттера в линию/станцию. Подключение абонентской линии на другой порт DSLAM. Иногда просто забывают сделать кроссировки. 🙂 Перегрев оборудования.
Глючность софта/прошивки, отказ работы DSLAM с некоторым типом абонентского оборудования при некоторых параметрах линии.

Выводы

Сопротивление линии напрямую зависит от расстояния. Следовательно, зная сопротивление, можно достаточно точно вычислить расстояние между абонентом и АТС. Зная справочные данные ADSL модема, можно прикинуть на какой скорости соединится модем. К сожалению это все. чтобы узнать вторичные параметры линии требуется сложное дорогостоящие оборудование. Ещё есть возможность посмотреть среднее затухание сигнала на Upstream и Downstream потоке в некоторых ADSL модемах: ZyXEL 650, Cisco 800 series, в USB ADSL модемах и другие.

Запросто можно угробить линк и при сопротивлении много меньше 800 Ом. Как правило это так любимая всеми «лапша под гвоздик» на стороне абонента. Предельная рабочая частота 180кГц и при желании через хлорку (две пары) можно замутить 10BaseT. но на каком расстоянии?

Старые совковые телефонные розетки. Этакий шЫт с конденсатором 1мкФ х 160В внутри. Новые, кстати, тоже не блещут качеством. Из розеток «Зроблено у белорусии» вилка RJ11 сделаная в Китае просто вываливается. Вилок RJ11 сделаных в Белорусии не встречал, поэтому такие розетки сразу в помойку.

В квартирах и офисах с повышеной влажностью (старый фонд), сопротивление окислившихся контактов может достигать нескольких сотен Ом.

Иногда недалёкие «телефонисты» могут сделать телефонный ввод в офис/квартиру через забытый радиоввод. Распределительная коробка оставшаяся от радиоточки. (на каждый провод впаяно сопротивлеие 300 Ом)

Ещё можно поискать на лестничной площадке в щитке диодные блокираторы (если когда-то давно линия была спарена) Получаем забавный эффект: ADSL модем работает только при снятой трубке на телефоне. Или забытый ВЧ фильтр от сигнализации вневедомственной охраны.

Если линия проходит через кросс старого завода/предприятия, то вы получаете дополнительные бонусы в виде:

При сопротивлении шлейфа линии более 1000 Ом работа ADSL модема практически невозможна.

Параметры линии по постоянному току для подключения аппаратуры ADSL

Источник

Как выбрать ADSL модем

В наши дни доступ в интернет нужен практически всем. Будь то работа, развлечения, общение – глобальная сеть повсеместно вошла в нашу жизнь. Для обеспечения доступа в интернет дома или в офисе необходим модем, который позволит подключить к сети все необходимые устройства. В крупных городах провайдеры предлагают оптико-волоконные и волоконно-коаксиальные системы, которые позволяют получить быстрое и стабильное соединение. Однако для проведения таких кабелей необходимо, чтобы количество пользователей позволяло заполнить всю полосу пропускания кабеля – иначе это просто не выгодно. Поэтому возможность подобного соединения предоставляется бизнесом далеко не везде. Особенно это касается небольших городов, посёлков и деревень. А что делать, если такие услуги не предоставляются, а интернет всё равно нужен?

Существуют разные варианты, и один из лучших – использование витой пары абонентских телефонных проводов. Многие с ужасом вспомнят неработающий телефон во время использования интернета. Однако технологии уже давно ушли далеко вперёд. Сегодня наиболее распространены и эффективны технологии xDSL. DSL переводится как цифровая абонентская линия (digital subscriber line). Эта технология позволяет добиться довольно высокой скорости передачи данных по медным парам телефонных проводов, при этом не занимая телефон. Дело в том, что для передачи голоса используется диапазон частот от 0 до 4 кГц, в то время как по медному телефонному кабелю можно передать сигналы с частотой до 2,2 МГц, и именно участок от 20 кГц до 2,2 МГц использует технология xDSL. На скорость и стабильность такого соединения влияет длина кабеля, то есть чем дальше от вашего модема находится телефонный узел (или другой модем в случае создания сети), тем ниже будет скорость передачи данных. Стабильность сети обусловлена тем, что поток данных идёт от пользователя напрямую к узлу, на его скорость не влияют другие пользователи. Важный фактор: для предоставления xDSL соединения не нужно проводить замену кабелей, что делает теоретически возможным подключение интернета везде, где есть телефон (зависит от наличия такой услуги у провайдера).

Модем xDSL станет связующим звеном между телефонным кабелем и вашими устройствами (или маршрутизатором), однако при выборе конкретной модели нужно учитывать целый ряд характеристик, которые подойдут именно вам.

Чем различаются модемы xDSL

Технологии xDSL

В аббревиатуре xDSL буква «x» подразумевает первую букву технологии DSL. Технологии xDSL различаются по расстоянию передачи сигнала, скорости передачи данных, а также по разнице в скоростях передачи входящего и исходящего трафиков.

Технология ADSL переводится как асимметричная цифровая абонентская линия. Это значит, что скорость передачи входящих и исходящих данных различается. В данном случае скорость приёма данных равна 8 Мбит/с, а передачи – 1,5 Мбит/с. При этом максимальное расстояние от телефонного узла (или другого модема в случае создания сети) равно 6 км. Но максимальная скорость возможная лишь на минимальном расстоянии от узла: чем дальше, тем она ниже.

Технология ADSL2 гораздо лучше использует пропускную способность провода. Главное его отличие – возможность распределять информацию по нескольким каналам. То есть он использует, к примеру, пустующий исходящий канал, когда входящий перегружен, и наоборот. Благодаря этому его скорость приёма данных равна 12 Мбит/с. Скорость передачи осталась такой же, как в ADSL. При этом максимальное расстояние от телефонного узла (или другого модема) – уже 7 км.

Технология ADSL2+ удваивает скорость входящего потока данных благодаря увеличению используемого диапазона частот до 2,2 МГц. Таким образом, скорость приёма данных уже равна 24 Мбит/с, а передачи – 2 Мбит/с. Но такая скорость возможна лишь на расстоянии менее 3 км от узла – дальше она становится аналогичной технологии ADSL2. Преимущество оборудования, работающего с технологией ADSL2+, заключается в том, что оно совместимо с предыдущими стандартами ADSL.

Технология SHDSL – стандарт высокоскоростной симметричной передачи данных. Это значит, что скорости приёма и отдачи одинаковы – 2,3 Мбит/с. При этом эта технология может работать с двумя медными парами – тогда скорость удваивается. Максимальное расстояние от телефонного узла (или другого модема) равно 7,5 км.

Технология VDSL обладает максимальной скоростью передачи данных, но существенно ограничена расстоянием от узла. Она работает как в ассиметричном, так и в симметричном режимах. В первом варианте скорость приёма данных доходит до 52 Мбит/с, а передачи – 2,3 Мбит/с. В симметричном режиме поддерживаются скорости до 26 Мбит/с. Однако высокие скорости доступны на расстоянии не более 1,3 км от узла.

При выборе xDSL модема необходимо ориентироваться на расстояние до телефонного узла (или другого модема). Если оно небольшое, можно смело ориентироваться на VDSL, если же узел далеко – стоит выбрать ADSL2+. При наличии двух медных пар проводов можно обратить внимание и на SHDSL.

Стандарты Annex

Annex — разновидность стандартов ADSL для передачи высокоскоростных данных совместно с аналоговой телефонией (обычным телефоном).

Стандарт Annex L позволяет увеличить максимальное расстояние связи до 7 км благодаря увеличению мощности на низких частотах. Но этот стандарт используют не все провайдеры из-за создания помех.

Стандарт Annex M позволяет увеличить скорость исходящего потока до 3,5 Мбит/с. Но на практике скорость соединения колеблется от 1,3 до 2,5 Мбит/с. Для бесперебойного соединения этот стандарт требует телефонную линию без повреждений.

DHCP-сервер

Порты USB

На сегодняшний день существует два варианта организации подключения к сети интернет по ADSL-технологии: через USB-порт и через Ethernet-порт.

Внешний USB ADSL-модем подключается к компьютеру посредством USB-порта. Питание он получает от компьютера. Преимущества таких модемов: низкая стоимость и простота использования. Минусами можно назвать совместимость не со всеми компьютерами, необходимость регулярной переустановки драйверов, работа только с одним устройством.

ADSL-модем, подключаемый к устройству через Ethernet-порт, будет работать стабильнее. Но для использования с несколькими устройствами он должен обладать функцией маршрутизатора или технологией Wi-Fi.

Настройка и управление

Настройка и управление модемами чаще всего осуществляется посредством трёх технологий: Web-интерфейс, Telnet и SNMP.

Web-интерфейс – это функция, позволяющая осуществлять настройку и управление через браузер компьютера. Этого варианта будет достаточно для домашнего использования модема.

Telnet – это сетевой протокол для удалённого доступа к компьютеру с помощью командного интерпретатора. С его помощью настраивать модем можно с не подключенных к нему устройств. Это удобно для небольших цепей из модемов дома и в офисе.

SNMP – стандартный интернет-протокол для управления устройствами в IP-сетях, функционирующих на базе архитектуры TCP/IP (средство для обмена информацией между устройствами, объединенными в сеть). С помощью протокола SNMP программное обеспечение для управления сетевыми устройствами может получать доступ к информации, которая хранится на управляемых устройствах. Благодаря этому он наиболее часто применяется при построении офисных сетей.

Критерии выбора

Модемы xDSL различаются по целому ряду характеристик, наиболее важные среди которых – максимальное расстояние от телефонного узла, скорость приёма и передачи данных, наличие симметричной или асимметричной передачи. Понимая, в каких условиях и как именно будет использоваться модем, можно подобрать подходящее именно вам устройство.

Напомним, что при выборе xDSL-модема важно знать характеристики телефонной сети: длину кабеля до телефонного узла, количество медных пар кабеля и его качество, предложения и возможности провайдера. Важно отсутствие помех на линии, которые обусловлены пересечением пар кабеля или его низким качеством.

Мы распределили модемы xDSL, исходя из потребностей пользователя.

Для подключения к интернету с помощью технологии xDSL одного устройства достаточно будет приобрести недорогой USB-модем, поддерживающий подходящую технологию (к примеру, ADSL2+ или VDSL).

Для создания интернет-сети дома или в небольшом офисе лучше обратить внимание на xDSL-модемы, подключаемые через Ethernet-порт. Выбор технологии опять же зависит от возможностей телефонной сети.

Для создания большой офисной сети с цепью модемов на расстояниях до 3 км стоит выбирать среди xDSL-модемов с новейшими стандартами xDSL, симметричной передачей данных и поддержкой протокола SNMP.

Источник

Частоты и емкость сети — все, о чем вы хотели спросить

Помнится, в школьные годы многие задавались вопросом: «а зачем мне изучать основы физики или математического анализа, если в жизни мне это не пригодится?». Тогда казалось, что во взрослую жизнь можно идти, зная лишь простейшие математические операции (чтобы не ошибиться в магазине с продуктами). Но развитие технологий привело к тому, что рядовым пользователям в руки попали довольно мощные и сложные инструменты. Взять хотя бы мобильную связь. Чтобы грамотно выбирать оператора, понимать, почему где-то мобильная связь есть, а где-то ее нет, приходится вспоминать не только школьные учебники, но и вещи, выходящие далеко за их рамки.

Чтобы не блуждать по специализированной литературе, мы подготовили небольшой ликбез о частотах мобильной сети, который поможет сориентироваться.

Из школьного курса физики мы помним, что беспроводная связь — это передача данных с помощью электромагнитных волн радиодиапазона.

Немного теории беспроводной передачи данных

Данные (аналоговые или цифровые) «закладываются» в волну при помощи модуляции — процесса, при котором определенные параметры сигнала высокой частоты (несущего) изменяются с низкой частотой. Именно модуляция дает возможность использовать для передачи различной информации весь радиодиапазон, не ограничиваясь лишь частотами, соответствующими нашему голосу.

Модуляция аналогового сигнала

В процессе модуляции варьировать можно частоту, фазу или амплитуду колебаний, соответственно, для аналогового сигнала выделяют частотную, амплитудную и фазовую модуляцию. Они могут использоваться в чистом виде или в сочетании друг с другом для обеспечения большей помехозащищенности при передачи сигнала.

Рис. 1. Пример: амплитудная модуляция

При передаче аналогового сообщения передатчик использует модуляцию, чтобы «заложить» полезный сигнал в несущую частоту, и передает ее при помощи антенны приемнику. Последний проделывает обратную процедуру — демодуляцию — выделяя изначальный сигнал.

Модуляция меняет спектр передаваемого сигнала — с одной единственной частоты он расширяется, а степень и характер этих изменений зависят от типа модуляции. Таким образом, для передачи полезного сигнала без потерь необходима целая полоса частот, ширина которой в простейшем случае модуляции гармоническим сигналом грубо определяется двойной частотой модулирующего сигнала (см. рис. 2).

Рис. 2. Простейший пример: высокочастотная несущая модулируется низкочастотным гармоническим сигналом. В спектре суммарного сигнала появляются дополнительные частоты

Рис. 3. Спектр при частотной модуляции гармоническим сигналом

Существуют способы сжатия полосы спектра, необходимой для передачи информации, за счет более хитрых способов модуляции.

Модуляция цифрового сигнала

Для передачи цифрового сигнала — последовательности 0 и 1 — могут использоваться как указанные выше варианты модуляции в чистом виде, так и более сложные цифровые схемы.

Рис. 4. Амплитудная, частотная и фазовая модуляции дискретного сигнала

К ним можно отнести схемы, при которых дискретный сигнал проходит предварительную обработку перед модуляцией для сжатия итоговой спектральной полосы, требующейся для передачи сигнала с минимальными потерями. Хороший пример — используемая в стандарте GSM гаусcовская частотная модуляция с минимальным частотным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying — GMSK) — разновидность частотной модуляции. Она сокращает спектральную полосу и допускает использование нелинейных усилителей, которые лучше подходят для маленького мобильного аппарата с ограниченной емкостью батареи. Помимо GSM, GMSK-модуляция используется в автоматической идентификационной системе на флоте, в Bluetooth, GPRS, EDGE, CDPD и других приложениях.

В сетях LTE используются иные варианты модуляции — OFDM и SC-FDMA, отличающиеся лучшей устойчивостью к помехам. Ранее эти схемы просто не могли быть реализованы из-за дороговизны требуемых вычислительных мощностей.

Радиодиапазон

До сих пор мы говорили о беспроводной передаче данных в отрыве от реальных частот. Теперь разберемся с радиодиапазоном. С точки зрения физики границы этого диапазона условны — к нему относятся электромагнитные волны с частотой от нескольких герц до десятков гигагерц.

Рис. 8. Положение радиодиапазона на шкале ЭМИ

В зависимости от частоты, электромагнитные волны по-разному рассеиваются и отражаются препятствиями. С учетом этого внутри упомянутого отрезка частот выделены диапазоны под различные нужды: радио, телевидение, военные и гражданские фиксированные службы, авиация, морское сообщение и т.п. К примеру, для связи с подводным флотом используются волны, способные проникать в глубь воды (длина волны — десятки километров, глубина проникновения — порядка десятков метров), а для космической связи выбран диапазон миллиметровых волн, проникающих через ионосферу Земли.

Упомянутые поддиапазоны сначала «резервировались» под определенные задачи инженерами, а затем их выделенный статус подтверждался международными соглашениями, учитывающими возможность распространения тех или иных сигналов за пределы географических границ (трансграничное согласование частотных присвоений — это тема отдельного долгого разговора). В ходе глобализации определилась и еще одна цель согласованного выделения частот — импорт и экспорт оборудования связи для своего сегмента.

Рис. 9. Радиодиапазон

При выделении диапазона под определенные нужды оговаривается не только частота, но и другие параметры сигнала. Это необходимо, чтобы устройства, работающие в этом и соседних диапазонах, не мешали друг другу.

Законодательное регулирование

В России частотным регулированием (в части спектра, не переданной военным) занимается Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) — процесс регламентирует федеральный закон «О связи».

Для выделения частоты оператор подает заявку и ждет очередного заседания ГКРЧ. ГКРЧ принимает решение о выделении диапазона, но, если оно положительное, это еще не обещает запуска услуги. С этим решением, а также деталями планируемого строительства (точками размещения базовых станций, мощностями передатчиков и т.п.) оператор идет в ФГУП «ГРЧЦ», где проверяется совместимость стандарта связи, который предполагается использовать на данной частоте, с существующим и планируемым к использованию оборудованием соседних диапазонов. На этом этапе оператор может получить отказ, например, от военных. Процедура, к слову, платная, вне зависимости от результата.

Лишь после этого Федеральная служба по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций выдает разрешение. Если на частоту претендует несколько операторов, ресурс распределяется на конкурсной, а в последнее время — на аукционной основе.

Существует такая процедура, как расчистка частот — когда по заказу оператора военными или другими заинтересованными организациями высвобождается определенный диапазон частот. Но этот процесс никак не регламентирован — все держится на взаимной договоренности компаний.

Частотный диапазон может выделяться на ограниченный срок (10 лет) на всей территории страны или в отдельном регионе (поэтому у федерального оператора может быть разный набор лицензий в разных частях страны). По истечении срока, указанного в разрешении, документы переоформляются, если, конечно, нет причин отказа, например, диапазон запланирован под другую технологию.

Получая частоту, оператор берет на себя определенные обязательства: начать предоставлять услуги, под которые выделяется частота, в течение заранее оговоренного срока. Речь в данном случае идет не только о мобильной связи, но о беспроводных услугах вообще — трансляция телевидения, интернет. Если это условие не выполняется, оператор может лишиться диапазона.

Политика оплаты использования частот за время существования мобильной связи менялась несколько раз. Сначала операторы платили за каждый объект связи (базовую станцию), затем — за использование частот в отдельном регионе (условия выделения частоты при этом могли содержать пункт о выплате денежной компенсации предыдущему владельцу диапазона, как это было при выделении частот LTE на конкурсе 2012 года). А т.к. разрешения на разные участки спектра в разных регионах оформлялись не единовременно, условия оказались неодинаковыми для отдельных участников рынка, что выливалось в склоки и борьбу компаний между собой за ценный ресурс. В последние годы был принят ряд мер, уравнивающих права компаний на частоты. В частности, с 2015 года начались аукционы (это совершенно не означает, что теперь все частоты выделяются в рамках аукционов, но до 2015 года подобной практики не было), а в 2016 вышло обобщенное решение о распределении частот, уравнивающее условия использования частот (зону покрытия, допустимые технологии для отдельных участков спектра и т.п.).

Текущая «картина» распределения частот в Москве (на ноябрь 2016) представлена на рисунке ниже.

Рис. 10. Распределение частот в Москве

Лидерами по количеству частот под цифровую мобильную связь в России на данный момент являются МТС и Мегафон.

Диапазоны мобильной связи

Как видно из схемы, под гражданскую мобильную связь выделено довольно много отрезков частотного спектра где-то между 300 и 3000 МГц, которые поделены между действующими на данной территории операторами.

На разных частотах действуют работают разные стандарты связи — эта ситуация складывалась исторически, по мере развития и внедрения операторами новых поколений, выделения частот в ходе аукционов или конкурсов, высвобождения участков спектра из под устаревших технологий.

О поколениях мобильной связи
Стандарты современной мобильной связи описаны в спецификации 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) — партнерства ведущих организаций в сфере стандартизации телекоммуникационных технологий. В названии партнерства речь идет о «третьем поколении» связи, но GSM обычно рассматривается в качестве 2 и 2.5 поколения (2G и 2.5G, соответственно). После завершения работы над спецификацией GSM, организация занялась разработкой 3G (UMTS), а затем pre-4G (LTE) и 4G (LTE-Advanced).

Рис. 11. Развитие мобильной связи

Повсеместно разработанные 3GPP стандарты не заменяют друг друга, а сосуществуют вместе, в рамках сетей одних операторов — новые технологии не одномоментно вытесняют старые.

Если рассматривать ситуацию в теории, то все указанные частотные отрезки могут использоваться под связь 4G: сети нового поколения разрабатывались так, чтобы максимально задействовать существующую инфраструктуру. С расчетом на это 3GPP классифицировали возможные диапазоны (bands), присвоив каждому порядковый номер и дав рекомендации по деталям организации передачи (в частности, по способу деления канала между абонентами). Общий список каналов можно найти здесь.

На практике некоторые участки спектра закреплены ГКРЧ за определенными технологиями, так что начать там предоставление услуг оператор не может (например, в диапазоне 2100 МГц должны предоставляться услуги 3G, хотя операторы с удовольствием отвели бы его под LTE). Для других же действует принцип технологической нейтральности, согласно которому оператор, владеющий частотой, может использовать ее не только для организации связи по стандарту GSM, но и для технологий следующих поколений (3G, 4G). В итоге у нас же на момент написания данной статьи для 4G используются лишь диапазоны 3 (1800 МГц), 7 (2600 МГц), 20 (800 МГц) и 38 (2600 МГц) в классификации 3GPP.

Учитывая разницу в характере распространения волн каждого из диапазонов в помещении и на открытом пространстве, а также различие в политике операторов относительно поддержки этих диапазонов, пользователям при выборе оборудования приходится превращаться в специалистов по частотному регулированию.

Наилучшим вариантом будет аппарат с поддержкой всех используемых у нас диапазонов. Но «минимально рекомендуемый» вариант — это поддержка диапазонов 3 и еще одного: 7 или 38 (в зависимости от оператора).

Если не учитывать диапазоны, можно остаться вообще без 4G, как это происходит с владельцами некоторых американских iPhone SE (а именно — модели A1662): в списке диапазонов LTE, поддерживаемых устройством, лишь 20-й как-то развивается в России, и то не во всех регионах (в моделях для международного рынка также присутствует диапазон 7, распространенный у нас, и 38 для TD-LTE).

Оптимизация использования частотного ресурса

Емкость — один из основных параметров операторской сети. Она характеризует техническую возможность по оказанию определенных услуг: чем выше емкость — тем большее число абонентов можно обслужить одновременно при прочих равных.

Общая емкость неизбежно зависит от ширины спектральной полосы (а также ее расположения в радиодиапазоне). Так что операторами востребованы технологии все более эффективного использования доступной спектральной полосы, реализуемые в каждом последующем поколении мобильной связи.

В 2G для повышения емкости (на фоне аналоговых стандартов и цифровой связи первого поколения) использовалось сочетание FDMA и TDMA. Во-первых, абонентские устройства были разделены по частотным каналам по принципу FDMA (Frequency Division Multiple Access — множественный доступ с частотным разделением каналов).

Рис. 13. TDMA и FDMA

Сети третьего поколения используют иной принцип разделения частотных каналов — кодовый или CDMA (Code Division Multiple Access), который позволяет повысить емкость сети при том же используемом частотном диапазоне, а заодно и обеспечить больший уровень безопасности.
В сетях LTE используется либо временное, либо частотное разделение каналов (TDD и FDD, соответственно), но реализованы они иначе, нежели в GSM (2G). TDD (TD-LTE) использует всю ширину спектральной полосы (от 1,4 до 20 МГц) для передачи данных в двух направлениях по очереди; при этом временные отрезки для передачи данных в каждом из направлений могут быть не равны. В FDD (FD-LTE) диапазон разделяется на 2 полосы в общем случае не равных полосы: для каждого из направлений передачи данных. Спецификация рекомендует применять либо FDD, либо TDD для каждого из предписанных для LTE диапазонов (http://en.wikipedia.org/wiki/LTE_frequency_bands#Frequency_bands_and_channel_bandwidths), поскольку метод TDD показал себя лучше на высоких частотах, а FDD, соответственно, на низких. Стоит отметить, что особенность стандарта LTE позволяет сравнительно недорого интегрировать поддержку обоих методов в одном устройстве, поэтому оборудование, поддерживающие и FDD, и TDD не редкость.

Дополнительно пропускная способность доступного спектра в LTE увеличивается за счет технологии многоантенной передачи MIMO (Multiple input-multiple output).

Глазами конечного абонента

Последний момент, о котором хотелось бы поговорить в этой статье — то, как выглядят услуги глазами конечных абонентов.

Скорость передачи данных для абонента неизбежно зависит от ширины спектральной полосы, отведенной для его потока информации. Если в поколениях 2G и 3G скорость была ограничена самим стандартом связи, то благодаря нововведениям 4G, скорость в большей степени определяется возможностями устройства.

В 4G (а точнее в LTE-Advanced, признанном Международным союзом электросвязи истинным стандартом 4G) появился механизм увеличения абонентской скорости — агрегация частот, в том числе из разных частотных диапазонов. В зависимости от характеристик устройство может задействовать до 4 полос по 20 МГц (в двух столицах на данный момент задействовать можно максимально 3 полосы у «Мегафона»). Для агрегации 4х несущих устройство должно относиться к категории 16 (CAT16). 4х4 MIMO совместно с агрегацией позволяет скачивать данные на таких устройствах со скоростью до 980 Мбит/с. 3 несущие агрегируют устройства категорий 9 и 12 (CAT9 со скростью до 450 Мбит/с и CAT12 с 600 Мбит/с, соответственно), а наиболее простые устройства CAT4 вовсе не агрегируют, достигая скорости не более 150 Мбит/с. Подробнее о непосредственно моделях, поддерживающих ту или иную скорость,здесь.

Работает ли заявленная теорией агрегация на практике в условиях реального радиоприема? В рамках тестов Мегафоном на оборудовании Huawei была продемонстрирована скорость в 1 Гбит/с. Для этого использовалась агрегация трех несущих.

Источник