чем ниже частота тем дальше связь
Теория радиоволн: ликбез
Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте: 
Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
«УКВ», «ДВ», «СВ»
Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). 
Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м). 
Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м). 
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м). 
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
AM — FM
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция 
Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.
На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.
Еще термины
Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала. 
Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».
Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.
Почему чем выше частота радиосвязи тем слабее сигнал. (по рации)
В вакууме напряженность электромагнитного поля от частоты не зависит.
В реальности, на напряженность поля влияют условия распространения волны.
Так до частот 2 МГц (в среднем) волна распространяется вдоль пверхности Земли и на напряженность поля оказывает влияние проводимость поверхности.
При частотах 2-30 МГц волна распростаняется как вдоль поверхности Земли и бысро затухает, так и с отражением от ионосферы. На этих частотах наблюдается многоскачковое отражение и волна распространяется на большие расстояния в плоть до того что может обогнуть Землю. Соотвественно, на уровень сигнала влияет состояние ионосферы и проводимость поверхности.
Для УКВ (30 МГц и выше) на распростанение волн оказывают влияние состояние атмосферы, рельеф и близлежащие предметы. Если лесополоса в 500 м от передатчика на 3,5 МГц никак не влияет, то для 1,2 ГГц это сплошная «металлическая» стена.
Четвертый фактор: с ростом частоты возрастают потери в антенно-фидерном тракте. В результате, с ростом частоты все слабее и слабее сигнал на входе приемника.
Пятый фактор: в связи с уменьшением геометрических размеров антенн легче строить антенны с большим коэффициентом усиления и более узкой диаграммой направленности. Это положительный фактор, позволяющий реализовывать помехозащищенные каналы связи, в т. ч. и космические.
А при каких услових прохождения радиоволн?
Мала огибающая способность, высоко затухание, может, из-за этого Вы так и решили.
Влияние частоты сигнала на энергетику радиолинков в свободном пространстве
Что меняется при изменении применяемого диапазона частот в радиосвязи – не всегда корректно могут сформулировать даже опытные радиолюбители. С одной стороны формула передачи Фрииса крайне проста, и обсуждать, казалось бы, нечего. С другой стороны, в этой формуле кроме явного упоминания длины волны λ, она неявно скрыта в других коэффициентах. Есть много утверждений, заметок и статей, что с более высокими частотами энергетика радиолинков хуже, не меньше есть и статей «разоблачений мифа» — мол ничем высокие частоты не хуже, учите матчасть.
Оба утверждения верны, причем верно и третье – с повышением частоты энергетика линка может значительно улучшаться. Всё зависит от сценария применения (накладываемых ограничений).
Любая передача информации, не только с помощью радиоволн, а и любых других волн (звуковых, ЭМ волн более высоких частот – т.е. света, гравитационных волн) может происходить в 3 сценариях:
В первом случае ни одна из сторон не знает местоположение в пространстве второй стороны, или не имеет средств наведения своих антенн на корреспондента.
К такому сценарию относятся практически все виды раций (военные, гражданские, авиационные), бытовые устройства (WiFi, Bluetooth, радиотелефоны, IoT, беспроводные сенсоры, телематика, брелки-отмычки), связь между спускаемым зондом и его космической станцией. Антенны обоих подвижных корреспондентов должны быть всенаправленными (изотропными) или близкими к ним.
Во втором случае, если одна из сторон стационарная и вероятное местоположение подвижного корреспондента ограничено некоторым сектором пространства – на стационарной стороне возможно применение направленной антенны, которая концентрирует энергию в избранном направлении, формируя луч (beam). Абонент подвижен, ни своего местоположения, ни положение базовой станции он не знает (или не имеет средств наведения антенн).
К такому сценарию относятся все виды обслуживания, когда стационарная базовая станция обслуживает подвижных абонентов (сотовая связь, репитеры для военных или гражданских раций, телерадиовещание на подвижных абонентов, спутниковая связь с подвижными абонентами, наземные станции космической связи обслуживающие высокоподвижные космические зонды). Антенна базовой станции имеет умеренную направленность и формирует луч для обслуживания желаемой зоны пространства. В идеале в любой точке зоны обслуживания на одинаковом расстоянии R от базы будет одинаковая плотность потока энергии Вт/м2. Антенна подвижного корреспондента должна быть всенаправленная (изотропная).
В третьем случае, если обе стороны знают о расположении другой стороны и имеют возможность направить туда свои антенны – можно существенно сэкономить энергию или увеличить скорость связи при тех же затратах энергии, за счет концентрации луча в пространстве.
К такому сценарию относятся все стационарные линии точка-точка: радиорелейные, WiFi точка-точка, радиолюбительская связь между 2 абонентами использующими направленные антенны; малоподвижные абоненты с возможностью точного позиционирования антенн на корреспондента (наземная станция космической связи и космическая станция с сервоприводами направленных антенн или двигателями позиционирования всей станции с жестко прикрепленной направленной антенной; перспективные модемы 5G mmWave или StarLink Илона Маска с автоматической настройкой луча активной фазированной решеткой АФАР; перспективные massive-MIMO модемы и базовые станции 4G/5G использующие большое количество антенн как АФАР)
Вернемся к формулам Фрииса
Здесь r (receiver) и t (transmitter) относятся к приемной и передающей антеннам, Pr/Pt – соотношение мощности на клеммах приемной антенны к мощности на передающей (больше – лучше), d – расстояние в тех же единицах измерения что и λ (например, в метрах)
Апертура антенны A (то же что «Эффективная/действующая площадь») связана с диаграммой направленности (ДН) антенны и её КНД (D = Directivity):
Для антенны в режиме приема эффективная площадь антенны (используется также термин эффективная поверхность антенны) характеризует способность антенны собирать (перехватывать) падающий на неё поток мощности электромагнитного излучения и преобразовывать этот поток мощности в мощность на нагрузке.
Независимо от типа и конструкции антенны, её апертура A и направленность D связаны математически через длину волны.
У всенаправленной (изотропной) антенны D=1 (0 dBi). Идеального изотропного излучателя на практике не существует, наиболее близким аналогом является обычный полуволновый диполь, у которого D
Сравним апертуру полуволнового диполя (или его аналога – четвертьволновый штырь с противовесом), у которого КНД = 2.15 dBi
Передающая антенна во всех диапазонах формирует одинаковую, близкую к сферической, диаграмму излучения. Плотность потока мощности Вт/м 2 от всех источников на одинаковом расстоянии R будет одинаковая.
Но поскольку апертура приемной (тоже всенаправленной) антенны отличается на порядки, то и количество собранной энергии из той же плотности потока будет сильно отличаться.
В открытом пространстве (пока дальность не ограничена видимостью), увеличение частоты в 2 раза увеличивает требования к мощности передатчика в 4 раза. При одинаковой мощности передатчика, увеличение частоты в 2 раза снижает дальность тоже в 2 раза.
Именно этот эффект является доминирующим для объяснения, почему:
В сценарии №2, если на одной стороне разрешено использовать малонаправленную (секторную) антенну ситуация точно такая же как и в сценарии №1, только мощность передатчика может быть уменьшена на усиление антенны базовой станции. Поскольку требуемый сектор обслуживания не зависит от частоты, то направленность антенны БС нужна одинаковая (апертура антенны БС при этом конечно будет разной на разных диапазонах). При направленности БС 12 dBi (на 10 dB или в 10 раз больше чем у диполя 2 dBi) – выигрыш в мощности составит 10 dB (10 раз), дальность связи на мобильного абонента может быть такая же, как в предыдущей таблице, но уже при TX=0.1W. Для 5400 МГц она опять составит 25.7 км, а для 27 МГц – 5142 км.
В сценарии №3 возможны очень различные комбинации решений.
Если отбросить конструктивные ограничения и сложности, то при равной площади (апертуре) обоих антенн направленность обоих антенн Dr и Dt пропорциональна квадрату частоты. Поэтому эффективность приемной антенны останется неизменной (из одного и того же потока плотности Вт/м 2 будет извлечена одинаковая мощность на клеммах, независимо от частоты), а направленность передающей антенны увеличится пропорционально квадрату частоты. При увеличении частоты в 2 раза, луч станет тоньше в 4 раза, плотность потока Вт/м 2 в направлении на абонента увеличится в 4 раза.
При равных ограничениях на габариты/вес антенн, более высокие частоты более выгодны энергетически.
На практике же реализовать такое фундаментальное преимущество не так просто.
К антеннам с фиксированной частотно-независимой апертурой относятся только зеркальные параболические антенны. Количество энергии, которое собирает такое зеркало, не зависит от частоты, а луч диаграммы направленности становится более тонким с ростом частоты.
Но сложность в производстве параболической антенны заданного диаметра зависит не только от диаметра. Чем более высокая частота, тем более высокие требования к точности поверхности зеркала и более высокие требования к точности позиционирования и вообще жесткости всей конструкции.
С другими, незеркальными антеннами, ситуация намного сложнее. Все конструкции таких антенн могут быть описаны в частотно-независимых размерах (в лямбдах) и имеют фиксированную диаграмму направленности, присущую этому типу антенн, которая не зависит от выбранной частоты проектирования. Иными словами, например 7-элементная антенна волновой канал (Уда-Яги) будет иметь одинаковую диаграмму направленности и усиление
10 dBi независимо на какую частоту её рассчитать: на 30 МГц или на 3000 МГц. Во втором случае её апертура будет в 10 000 раз меньше. Просто так, взять и увеличить размеры какого-то типа антенн чтобы увеличить апертуру – нельзя. Добавление каких-либо пассивных (паразитных) структур добавляет направленности очень незначительно (по сравнению с ростом габаритов) и лишь до небольших значений порядка 16 dBi (40 раз).
Дальнейшее повышение апертуры, которое соответствует направленности более 16 dBi на практике возможно только соединением многих антенн в ФАР (фазированную антенную решетку). Теоретически удвоение количества элементов в решетке может увеличивать апертуру в 2 раза, т.е. формировать в 2 раза более тонкий луч с усилением +3 dB. Но практически построение таких ФАР сопряжено с большими трудностями: сигнал от единого источника надо согласованными (по волновому сопротивлению) волноводами синфазно доставить к каждому из N элементов решетки.
Для небольшого количества элементов, например 2х2, 2х4, 3х3 такая задача решаема, а для бОльшего количества элементов она настолько сложна, что всегда проигрывает зеркальным параболическим антеннам, с помощью которых легко создается направленность 20-40 dBi, а в больших проектах (как наземные станции дальней космической связи) достигает 70 dBi (усиление параболической антенны диаметром 70 метров на частоте 5885 МГц).
Для расчета КНД параболического зеркала воспользуемся формулой:
Увеличение частоты в 2 раза увеличивает дальность в 2 раза или позволяет применить на одной из сторон антенну с диаметром апертуры меньше в 2 раза, или с каждой стороны уменьшить диаметр антенны в SQRT(2)
Требования к точности наведения луча (юстировки антенны на абонента) тоже растут пропорционально квадрату частоты.
В этой статье мы НЕ рассматриваем вообще другие вопросы, такие как отражение, дифракция, рефракция, поглощение в газах, препятствиях, атмосфере, ионосфере, шумовая и помеховая обстановка
Выводы
Повышение частоты радиосвязи может давать как преимущества так и недостатки в зависимости от сценария применения (техзадания).
В условиях подвижной безподстроечной связи низкие частоты более выгодны, т.к. апертура всенаправленной антенны пропорциональна квадрату длины волны. Увеличение длины волны в 2 раза увеличивает апертуру антенны в 4 раза. Это дает возможность или увеличить дальность в 2 раза (в условиях видимости и ограничения дальности связи по энергетическому бюджету) или снизить мощность передатчика в 4 раза при прочих равных.
По этой причине военные ранцевые, автомобильные и танковые рации продолжают проектироваться на самый низ диапазона УКВ – от 27 до 50 МГц, в то время как гражданская и коммерческая связь неумолимо осваивает всё более высокие частоты.
Полуволновый диполь (или четвертьволновый штырь с противовесом) на низких частотах более крупные, что является с одной стороны недостатком. С другой стороны именно этот недостаток и позволяет собирать из пространства больше энергии.
В условиях линий точка-точка низкие частоты тоже более выгодны во всех случаях, кроме применения параболических антенн с фиксированной апертурой. Для антенн с одинаковой направленностью апертура убывает пропорционально квадрату роста частоты. При росте частоты в 2 раза, размеры антенны того же типа уменьшаются в 2 раза (в каждом измерении, т.е. объем уменьшается в 8 раз), но расплатой за этой является снижение в 4 раза апертуры такой антенны.
А вот в линиях «точка-точка» с параболическими антеннами – наоборот переход на более высокие частоты позволяет при тех же диаметрах зеркала улучшать энергетический бюджет в 4 раза при росте частоты в 2 раза. Повышение частоты в 2 раза позволяет:
Расплатой за такое повышение являются повышенные требования к прецизионности изготовления, как самой антенны, так и механизма наведения (юстировки) на абонента.
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.