Радиочастотный спектр

Что это

Радиочастотный спектр — это совокупность всех радиочастот в диапазоне от 3 Гц до 3 ТГц (терагерц), по которым можно передавать информацию с помощью электромагнитных волн. Проще говоря, это «дорожная сеть» для беспроводных сигналов: каждая технология занимает свою полосу, как автомобили занимают свои полосы на шоссе. Спектр конечен — два устройства не могут одновременно использовать одну и ту же частоту в одном месте без взаимных помех, поэтому его использование строго регулируется.

Зачем это нужно

Без распределения радиочастотного спектра беспроводная связь превратилась бы в хаос: сигналы Wi-Fi глушили бы авиационные переговоры, а радиоприёмники ловили бы сотовые звонки. Первые попытки регулирования начались в начале XX века после катастрофы «Титаника» в 1912 году — тогда выяснилось, что радиосвязь на море работала бессистемно. Сегодня распределением спектра занимается Международный союз электросвязи (МСЭ/ITU) на глобальном уровне, а в России — Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). Частоты либо выделяются бесплатно (например, ISM-диапазоны для Wi-Fi и Bluetooth), либо продаются на аукционах — в 2021 году российские операторы заплатили за частоты 5G-диапазона миллиарды рублей.

Как это работает

Весь спектр разбит на именованные диапазоны по частоте и длине волны. Низкие частоты (НЧ, СЧ) хорошо огибают препятствия и распространяются на тысячи километров — их используют для морской связи и AM-радио. Высокие частоты (ВЧ, ОВЧ) отражаются от ионосферы, что позволяет вещать на межконтинентальные расстояния. Сверхвысокие частоты (СВЧ, от 300 МГц до 30 ГГц) — рабочая лошадка мобильной связи, Wi-Fi и спутниковых систем: они несут больше данных, но хуже проникают сквозь стены. Чем выше частота, тем шире полоса пропускания и тем больше данных можно передать — именно поэтому 5G работает в диапазонах 3,5 ГГц и 26–28 ГГц, а не на частотах AM-радио.

Примеры применения

• Мобильная связь: 4G LTE работает в диапазонах 700 МГц, 1800 МГц и 2600 МГц; 5G добавляет полосы 3,5 ГГц и миллиметровые волны 26–28 ГГц.
• Wi-Fi: стандарты 802.11n/ac используют 2,4 ГГц и 5 ГГц; Wi-Fi 6E добавил диапазон 6 ГГц для снижения перегрузки.
• Bluetooth: работает в ISM-диапазоне 2,4 ГГц — том же, что и большинство микроволновых печей, из-за чего иногда возникают помехи.
• Авиация: переговоры пилотов и диспетчеров ведутся в диапазоне 118–137 МГц (ОВЧ), который строго зарезервирован и недоступен для гражданского использования.
• Спутниковая навигация: GPS работает на частотах 1,2 и 1,5 ГГц; российская ГЛОНАСС — на 1,2 и 1,6 ГГц.

Связанные понятия

• Полоса пропускания — ширина диапазона частот, выделенного под конкретный канал связи.
• ISM-диапазоны (Industrial, Scientific, Medical) — частоты, открытые для использования без лицензии: 433 МГц, 2,4 ГГц, 5,8 ГГц.
• Интерференция (помехи) — наложение сигналов разных источников на одной частоте.
• Лицензирование частот — разрешение регулятора на использование конкретного диапазона; выдаётся ГКРЧ в России.
• Динамическое распределение спектра — технология, при которой устройства автоматически ищут свободные частоты (используется в когнитивном радио и некоторых режимах Wi-Fi).

Частые заблуждения

Распространённый миф: «частот хватит на всех, просто нужно больше вышек». На самом деле физический диапазон ограничен — нельзя просто «создать» новые частоты. Другое заблуждение — что Wi-Fi и сотовая связь работают на разных «уровнях» и не мешают друг другу. Это неверно: оба стандарта могут использовать перекрывающиеся диапазоны (например, 2,4 ГГц), и при высокой плотности устройств качество связи падает у обоих. Наконец, не все частоты одинаково полезны: низкие частоты хорошо проникают сквозь стены, но медленные; высокие — быстрые, но требуют прямой видимости и плотной сети базовых станций.