Радиочастотный спектр как природный ресурс. Сущность и специфика проблемы обеспечения ЭМС РЭС

Диапазон радиочастот 3 кГц... 3000 ГГц, соответствующий понятию «радиочастотный спектр» (РЧС), разделен по декадному принципу на девять отдельных диапазонов (полос частот). Каждый из этих диапазонов имеет свои названия: как современные, так и исторически сложившиеся, как в частотной терминологии, так и в волновой. Чтобы избежать неоднозначности их именования в дальнейшем, сведем указанные термины в таблицу 1.1.

Таблица 1.1. Разделение РЧС на диапазоны: полосы частот и области длин волн

Номер	Полоса частот	Название полосы частот	Область длин волн	Название области длин волн	Ширина полосы частот
IV	3 ... 30 кГц	Очень низкие частоты (ОНЧ)	100... 10 км	Мириаметровые (сверхдлинные – СДВ) волны	27 кГц
V	30 ... 300 кГц	Низкие частоты (НЧ)	10 ... 1 км	Километровые (длинные – ДВ) волны	270 кГц
VI	0,3... 3 МГц	Средние частоты (СЧ)	1 ... 0,1 км	Гектометровые (средние – СВ) волны	2,7 МГц
VII	3... 30 МГц	Высокие частоты (ВЧ)	100 ... 10 м	Декаметровые (короткие – КВ) волны	27 МГц
VIII	30... 300 МГц	Очень высокие частоты (ОВЧ)	10 ... 1 м	Метровые волны	270 МГц
IX	0,3... 3 ГГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)	10 ... 1 дм	Дециметровые волны	2,7 ГГц
X	3... 30 ГГц	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	10 ... 1 см	Сантиметровые волны	27 ГГц
XI	30...300 ГГц	Крайне высокие частоты (КВЧ)	10 ... 1 мм	Миллиметровые волны	270 ГГц
XII	300...3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	1 ... 0,1 мм	Децимиллиметровые волны	2700 ГГц

Ниже частоты 3 кГц находятся радиоволны инфразвуковых и звуковых частот; выше частоты 3000 ГГц – оптические волны (инфракрасные, видимый свет и ультрафиолетовые). Названия и аббревиатуры областей длин волн в таблице 1.1 относятся к отечественной, исторически сложившейся классификации – согласно которой все радиоволны с частотой выше 30 МГц (с длиной волны меньше 10 м) относились к общему диапазону ультракоротких волн (УКВ).

Декадный принцип разделения РЧС на диапазоны ведет к тому, что ширина соответствующих им полос частот возрастает на порядок при каждом увеличении номера диапазона на единицу. Поэтому можно утверждать, что емкость каждого диапазона (под которой понимается способность вместить нужное число частотных каналов связи) возрастает с увеличением его номера не менее чем в 10 раз. О правомерности данного утверждения говорит весь опыт практического освоения РЧС человечеством с момента изобретения радио в начале XX века.

Действительно, в период между I и II мировыми войнами по радиолиниям в пределах IV-V диапазонов передавалась в основном телеграфная информация – в соответствии с чем они назывались беспроволочным телеграфом. Затем, по мере продвижения науки и промышленности вверх по частоте в области VI-VII диапазонов, магистральные радиолинии и радиосети стали использоваться для обмена телефонной информацией, а с освоением метрового VIII диапазона – для передачи радиовещания и телевидения. На рубеже XX-XXI столетий емкости VIII диапазона стало не хватать, поэтому телевизионные системы и сети были развернуты в дециметровом IX диапазоне.

В период до и особенно после II мировой войны развитие систем радиолокации, обнаружения и сопровождения воздушных, наземных и морских целей, а также сетей радиорелейной связи стимулировало повышенный интерес к IX-X диапазонам, тогда как начиная с середины XX века задачи, связанные с освоением космоса и применением технологий двойного назначения – еще и к XI-XII диапазонам. Аналогичным образом сегодня для расширения сетей мобильной и сотовой связи, средств беспроводного широкополосного доступа прогнозируется переход от дециметрового IX к сантиметровому X диапазону. Можно видеть, что объективная необходимость создавать новые, все более эффективные и совершенные ИКС достаточно долго вела человечество по пути экстенсивного использования РЧС, связанному с освоением новых, все более высокочастотных диапазонов. В то же время появилась тенденция к поиску другого, более интенсивного и экономного пути использования РЧС, связанного с решением проблемы электромагнитной совместимости (electromagnetic compatibility – EMC; ЭМС) технических радиоэлектронных средств – РЭС как важнейших в этом отношении элементов ИКС. Отметим, что здесь и далее в скобках аналогичным образом приводятся международные аналоги всех важнейших терминов ЭМС [1.18].

В отечественной литературе первым официальным упоминанием ЭМС можно считать определение ГОСТ 23611-79 «Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения» [1.1], согласно которому ЭМС означает способность РЭС одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых радиопомех другим РЭС. Под помехой при этом понималось воздействие нежелательной энергии, вызванное излучением или индукцией на прием сигналов, проявляющееся в ухудшении качества связи.

Действующее в настоящее время международное определение является существенно более расширенным [1.11; 1.16]: электромагнитная совместимость – это способность любых ТС функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке (ЭМО, electromagnetic environment) и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим ТС. При этом считается, во-первых, что ТС могут быть и РЭС, и средства вычислительной техники, и любые другие изделия (оборудование, аппаратура, блоки и т.п.) промышленного, научного и медицинского назначения, функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники и электроники. Во-вторых, что ЭМО есть совокупность любых электромагнитных явлений (процессов) в заданной частотно-пространственно-временной (ЧПВ) области, а электромагнитная помеха (electromagnetic interference) – это любое электромагнитное явление (процесс), способное снижать качество функционирования ТС. Под радиоэлектронным средством понимается ТС, состоящее из одного или нескольких передающих и (или) приемных устройств и вспомогательного оборудования, обеспечивающего их функционирование.

На практике успешное решение проблемы ЭМС означает размещение в ограниченной ЧПВ-области нужного числа ТС, функционирующих в составе ИКС приемлемым, с точки зрения создания непреднамеренных взаимных помех, образом. Такой подход приводит владельцев и пользователей ИКС к пониманию РЧС как некоего естественного возобновляемого ресурса, небесконечного по своей природе, но поддающегося управлению (распределению, контролю, регулированию и т.п.) на объективной, справедливой и юридически выверенной международной основе.

Важнейшую роль в решении проблемы ЭМС играет Международный союз электросвязи (МСЭ, International Telecommunications Union – ITU), призванный, по замыслу его организаторов, поддерживать и расширять международное сотрудничество для улучшения и рационального использования всех видов электросвязи; способствовать развитию ТС и совершенствованию их эксплуатации с целью большего охвата населения; согласовывать деятельность стран, направленную на достижение указанных общих целей. В состав МСЭ входят Бюро радиосвязи (БР) и Радиорегламентный комитет, а также Сектор развития электросвязи, включающий Бюро электросвязи, и Сектор стандартизации электросвязи. Ответственность за выполнение обязательств, связанных с членством разных стран в МСЭ, берут на себя Национальные Администрации связи – в качестве которых могут выступать любые уполномоченные правительственные учреждения и службы государств, ратифицировавших Устав и Конвенцию МСЭ.

Главным документом, определяющим порядок использования РЧС на глобальном уровне, является Регламент радиосвязи (РР) [1.3; 1.16], который содержит Международную таблицу распределения частот (ТРЧ). Основой для принятия решений по рациональному использованию РЧС в России являются Национальная ТРЧ [1.14], а также нормативные документы и решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ).

Хотя решения МСЭ и положения РР в части использования РЧС носят рекомендательный характер, страны-члены МСЭ в лице своих Администраций связи рассматривают их как обязательные. Это вызвано спецификой проблемы ЭМС, которую долгие годы они пытались самостоятельно решить самыми разными способами:

- резервировали и экономно использовали для новых РЭС все свободные участки занятых диапазонов РЧС;

- использовали ЧПВ-разнос наиболее мощных РЭС, ограничивали режимы и время их работы;

- модернизировали оборудование ИКС как в интересах повышения помехоустойчивости и помехозащищенности приема, так и для снижения уровней создаваемых взаимных помех;

- не считаясь с затратами, осваивали новые, более высокочастотные диапазоны РЧС;

- регулировали на двухсторонней и многосторонней основе договорные отношения с партнерами и потребителями услуг ИКС по вопросам, связанным с обеспечением ЭМС;

- изучали задачу обеспечения ЭМС в научном плане, рассматривая ее как комплексную: техническую, юридическую, социально-экономическую, организационную проблему.

В итоге стало ясно, что перечисленные мероприятия дают положительный эффект, которого, однако, недостаточно для обеспечения ЭМС ИКС в целом. Более того: по мере совершенствования технологий ИКС данная проблема приобрела новую актуальность и значимость – как в научном, так и в практическом плане. Даже формулируя задачу ЭМС в упрощенном техническом виде: как «борьбу с помехами» на передаче и на приеме, и рассматривая возможность ее решения современными научно-техническими средствами (например, с помощью новых информационных технологий, теории управления, теории игр), мы приходим к необходимости сделать это при исключительно широком круге заданных параметров, динамично меняющихся исходных условий, – что стимулирует применение других, несвойственных технике методов.

Поясним это на конкретном примере, но предварительно кратко рассмотрим классификацию электромагнитных помех. Преднамеренные помехи (willful interference) создаются для воздействия на ТС с целью снижения эффективности их функционирования – задачи такого рода связаны с радиопротиводействием, радиозащитой и радионападением, радиомаскировкой РЭС как элементов ИКС в тех или иных конкретных условиях. Можно сказать, что это задача, обратная обеспечению ЭМС РЭС, которая соответствует условиям игры с противоположными интересами.

Взаимные помехи (mutual interference) РЭС входят в класс непреднамеренных помех (unintended interference) – наряду с помехами естественного происхождения, к числу которых относятся воздействия на ИКС, вызванные физическими явлениями природы (атмосферное электричество, гидродинамические процессы, излучение космических источников: солнце, звезды, планеты и т.д.). Характерным примером помех искусственного происхождения являются индустриальные помехи (industrial interference) – создаваемые промышленным оборудованием, линиями электропередач, электрическими машинами, электронагревателями и т.п., которые могут быть как радиопомехами, так и кондуктивными (передаваемыми по проводам). К непреднамеренным помехам можно отнести и помехи, обусловленные особенностями дисперсионных (многолучевых) каналов связи, а также взаимные помехи, вызванные работой других РЭС. Важным моментом здесь является то, что данные помехи или создаются ИКС «сами для себя», поскольку формируются при прохождении полезных сигналов по многолучевым радиоканалам, или являются полезными сигналами для «своих» РЭС, и одновременно – помехами для «чужих» РЭС.

Взаимные помехи могут быть узкополосными (квазигармоническими) и широкополосными (импульсными, шумоподобными), иметь разную модуляцию и поляризацию, направления прихода и продолжительность воздействия, они существенно различаются между собой по способности приносить информационный ущерб, снижать пропускную способность ИКС. Заметим, что в качестве профилактической меры при борьбе с помехами владельцами РЭС нередко практиковался способ «продувания» частот, когда на резервную частоту, перед ее использованием, включался самый мощный передатчик – с тем, чтобы стимулировать освобождение данного участка РЧС другими пользователями РЭС. Нетрудно видеть, что такой силовой прием тоже соответствует условиям игры с противоположными интересами, однако не является оптимальным – поскольку среди пострадавших могут оказаться потенциальные партнеры и потребители услуг, да и конкуренты способны воспользоваться им так же успешно.

Поэтому сотрудничество в сфере использования РЧС и координация усилий по обеспечению ЭМС современных ИКС как на международном, так и на национальном уровне является попыткой перейти в данной области к условиям игры с непротивоположными интересами – для выработки взаимоприемлемых решений, выгодных всем членам мирового сообщества.

Исторически нормативными документами в области ЭМС предусматривается разделение ТС на четыре группы: радиопередатчики; радиоприемники; антенно-фидерные устройства и оборудование, создающее индустриальные помехи. Излучатели радиопомех именуются источниками помех, приемники – рецепторами помех. Заметим, что в состав реальных ИКС обычно входят РЭС, являющиеся одновременно и источниками, и рецепторами помех.

1.4. Регламент радиосвязи как основа для международного использования РЧС. Классы излучений РЭС, частотные планы и нормы по ЭМС

Регламент радиосвязи МСЭ, помимо Международной ТРЧ, включает перечень (в хронологическом порядке) всех основных постановлений, резолюций и рекомендаций, принятых Всемирными административными конференциями радиосвязи (ВАКР) МСЭ. Главы РР содержат также планы назначения и присвоения радиочастот; описание обязательных процедур координации радиочастот; определения терминов, относящихся к РЧС, параметрам ТС, классификации излучений и международные технические нормы на параметры РЭС, определяющие ЭМС [1.16]. Структура РР базируется на двух исходных принципах:

- концепции распределения взаимно совместимым РСЛ с близкими техническими характеристиками одинаковых частот в определенных участках РЧС;

- концепции добровольных и обязательных регуляторных процедур (координации, заявления и регистрации), необходимость которых обусловлена особенностями распределения РЧС.

Таким образом, в РР изложены принципы международного присвоения радиочастот и координации действий стран-членов МСЭ в области использования РЧС и противодействия помехам. Содержит РР и ряд ключевых понятий, без которых взаимодействие в рамках МСЭ считается невозможным.

Под радиосвязью в РР понимается любой вид передачи информации с помощью радио, независимо от области применения. Радиослужба (РСЛ) представляет собой совокупность РЭС, предназначенных для выполнения конкретной цели, которая включает передачу, излучение и прием радиоволн. Радиостанция – это один или несколько передатчиков (приемников) в комплексе, необходимых в определенном месте для данной РСЛ. Радиосистема – группа взаимодействующих наземных, земных или космических станций, использующих радиосвязь для конкретных целей. Радиосеть – часть радиосистемы из одной базовой и нескольких небазовых станций. Радиолиния – линия связи между передатчиком одной станции и приемником другой станции. Следует отметить, что по документам МСЭ радиосвязь рассматривается как вид электросвязи (telecommunication), а на практике все большее распространение сегодня находит термин «инфокоммуникации», объединяющий структуру электросвязи с информационной и бизнес-составляющими ИКС.

Верхняя граница РЧС в Международной ТРЧ, согласно [1.20], в 1927 г. была равна 27 МГц; в 1948 г. – 10,5 ГГц; в 1959 г. – 40 ГГц; в 1979 г. – 225 ГГц. В настоящее время максимальная частота, распределенная РСЛ, равняется 381 ГГц (хотя практическое применение находят частоты, не превышающие 200 ГГц). В рамках РР предусмотрено два типа распределения частот:

- исключительное, когда указанная в Международной ТРЧ полоса частот распределена одной РСЛ (примерно 20% РЧС для РСЛ, пользующихся приоритетом);

- совместное, когда указанная в Международной ТРЧ полоса частот распределена двум и более РСЛ одновременно.

Согласно РР, территория земного шара разделена на три района. В Район 1 входят государства бывшего СССР; Монголия; Африка; Европа и часть Азии (Аравийской полуостров, Турция, часть Ирана). Район 2 включает весь Американский континент и Гренландия; район 3 – Австралию, Океанию и часть Азии, не вошедшую в Район 1. Кроме того, определены следующие специальные зоны:

- Тропическая зона радиовещания между тропиками Рака и Козерога, в пределах которой радиовещательная РСЛ имеет приоритет перед другими службами в совместно используемых полосах частот ввиду затруднений, связанных с повышенным уровнем атмосферных помех;

- Европейская зона радиовещания (северная часть Района 1 и территория вблизи Средиземного моря), где высокая плотность вещательных РСТ потребовала разработки специальных частотных планов;

- Европейская морская зона – Белое, Северное, Балтийское, Средиземное и Черное моря, южная часть Баренцева моря, восточная часть Северной и Центральной Атлантики, где необходимо учитывать интересы судоходства.

Согласно Международной ТРЧ действующего РР [1.16], диапазон радиочастот от 9 кГц до 400 ГГц разбит на участки, распределенные более чем 40 разным РСЛ. По назначению эти РСЛ классифицируются, например, как радиовещательная для населения; предназначенная для целей метеорологии; передачи стандартных частот и сигналов времени; проведения космических исследований (радиоастрономия, наблюдение с космических объектов); любительская; космической эксплуатации (телеметрия, телеуправление) и т.д. Различают также фиксированные РСЛ (радиосвязь между наземными радиостанциями спутниковой, воздушной, морской и т.п. РСЛ) и подвижные РСЛ (радиосвязь между подвижными и фиксированными РСТ сухопутной, спутниковой, воздушной, морской, портовой, автотранспортной и т.п. РСЛ).

По статусу все эти РСЛ в РР разделены на две группы: первичные (названия напечатаны большими прописными буквами) и вторичные (названия напечатаны мелкими строчными буквами) в трех параллельных вертикальных колонках Международной ТРЧ, соответствующих трем указанным районам мира. Службы равного статуса перечислены в алфавитном порядке (на французском языке), который не определяет их приоритета. В то же время станции вторичных РСЛ не должны причинять вредных помех станциям первичной службы – как уже действующим, так и вводимым в эксплуатацию впоследствии; они не могут требовать защиты от вредных помех со стороны станций первичной службы, однако вправе требовать защиты от вредных помех со стороны станций той же или другой вторичной службы, которой частоты могут быть присвоены в дальнейшем.

Данные Международной ТРЧ являются основой для разработки Национальных ТРЧ – с учетом интересов РСЛ, входящих в юрисдикцию каждого государства, и приоритета Международной ТРЧ при разрешении и предотвращении возможных конфликтных ситуаций.

Краткой качественной характеристики сигналов и помех в ИКС, аналогичной приведенной в предыдущем разделе при классификации помех, было бы недостаточно для их описания в интересах обеспечения ЭМС. Поэтому РР [1.16] предусматривает определение класса излучения (emission type), под которым понимается совокупность условных обозначений, характеризующих сигнал или помеху с применением ряда формализованных признаков (тип модуляции основной несущей; модулирующий сигнала; вид передаваемого сообщения и т.д.). Формула класса излучения содержит четырехсимвольное обозначение необходимой ширины полосы частот (НШПЧ), а также пять буквенных и цифровых символов: три основных и два дополнительных.

Обозначение НШПЧ содержит три цифры и одну букву, которая играет роль запятой и указывает единицу измерения полосы частот: Н – герцы; K – килогерцы; M – мегагерцы; G – гигагерцы (например, 90Н0 – 90 Гц; 2K75 – 2,75 кГц; 350М – 350 МГц; 1G24 – 1,24 ГГц). Первый основной буквенный символ указывает на тип модуляции несущей: «А» – амплитудная двухполосная; «Н»; «R»; «J» – амплитудная однополосная с разной степенью подавления несущей; «F»; «G» – угловая (частотная и фазовая и т.д. Второй цифровой символ указывает на характер модулирующего сигнала: «1»; «2» – один канал цифровой информации; «3» – один канал аналоговой информации; «7»; «8» – два или более каналов, содержащих цифровую («7») и аналоговую («8») информацию и т.п. Третий буквенный символ обозначает тип передаваемой информации: «А»; «Б» – телеграфия; «Е» – телефония, включая звуковое радиовещание; один канал аналоговой информации; «F» – телевидение и т.д.

Четвертый дополнительный символ содержит данные о сигнале: «В»; «С» – двухпозиционный код с одинаковым числом элементов и одинаковой длительностью без исправления («В») и с исправлением («С») ошибок; «G»; «J» – передача звука вещательного («G») или коммерческого («J») качества; «N» – передача цветного телевизионного сигнала и др. Пятый дополнительный символ указывает на характер уплотнения многоканального сигнала: «N» – без уплотнения; «F» – частотное уплотнение; «Т» – временное уплотнение и т.д. Для облегчения процедуры классификации сигналов и помех РР содержит таблицы с готовыми наборами обозначений для наиболее употребительных, типовых вариантов. Поскольку новые виды сигналов не всегда подпадают под указанные обозначения, допускается характеризовать класс излучения только с помощью НШПЧ и трех первых основных символов.

Помимо Международной и Национальных ТРЧ государства-члены МСЭ составляют и согласовывают планы использования отдельных полос РЧС с учетом взаимных интересов и прогнозов технологического развития ИКС. Возможны два вида частотных планов:

- всемирные планы для определенных РСЛ или участков РЧС;

- региональные планы для определенных РСЛ или определенных участков РЧС – предназначенные для конкретных регионов планирования, районов и специальных зон.

Всемирные частотные планы являются неотъемлемой частью РР; региональные частотные планы – неотъемлемой частью соответствующих региональных соглашений. Таким образом, организация рационального использования РЧС предусматривает согласованную работу органов МСЭ и Национальных Администраций связи по трем направлениям:

- распределение радиочастот – предоставление их РСЛ на основании Международной и Национальных ТРЧ;

- выделение радиочастот – предоставление их странам или зонам мира согласно всемирному или региональному частотному плану;

- присвоение радиочастот – предоставление их конкретным РЭС для использования в качестве рабочих или резервных.

В компетенцию БР МСЭ входит работа по предварительной публикации сведений о заявляемых космических системах; частотных присвоениях РЭС; согласованию условий обеспечения ЭМС РЭС и занесению частотных присвоений РЭС в Международный справочный регистр частот. Для стран-членов МСЭ заявление, координация и регистрация в БР МСЭ частотных присвоений РЭС обязательны в следующих случаях:

- если использование присвоенной частоты может причинить вредные помехи РЭС какой-либо РСЛ других стран;

- если частота будет использоваться для международной радиосвязи;

- если желательно получить международное признание факта использования частоты, а также в других случаях, предусмотренных РР.

Координация частот на международном уровне предусматривает процедуру достижения соглашений между Администрациями связи стран-членов МСЭ о совместном использовании РЧС, направленных на предотвращение появления вредных помех между всеми существующими и планируемыми к вводу в эксплуатацию РЭС. Процедуру координации можно рассматривать как средство динамического планирования РЧС и орбитального ресурса, способствующее их эффективному использованию – в рамках согласованной игры с непротивоположными интересами. Заметим, что согласно терминологии РР, вредными (недопустимыми) являются помехи, которые мешают работе жизненно важных РСЛ безопасности, радионавигации и т.п. для стран-членов МСЭ. Допустимыми РР считает помехи, при воздействии которых выполняются требования к качеству функционирования РЭС согласно требованиям МСЭ. Приемлемой называется помеха, по своим характеристикам соответствующая требованиям, изложенным в договорных соглашениях между Администрациями связи или РСЛ стран-членов МСЭ. При определении типа помехи важную роль играет величина защитного отношения (protection ratio) по высокой частоте, которое представляет собой отношение «сигнал/помеха», минимально допустимое для обеспечения требуемого качества функционирования конкретных ИКС.

Международная и национальные нормативные базы для обеспечения ЭМС РЭС включают [1.20]:

- нормы, относящиеся к параметрам передатчиков РЭС в составе ИКС;

- нормы, относящиеся к параметрам приемников РЭС в составе ИКС;

- нормы на характеристики ЭМС для приборов элементов передатчиков и приемников РЭС в составе ИКС;

- нормы, относящиеся к антенно-фидерным сооружениям РЭС в составе ИКС;

- нормы на характеристики индустриальных радиопомех (ИРП), определяющие ЭМС РЭС в составе ИКС;

- организационно-технические и методические нормы, содержащие требования к защитным отношениям; ЧПВ-разносу РЭС в составе ИКС; классификацию РЭС по жесткости требований к их параметрам ЭМС; критерии и методики расчета эффективности использования РЧС и др.