Widmo Radiowe i Współdzielenie Częstotliwości
Systemy bezprzewodowe przesyłają informacje przez modulowanie fal elektromagnetycznych. Pełny zakres tych fal nazywamy widmem elektromagnetycznym. Omawiane tutaj pasma od około 3 kHz do 300 GHz tworzą używane przez radio, telewizję, sieci komórkowe, łącza satelitarne i Wi-Fi.
Widmo radiowe jest zbiorem współdzielonych zakresów częstotliwości, w których trzeba rozdzielać jednoczesne transmisje. Gdyby każdy nadajnik korzystał z dowolnej częstotliwości i mocy, odbiorniki otrzymywałyby szkodliwe zakłócenia zamiast użytecznego sygnału. Regulacje międzynarodowe i krajowe określają więc, jakie usługi mogą korzystać z danego pasma, z jaką szerokością kanału i mocą, w jakiej lokalizacji oraz przy jakich warunkach koordynacji. Porównanie z autostradą pomaga wyjaśnić problem współdzielenia, lecz techniczne środki zarządzania to przydziały częstotliwości, szerokości kanałów, limity emisji i kryteria ochrony przed zakłóceniami.
Podział Widma: Pasma Częstotliwości i Ich Zastosowania
Na potrzeby administracji i projektowania widmo radiowe dzieli się na pasma częstotliwości. Na wybór rozwiązania wpływają długość fali, rozmiar anten, absorpcja atmosferyczna, szerokość kanału i warunki propagacji. Wyższe częstotliwości mają krótsze fale i mogą obsługiwać szersze kanały, gdy pozwalają na to przepisy i technika, lecz blokowanie oraz straty atmosferyczne często rosną. Niższe częstotliwości zwykle propagują dalej i lepiej przechodzą przez niektóre przeszkody, a ograniczenia szerokości kanału i rozmiaru anten mogą zmniejszać pojemność.
VLF (Bardzo Niska Częstotliwość) i LF (Niska Częstotliwość)
Częstotliwości: (VLF), (LF). Są to pasma fal długich.
Właściwości: Długie fale sprzyjają propagacji przyziemnej na dużych odległościach wzdłuż krzywizny Ziemi. Sygnały VLF mogą też przenikać wodę morską na ograniczoną głębokość, co wykorzystuje się w wybranych łączach z okrętami podwodnymi.
Zastosowania: Pasma te obsługują wybrane systemy nawigacyjne, transmisje sygnałów czasu oraz dalekozasięgową łączność wojskową, w tym łącza z okrętami podwodnymi. Prędkości transmisji danych są niskie z powodu małej dostępnej szerokości pasma.
MF (Średnia Częstotliwość)
Częstotliwości: do . Jest to pasmo fal średnich.
Właściwości: Propagacja przyziemna może zapewniać zasięg regionalny w ciągu dnia. Po zachodzie słońca zmiany w jonosferze mogą umożliwić odbiór fali jonosferycznej na dalszej trasie, zależnie od częstotliwości, pory i warunków jonosferycznych.
Zastosowania: Klasyczne pasmo dla radiofonii AM, a także komunikacji morskiej i radiolatarni nawigacyjnych.
HF (Wysoka Częstotliwość)
Częstotliwości: . Znane jako pasmo fal krótkich.
Właściwości: Fala jonosferyczna może załamywać się lub odbijać w jonosferze. Przy odpowiednio dobranej częstotliwości i warunkach jonosferycznych wiele przeskoków może umożliwić komunikację międzykontynentalną.
Zastosowania: Międzynarodowa radiofonia krótkofalowa, krótkofalarstwo (radio amatorskie), komunikacja lotnicza i wojskowa komunikacja pozahoryzontalna.
VHF (Bardzo Wysoka Częstotliwość)
Częstotliwości: .
Właściwości: Przy typowych odległościach naziemnych dominuje propagacja w zasięgu wzroku. Wzgórza i duże budynki mogą zasłaniać składową bezpośrednią, a na obszar pokrycia wpływają wysokość anteny i dyfrakcja.
Zastosowania: Radiofonia FM, telewizja naziemna w krajowych planach kanałów VHF, w tym kanały 2-13 w Stanach Zjednoczonych, kontrola ruchu lotniczego oraz prywatne systemy radiowe używane przez policję i straż pożarną.
UHF (Ultra Wysoka Częstotliwość)
Częstotliwości: do .
Właściwości: Przy typowych odległościach naziemnych łącza UHF często wykorzystują zasięg wzroku i mają krótszy zasięg geometryczny niż porównywalne łącza VHF. Krótsza fala pozwala stosować mniejsze anteny i szersze kanały. Niższe częstotliwości UHF mogą lepiej przenikać budynki niż wyższe częstotliwości mikrofalowe, zależnie od materiałów i projektu sieci.
Zastosowania: UHF obejmuje zależne od kraju przydziały telewizji naziemnej, wiele pasm sieci 4G LTE i 5G, GPS, Wi-Fi przy , Bluetooth oraz kuchenki mikrofalowe. Numery kanałów telewizyjnych, takie jak 14-51, należą do wybranych krajowych planów i nie obejmują całego pasma UHF.
SHF (Super Wysoka Częstotliwość) i EHF (Ekstremalnie Wysoka Częstotliwość)
Częstotliwości: (SHF), (EHF). Są to pasma mikrofalowe i fal milimetrowych.
Właściwości: W górnych pasmach mikrofalowych i milimetrowych propagacja staje się zbliżona do optycznej. Bezpośrednia ścieżka jest łatwo blokowana przez budynki, roślinność, deszcz lub dłoń przy niektórych częstotliwościach. Pasma te mogą obsługiwać szerokie kanały i wąskie wiązki kierunkowe, a absorpcja atmosferyczna rośnie w wybranych zakresach, między innymi w paśmie tlenu około 60 GHz.
Zastosowania: Przykłady obejmują komunikację satelitarną, Wi-Fi w pasmach i , radiolinie punkt-punkt dla łączy transportowych sieci komórkowych, radary pogodowe i usługi 5G w pasmach wysokich.
Międzynarodowe i Krajowe Zarządzanie Widmem
Fale radiowe mogą przekraczać granice państw, więc uprawniona transmisja w jednym kraju może zakłócać usługę w innym. Zarządzanie widmem łączy koordynację międzynarodową z krajową administracją i egzekwowaniem przepisów.
- Poziom Międzynarodowy: ITU:
koordynuje międzynarodowe wykorzystanie widma przez Regulamin Radiokomunikacyjny. ITU dzieli świat na trzy regiony regulacyjne i organizuje Światowe Konferencje Radiokomunikacyjne (WRC) co trzy do czterech lat. Administracje państw negocjują przydziały i warunki techniczne dla usług mobilnych, satelitarnych i nadawczych. Traktat wyznacza ramy dla krajowych regulatorów, lecz każde państwo odpowiada za własne przydziały i egzekwowanie przepisów.
- Poziom Krajowy: UKE:
W ramach ITU każdy kraj administruje własnym widmem przez jeden lub kilka organów. W Polsce jest to Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE) w zakresie cywilnego wykorzystania częstotliwości, przy współpracy z właściwymi organami państwowymi. Organy krajowe odpowiadają za:
- Alokację: Przeznaczanie określonych pasm częstotliwości dla konkretnych rodzajów usług.
- Przydział: Udzielanie konkretnym użytkownikom (osobom fizycznym lub firmom) prawa do korzystania z określonych częstotliwości w tych pasmach za pomocą pozwoleń radiowych.
- Egzekwowanie: Monitorowanie widma w celu zapewnienia, że użytkownicy przestrzegają warunków swoich pozwoleń i nie powodują szkodliwych zakłóceń.
Modele Dostępu do Widma
Pasma częstotliwości mogą być zarządzane przez różne modele dostępu. Trzy przydatne kategorie to licencjonowanie wyłączne lub koordynowane, dostęp bez indywidualnej rezerwacji przy zachowaniu reguł technicznych oraz dostęp współdzielony lub dynamiczny.
1. Widmo Licencjonowane (Model Centralnie Sterowany)
W tym modelu regulator przyznaje określone uprawnienie do bloku częstotliwości, usługi i obszaru geograficznego. Uprawnienie może zapewniać ochronę przed określonymi zakłóceniami, lecz nie znosi obowiązków koordynacji. Model jest stosowany przy sieciach komórkowych, radiofonii, telewizji i innych usługach wymagających przewidywalnego pokrycia oraz dużych inwestycji infrastrukturalnych.
- Mechanizm: Pozwolenia mogą być przyznawane w drodze aukcji, w których firmy licytują określone prawa. Aukcja FCC nr 107 dla elastycznych pozwoleń w paśmie C 3,7-3,98 GHz zakończyła się w lutym 2021 roku kwotą wygrywających ofert netto powyżej 81,1 mld dolarów.
- Zalety: Określone uprawnienie może zapewnić ochronę przed zakłóceniami i jasną odpowiedzialność, co ułatwia inwestycje w infrastrukturę sieciową.
- Wady: Opłaty i warunki techniczne mogą ograniczać wejście na rynek. Licencjobiorca może też pozostawić część przydzielonej pojemności niewykorzystaną, co określa się jako chomikowanie widma.
- Przykłady: Wiele pasm komórkowych (4G LTE, 5G), pasma radiofonii FM i AM oraz pasma łączności satelitarnej.
2. Widmo Nielicencjonowane (Dobro Wspólne)
W tym modelu urządzenia mogą pracować bez indywidualnego przydziału częstotliwości, jeśli spełniają właściwe reguły techniczne. Reguły mogą określać moc, szerokość kanału, emisje, wykrywanie i sposób współdzielenia. Powstaje środowisko best-effort, w którym użytkownik zwykle nie ma gwarancji pojemności ani ochrony przed innym zgodnym z przepisami urządzeniem.
- Mechanizm: Regulatorzy przeznaczają określone pasma, w tym pasma ISM (Przemysłowe, Naukowe i Medyczne) oraz inne przydziały nielicencjonowane, a następnie definiują zasady techniczne dla urządzeń, które w nich działają.
- Zalety: Niska bariera wejścia wspiera eksperymenty i wdrożenia. Wi-Fi i Bluetooth mogły rozwijać się na dużą skalę bez indywidualnej licencji dla każdego domu lub urządzenia.
- Wady: Podatne na zatłoczenie i zakłócenia, ponieważ brakuje centralnej koordynacji. Wydajność nie jest gwarantowana, a możliwości dochodzenia swoich praw w przypadku zakłócania przez urządzenie sąsiada są ograniczone.
- Przykłady: Zależnie od przepisów krajowych pasmo obsługuje Wi-Fi, Bluetooth, kuchenki mikrofalowe i telefony bezprzewodowe, a pasma i obsługują Wi-Fi 5, 6 i 6E.
3. Dzielony / Dynamiczny Dostęp do Widma
Dostęp współdzielony lub dynamiczny łączy ochronę użytkownika pierwotnego z dodatkowymi użytkownikami podlegającymi koordynacji. Licencjonowane pasmo może być wolne w określonym miejscu lub czasie, więc system wtórny może wykorzystać tę możliwość po zapewnieniu ochrony użytkownika pierwotnego.
- Mechanizm: Koordynator bazodanowy zwany Systemem Dostępu do Widma (SAS) wykorzystuje położenie urządzenia, jego parametry pracy i dane o użytkownikach pierwotnych, aby przydzielić częstotliwość oraz poziom mocy. Urządzenia muszą rejestrować się w SAS lub odpytywać go zgodnie z regułami usługi.
- Zalety: Koordynacja pozwala wykorzystać pojemność wolną w danym miejscu lub czasie, jednocześnie chroniąc użytkowników o wyższym priorytecie.
- Wady: Model wymaga dokładnych baz danych, niezawodnej koordynacji, zgodności urządzeń i procedur ochrony użytkownika pierwotnego.
- Przykład: Głównym przykładem jest usługa Citizens Broadband Radio Service (CBRS) w paśmie w Stanach Zjednoczonych. Tworzy ona trójpoziomowy system współdzielenia: użytkownicy pierwotni, w tym federalne systemy radarowe, użytkownicy z licencją priorytetowego dostępu (PAL) oraz użytkownicy z ogólnym autoryzowanym dostępem (GAA), którzy pracują pod koordynacją SAS, akceptują zakłócenia od wyższych poziomów i nie mogą powodować wobec nich szkodliwych zakłóceń.