Bezdrátová komunikace v infrastruktuře internetových sítí.

24.11.2017
Bezdrátová komunikace v infrastruktuře internetových sítí.

 

Elektromagnetické záření je všude kolem nás. Doslova nás obklopuje, ať už to přírodní, anebo takové, které vzniká lidskou činností. Pomocí elektromagnetického vlnění různých vlnových délek se vlastně děje všechno. Ale popsat celý příběh by bylo na několik kapitol čtení na pokračování, kde bychom začali v roce 1832 u Michaela Faradaye, a skončili bychom u nanoelektroniky, která se používá při komunikaci nanorobotů, užívaných v diagnostickém lékařství.

Tak tedy zpátky na zem, a podívejme se po nám nejbližším, telekomunikačním vesmíru.

Zkuste to bez drátů, milý Marconi. Klasický bonmot dostatečně nepopisuje obrovský pokrok, který lidstvo dosáhlo díky prostému vysílání impulsů z radiostanic na pobřeží oceánu, a možnosti obousměrné komunikace mezi plujícími loděmi. Tehdy se používaly nízké kmitočty a obrovské výkony dodávané do anténních systémů. Důležitý byl dosah, komunikace probíhala pomaleji nežli mluvené slovo, a byla zachytitelná i na druhé straně planety. Zakřivení Země nevadilo, vlny se odrážely od vrstev stratosféry.

Postupem času začala narůstat potřeba přenášet více dat. Jako obvykle bylo základem pokroku vojenství. Pro přenos vyšších kapacit je nutný vyšší nosný kmitočet. Generování centimetrových vln pomocí magnetronů umožnilo zase detekci pomocí radiových vln, vynález radaru zcela změnil poměr sil na začátku 2. světové války. Po válce zase umožnil rozvoj civilního letectví. A v telekomunikacích se pro lidstvo objevila zásadní novinka – rádiový datový spoj. Pomocí směrových antén bylo možné i na dlouhé vzdálenosti přenášet informace o bojové situaci, řídit logistiku zásobování pohybujících se armád a nahradit poškozenou telekomunikační infrastrukturu osvobozených zemí. Tehdy svět objevil skutečné kouzlo bezdrátové komunikace.

Jak šel čas a rozvoj elektronických komunikací daleko předběhl možnosti nákladně zakopaných metalických kabelů, začala se na rádiová pojítka spoléhat velká část běžné civilní komunikace. Vybavíte si ty obrovské parabolické antény na vysílačích Českých radiokomunikací? Takovými anténami přenášela vysílání již od prvopočátků Československá televize.

Možnosti datových spojů značně narostly. Narostly přenášené kapacity, téměř zmizela potřeba používat rádiové spoje na dlouhé vzdálenosti, a na zlomek původních Marconiho hodnot poklesl vysílací výkon takových zařízení. V roce 1945 pracovala US Army s analogovou přenosovou soustavou, přenášely několik paralelních telefonních hovorů. V roce 1950 začala doba masivního využívání radiových spojů v telefonní síti v severní Americe, sovětský blok ale nezůstával pozadu příliš dlouho. V Československu TESLA vyráběla špičkové zařízení, která se vyvážela nejen do zemí RVHP, ale celého světa. V konkurenčním boji se západními firmami začal východní blok zaostávat až při přechodu na digitalizace přenosové soustavy.

Od devadesátých let minulého století digitální komunikace zažívá neuvěřitelné zrychlení času. Přechod od dvoustavových frekvenčních modulačních schémat na modulaci používající 1024 stavů, při několikanásobné šíři pásma netrval ani 20 let. Dnešní rádiové spoje dokáží díky pokroku polovodičové techniky, integraci dříve rozsáhlých bloků do miniaturních integrovaných obvodů a využití obrovského výpočetního výkonu signálových procesorů přenášet klidně 10 Gb za sekundu.

Samotné rádiové spoje rozdělujeme nejčastěji podle používaných frekvenčních pásem a způsobu užití. Nezákladnější rozdělovník je zařízení pro spojení mezi dvěma body sítě. Běžnému uživateli internetu na doma je bližší k pochopení komunikace mezi jednou základnovou stanicí a mnoha účastníky. Vždyť typickým zástupcem takového bod – mutlibod rádiového přenosu je připojení mobilního telefonu k základnové stanici. Nebo domácí WiFi router. Principu takové vícenásobné komunikace se budeme věnovat v jiném článku.

Na spoje typu bod – bod se spoléhají všechny základnové stanice mobilní sítě, a přístupové body internetových poskytovatelů. Aby připojení k vysokorychlostnímu internetu pracovalo spolehlivě a telefonní hovory se při pohybu nepřerušovaly, je nutné dosáhnout vysoké hustoty přístupových bodů. Jednou, možná za desítky let, budeme mít všechny takové body v krajině propojené optickou sítí. Se sarkastickým úsměvem na tváři bych se rád rozepsal o byrokratické pasti ve výstavbě čehokoliv v této zemi, kde nekecáme a makáme, jenomže to bych vás připravil o popis využívaných frekvenčních pásem.

Rádiová komunikace v infrastruktuře používá frekvence o 4 GHz do 80 GHz. Čím nižší je frekvence rádiového spoje, tím nižší je úbytek vyzářené energie při dešti a v prostředí. Naproti tomu s vyšší frekvencí roste zisk antén, protože vysoká frekvence je parabolickou anténou účinněji směrována do energetického stvolu. Zisk antény s průměrem 60 cm je v používaném pásmu 6 GHz 29,5 dBi, přitom stejně velká parabola v milimetrovém pásmu 80 GHz má zisk 51 dBi. Na laika takové číslo dojem neudělá, ale kdo si ještě pamatuje středoškolskou fyziku, tak vidí zlepšení o několik řádů.

V nízkých komunikačních pásmech je kvůli jejich historické zátěži, technickému vývoji a fyzikálním zákonům docela plno. Regulační orgány, jako je CEPT na evropské úrovni, a ČTÚ na národní úrovni, stanovují závazní pravidla pro provoz takových sítí. Regulátoři musí zabezpečit nerušený provoz nejenom pro telekomunikační účely, ale i zmíněných vojenských a civilních radarů, provozu družic, řízení dopravy. Regulaci podléhá cokoliv s možností vysílání, včetně RC hraček nebo klíčků od centrálního zamykání aut. Ve vyšších pásmech, protože jsme se je naučili používat teprve nedávno, je volno. Je zde dostatek prostoru pro vysoké kapacity přenosu dat, aniž by došlo ke vzájemnému rušení radiových linek. Výhodné je také omezení vzdáleností pro postavení takového spoje. Například v pásmu 60 GHz se energie po několika stovkách metrů zcela vytratí. Nemůže tak dojít ke vzájemnému ovlivnění v rádiovém provozu. Při provozních testech spojení mezi sítí Újezd.Net a společností Eurosignal jsme docílili spojení s kapacitou 2,5 Gb za sekundu, při stejné kvalitě která by byla dosažitelná optickým vláknem, na vzdálenosti kolem 2 km. Použili jsme spoj CERAGON IP20E pro pásmo 80 GHz.

Další, netechnické dělení rádiových spojů je podle typu oprávnění k využívání těchto frekvenčních pásem. Český telekomunikační úřad přiděluje licence k využívání pásem. Za některé je třeba hradit docela vysoké poplatky, pečlivě je navzájem koordinovat a složitým způsobem vypočítat vzájemné ovlivňování při provozu ve spektru. Je to logické opatření, zejména, pokud požadujete spojit rádiem navzájem vzdálené lokality. Spoje pro jiná pásma zase mají nařízeno používat nízký výkon, a platba za vzájemnou koordinaci není vyžadována. S narůstající frekvencí, jak jsem již zmínil, se není třeba obávat vzájemného rušení, a zároveň může telekomunikační operátor přenášet násobky přenosových kapacit. Porovnání takových profesionálních spojů s optickou linkou vůbec nepokulhává. Takové spoje používají plně duplexní provoz, pro komunikaci používají dva páry frekvencí. Každý pro jeden směr přenosu.

 

Závislost na použité frekvenci, používané kapacity přenosu dat a licenční podmínky vidíte v tabulce 1. Pásma nepopisuji všechna.

Frekvenční pásmo

Vhodné pro délku spojení, obvykle

Přenosová kapacita XPIC, dvě polarizace

Licence ČTÚ

6 GHz

60 km

500 Mbps

Placená

10,5 GHz

15 km

500 Mbps

Volná

11 GHz

35 km

1,4 Gbps

Placená

18 GHz

20 km

2 Gbps

Placená

42 GHz

5 km

2 Gbps

Placená

60 GHz

0,25km

10 Gbps

Volná

80 GHz

3 km

10 Gbps

Volná

 

Celé telekomunikační odvětví používá rádiové spoje. Na konci každého optického vlákna je pravděpodobně nějaké takové rádio připojené, a transportuje data k dalším zákazníkům sítě. Často se mne ptají lidé na spolehlivost takového spoje v dešti nebo mlze. Výpočet rádiové trasy a její spolehlivosti zvládá dneska kdejaký student elektroprůmyslové školy. Výrobci dodávají nástroje pro návrh trasy, podle normy ITU-R P.530 se počítá i se statistikami dešťových srážek v oblasti nasazení spoje. Výpočty pro konkrétní zařízení určí spolehlivě, jestli i v apokalyptické průtrži mračen bude spojení fungovat. Vzpomínáte si, kdy naposledy jste si v dešti nezavolali z mobilního telefonu?

 

Autor: Jakub Moník