Методи оптимального використання радіочастотного спектру

Модуль 1. Адміністративні методи оптимального використання радіочастотного спектру.

Тема 1. Нормативно-правові засади використання радіочастотного спектру як категорії ресурсу.

Лекція 1. Радіочастотний спектр і основи управління його використанням

Питання лекції:

1. Категорії і терміни в сфері використання радіочастотного спектру.

2. Основні проблеми в області оптимального використання радіочастотного спектру.

1. Категорії і терміни в сфері використання радіочастотного спектру.

Спектр є концептуальним поняттям, яке використовується для опису ряду фізичних явищ. Серед цих явищ найважливішими є електромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі породжуються змінними в часі електричним і магнітним полями і поширюються в просторі зі швидкістю світла

(3•10⁸ м / с).

Радіохвилі, по суті, не вимагають середовища, тобто вони можуть поширюватися і у вакуумі (наприклад, в космічному просторі).

Частоту радіохвилі можна розрахувати, якщо поділити швидкість світла на довжину хвилі:

f = c/λ, (1)

де f - частота радіохвилі; λ - довжина хвилі; с - швидкість світла.

  Набір всіх можливих частот електромагнітних хвиль називають електромагнітним спектром (ЕМС).

ЕМС, що займає смугу частот від 3000 Гц до 3000 ГГц, називають радіочастотним спектром (РЧС).

Радіочастотний спектр характеризується:

• смугою частот випромінюваних (і прийнятих) коливань,

• тривалістю часу випромінювання радіохвиль, і

• фізичним простором, в якому можуть виявлятися (прийматися) штучно створені випромінювання.

Прикладна цінність радіохвиль різних діапазонів істотно відрізняється, що проявляється в різному використання смуг РЧС.

Радіочастотний спектр є доступним всім країнам природним ресурсом, який при правильному використанні дозволяє підвищити продуктивність національних продуктивних сил і поліпшити якість життя.

На відміну від таких обмежених природних ресурсів, як нафта або газ, радіочастотний спектр є невичерпним. У той же час радіочастотний ресурс не є нескінченним ресурсом і потребує оптимального та ефективного регулювання та використання. Управління використанням РЧС являє собою сукупність адміністративних, наукових і технічних процедур, заснованих на законодавчо-нормативних національних актах і міжнародних угодах. Що забезпечують розвиток РЕЗ та систем відповідно до державних пріоритетів і гарантують, що робота радіостанцій різних служб радіозв'язку не супроводжуватиметься неприпустимими перешкодами між РЕЗ як в межах однієї радіослужби, так між РЕЗ різних радіослужб.

Мета управління - максимізувати число користувачів виділеної ділянки РЧС за умови, що якість роботи РЕЗ на присвоєних їм частотах буде не гірше необхідного.

  Радіочастотний спектр володіє основними ознаками відновлюваного матеріального природного ресурсу. Він являє собою штучно відтворену сукупність електромагнітних полів, призначених для передачі і прийому інформації (а в ряді випадків і енергії).

При цьому використання середовища поширення радіохвиль (РРВ) не викликає її витрачання. Можливості використання радіочастотного спектру обмежуються умовами РРВ, а також радіоперешкодами, що мають як природний характер (наприклад, грозові розряди), так і штучний, викликаний діяльністю людини (численні індустріальні перешкоди, наприклад, від систем запалювання автомобілів і т.д.).

Особливу групу штучних перешкод утворюють взаємні перешкоди (випромінювання різних радіослужб).

Радіослужба (служба радіозв'язку) - служба, яка здійснює передачу та / або прийом радіовипромінювання в певних цілях.

Радіовипромінювання - потік енергії у вигляді радіохвиль, що виходять від будь-якого джерела.

Труднощі виникають при необхідності розмістити в просторі випромінювання на даному часовому інтервалі все зростаюче число електромагнітних полів без взаємних перешкод один одному. Сукупність цих труднощів утворюють проблему електромагнітної сумісності (ЕМС) радіоелектронних засобів.

В даний час це поняття поширене не тільки на РЕЗ, а й на інші технічні засоби, оскільки електромагнітні поля можуть мати шкідливий вплив, наприклад, на медичне та обчислювальне устаткування. У свою чергу «Не радіоелектронне» обладнання може виступати джерелом неприйнятних перешкод іншим (у тому числі - радіотелекоммунікаціоннім) засобам.

Термін "радіочастотний спектр" не дає уявлення про зміст поняття як про ресурс, тобто про сукупність електромагнітних полів:

а) у смузі радіочастотного спектру

б) в просторі,

в) на певному часовому інтервалі.

Тому з метою організованого використання радіочастотного спектру доцільніше застосовувати термін "радіочастотний ресурс" (РЧР).

Під РЧР мається на увазі «Частина радіочастотного спектру, придатна для передавання та (або) приймання електромагнітної енергії радіоелектронних засобів і яку можна використовувати на території України та за її межами відповідно до законів України та міжнародного права, а також на виділених для України частотно-орбітальних позиціях ». Зараз ця частина становить близько 9% (275 ГГц) від загальної ширини радіочастотного спектру, який визначений як «Безперервний інтервал радіочастот, не вищий за

3 ТГц».

При створенні РЕЗ в інтересах різних радіослужб враховується неоднорідність РЧР, обумовлена в першу чергу відмінністю механізмів РРВ і різної частотної ємністю діапазонів радіочастотного спектру.

Ємність (місткість) будь-якого діапазону визначає потенційні можливості останнього як ресурсу.

При одноразовому використанні вона визначається максимальною кількістю смуг спектра радіосигналів з шириною ΔF_сигн. «вміщаються» в даний діапазон в даний час на даній території, і визначається за формулою:

, (2)

де F_макс і F_макс - верхні і нижні граничні частоти діапазону відповідно.

Збуджуване випромінювачами поле радіохвиль різної довжини заповнює навколишній простір з різною інтенсивністю через специфіку поширення і поляризації радіохвиль, а також спрямованих властивостей випромінювачів.

При виключенні випромінюваних радіозасобів РЧР в даній смузі частот і в даному обсязі простору відновлюється, тобто цей ресурс не витрачається непоправно (як руди, наприклад), а лише використовується.

Це означає, що існує можливість багаторазового використання одних і тих же ділянок радіочастотного спектру з урахуванням трас зв'язку, рознесення роботи радіозасобів за часом, по простору і по поляризації.

Таким чином, ефективне (без взаємних перешкод) використання радіочастотного спектру можливе лише при розподілі робочих смуг спектра між споживачами РЧР в відповідно до мінливих умов РРВ, перешкодової обстановки (як доданком електромагнітної обстановки - ЕМО), потребами в передачі мінливих потоків інформації.

Зі збільшенням кількості працюючих РЕЗ, вдосконаленням методів генерування та прийому радіовипромінювань, появою техніки для задоволення нових потреб за допомогою радіохвиль виникає необхідність управління використанням РЧР, зокрема, необхідність перерозподілу радіочастотного спектру.

Смуга частот, яка зайнята для радіозв'язку деякої радіомережею або радіоелектронним засобом (РЕЗ), може бути використана іншою мережею або РЕЗ, розташованої в тому ж самому місці, коли перша припиняє свою роботу. При належному територіальному (просторовому) розносі випромінюючих засобів можлива робота в тій же смузі частот тієї ж самої або іншої радіослужби. Це називається «спільним використанням частот». Дана можливість з'являється, якщо між засобами, що працюють в одній і тій же смузі частот, рівень ненавмисних перешкод не приводить до неприпустимого зниження якості функціонування РЕЗ.

Оскільки радіохвилі не визнають жодних адміністративних кордонів, у тому числі і державних, проблема ефективного використання РЧР носить міжнародний характер і є турботою всього міжнародного співтовариства.

Проблеми розподілу і використання РЧР зачіпають інтереси всіх держав, всіх галузей науки і виробництва, усіх відомств і всіх рівнів виконавців, що використовують або експлуатують радіовипромінювальні засоби.

Розподіл робочих ділянок частот не може проводитися державою або відомством (службою) за своїм розсудом, оскільки ненавмисно може призвести до ураження перешкодами радіоканалів іншої держави (відомства, служби) та в свою чергу до можливості піддатися впливу перешкод з їхнього боку.

Уже кілька десятиліть всі практично освоєні ділянки радіочастотного спектру більш-менш ефективно використовуються лише за допомогою планування та реєстрації в міжнародному масштабі.

При розподілі РЧР враховуються особливості РРВ на різних частотах і географічне розташування радіотрас і обслуговуваних радіозв'язком територій, а також:

• значимість різних служб, що використовують радіоканали (радіочастоти);

• можливу кількість радіоканалів, яке можна "розмістити" в виділеній ділянці радіочастотного спектру;

• можливості використання одного і того ж ділянки радіочастотного спектру для служб, рознесених в просторі і т.д.

Практичне управління використанням радіочастотного спектру проводиться на двох рівнях:

• на міжнародному рівні - здійснюється Міжнародним союзом електрозв'язку на основі рішень прийнятих компетентними конференціями;

• на національному рівні - кожній адміністрацією відповідно до національного законодавства і міжнародних зобов'язань.

Міжнародне співробітництво у радіозв'язку почалося в 1903 році з скликання Міжнародної конференції з телеграфії.

Обмежена природа радіочастотного спектру була вперше визнана МСЕ першої Міжнародною конференцією по радіотелеграфії в 1906 році.

У цьому ж (1906) році було вироблено перше розподіл смуг частот в діапазонах частот 500 - 1000 Гц для громадської кореспонденції в морській службі і 188 - 500 кГц для військових і військово-морських станцій.

У 1927 році був створений Міжнародний консультативний комітет по радіо (МККР) і проведено розподіл смуг частот в діапазоні частот від 10 кГц до 60 МГц службам радіозв'язку.

У 1947 був створений Міжнародний комітет реєстрації частот (МКРЧ).

У 1992 секретаріати МККР і МКРЧ були об'єднані в Бюро радіозв'язку.

Відповідно до рекомендації МККР 431-5 (1990р.) Весь спектр електромагнітних коливань, частоти яких розміщені в межах від

0,03 Гц до 3000 ТГц,

умовно розділений на діапазони частот за декадним принципом:

0,3•10^N <f [Гц] ≤ 3•10^N, де N = -1, 0, 1, ..., 15.

Всі діапазони для довжин хвиль мають найменування, відповідне класифікації

0,1 • 10^9-N <λ [М] ≤ 10^9-N.

Що уточнена на Міжнародній радіоконференції класифікація діапазонів електромагнітних коливань представлена в табл. 1.1. У третьому стовпчику таблиці наведено і англомовні абревіатури для скороченого позначення діапазонів частот.

Таблиця 1.1. Класифікація діапазонів частот (хвиль) електромагнітних коливань

№ діап.	Найменування діапазону частот	Умовне позначення	Межі діапазону частот	Найменування діапазону хвиль	Межі діапазону хвиль, м
-1			0,03...0,3 Гц		1010...109
0			0,3...3 Гц		109...108
1	Вкрай низькі частоти	ВНЧ (ELF)	3...30 Гц	Декамегаметрові хвилі	108...107
2	Наднизької частоти	ННЧ (ELF)	30...300 Гц	Мегаметрові хвилі	107...106
3	Інфранизькі частоти	ІНЧ (ILF)	300...3000 Гц	Гектометрові хвилі	106...105
4	Дуже низькі частоти	ДНЧ (VLF)	3...30 кГц	Міріаметрові хвилі	105...104
5	Низькі частоти	НЧ (LF)	30...300 кГц	Кілометрові хвилі	104...103
6	Середні частоти	СЧ (MF)	300...3000 кГц	Гектометрови хвилі	1000…100
7	Високі частоти	ВЧ (HF)	3...30 МГц	Декаметрові хвилі	100…10
8	Дуже високі частоти	ДВЧ (VHF)	30...300 МГц	Метрові хвилі	10…1
9	Ультрависокі частоти	УВЧ (UHF)	300...3000 МГц	Дециметрові хвилі	1…10-1
10	Надвисокі частот	НВЧ (SHF)	3...30 ГГц	Сантиметрові хвилі	10-1…10-2
11	Вкрай високі частоти	ВВЧ (EHF)	30...300 ГГц	Міліметрові хвилі	10-2…10-3
12	Гіпервисокі частоти	ГBЧ (HHF)	300...3000 ГГц	Деціміліметрові хвилі	10-3…10-4
13	Низькі інфрачервоні частоти	НІЧЧ	3...30 ТГц	Сантіміліметрові хвилі	10-4…10-5
14	Високі інфрачервоні частоти	ВІКЧ	30...300 ТГц	Мікрометрові хвилі	10-5…10-6
14а	Видимий спектр частот	ВСЧ	300...750 ТГц
15	Низькі ультрафіолетові частоти	НУФЧ	300...3000 ТГц	Децімікрометрові хвилі	10-6…10-7
16	Високі ультрафіолетові частоти	ВУФЧ	3...30 ПГц		10-7…10-8

Рис. 1.1. Електромагнітний спектр та області його використання

в мікрохвильовій техніці

Діапазони N = 1, ..., 12 мають частотне найменування, відповідне більш ранньої класифікації тільки для діапазонів радіохвиль (радіочастот).

Електромагнітні хвилі, частоти яких довільно обмежені частотами нижче 3000 ГГц, що поширюються в просторі без штучного хвилеводу, відносяться до радіохвилях.

Радіочастотний спектр охоплює наступні діапазони частот:

0,3 • 10^N <f [Гц] ≤ 3 • 10^N, де N = 4, ..., 12.

У більшості країн діапазони частот, що використовуються для телебачення, позначаються римськими цифрами від I до V, як зазначено в табл.1.2:

Позначення	Діапазон частот, МГц
	Район 1	Район 2	Район 3
I (наприклад: 1, 2 каналы TV)	47...68	54...68	47...68
II (наприклад: 3, 4, 5 каналы TV)	87,5...108	88...108	87,5...108
III (наприклад: 6...12 каналы TV)	174...230	174...216	174...230
IV (наприклад: 21...34 каналы TV)	470...582	470...582	470...582
V (наприклад: 35...69 каналы TV)	582...862	582...862	582...862

Іноді певні діапазони частот позначаються за допомогою букв, а не умовних символів і скорочень (як у табл. 1.1). Такі позначення складаються із заголовних букв, які можуть супроводжуватися якимось індексом (зазвичай - мала літера). Зараз відсутня стандартне відповідність між буквами і розглянутими діапазонами частот, тобто однакові літери можуть використовуватися для позначення різних діапазонів. Тому при першому вживанні літерного позначення необхідно робити виноску на відповідні межі частотного діапазону або хоча б одну частоту в цьому діапазоні. Так, в службах радіовизначення і космічного зв'язку використовується класифікація, наведена в табл.1.3:

Таблиця 1.3 - Позначення діапазонів частот в службах радіовизначення і космічного зв'язку

Буквені позначення	Радіолокація, ГГц			Космічний зв'язок
	області спектра		Діапазон частот, ГГц	Номінальні позначення	Діапазон частот, ГГц
L		1–2	1,215–1,4	Діапазон 1,5	1,525–1,710
S		2–4	2,3–2,5; 2,7–3,4	Діапазон 2,5	2,5–2,69
С		4–8	5,25–5,85	Діапазон 4/6	4,5–4,8
X		8–12	8,5–10,5	–	–
Кu		12–18	13,4–14; 15,3–17,3	Діапазон 11/14 Діапазон 12/14	10,7–13,25 14,0–14,5
К		18–27	24,05–24,25	Діапазон 20	17,7–20,2
Ка		27–40	33,4–36	Діапазон 30	27,5–30

У космічній радіозв'язку К і Ка діапазони позначаються одним символом Ка. Подібне позначення дісталося з минулого і в сучасних публікаціях МСЕ такі позначення не використовуються.