Когда радиочастоты «в пробке»: как совместное использование спектра и ИИ помогают избежать столкновений сигналов
Каждый раз, когда вы звоните по телефону, смотрите видео или подключаетесь к Wi-Fi, ваше устройство отправляет и принимает невидимые сигналы по воздуху. То же самое делают ваши радионяня, пульт от гаражных ворот, ГНСС-навигатор, спутники метеорологического мониторинга и радары, обеспечивающие безопасное расстояние между самолётами. Все они используют один и тот же невидимый ресурс: радиочастотный спектр.
Спрос на беспроводную передачу данных, обусловленный смартфонами, потоковым видео и миллиардами подключённых устройств, продолжает расти, что приводит к дефициту доступного спектра. Но так быть не должно.
Решение, которое разрабатывают инженеры и регулирующие органы, — это динамическое совместное использование спектра. Основная идея проста: вместо того, чтобы навсегда резервировать часть спектра исключительно для одного пользователя, позволить нескольким пользователям совместно использовать одни и те же частоты — разумно и с чёткими правилами, чтобы предотвратить взаимное перекрытие сигналов.
Радиочастоты находятся в нижней части электромагнитного спектра, на частотах ниже микроволн, света и рентгеновских лучей. Можно представить это как обширную сеть невидимых магистралей, работающих на разных частотах и передающих сигналы по воздуху. Телевидение, управление воздушным движением, сотовые телефоны, дистанционное зондирование далёких звёзд — всё это перемещается по разным участкам этой же невидимой сети дорог.
Эти коммуникационные магистрали охватывают огромный диапазон частот, от очень низких частот, используемых для связи с подводными лодками, до частот, выходящих за пределы радиоволн, и частот видимого света. Более высокие частоты передают сигналы на меньшие расстояния, но позволяют передавать больше данных по более широким магистралям. Поскольку, согласно фундаментальным законам физики, спектр частот ограничен, правительства исторически управляли им, выдавая эксклюзивные лицензии — выделяя определённые магистрали конкретным пользователям и запрещая всем остальным пользоваться ими.
Эта система достаточно хорошо работала на протяжении десятилетий, особенно потому, что сеть автомагистралей справлялась с растущим спросом. Исследования, измеряющие фактическое использование спектра на протяжении многих лет, выявили нечто удивительное: большие участки лицензированного спектра большую часть времени простаивают. Например, военная радиолокационная система может работать только в определённых местах и в определённые дни.
Растущий спрос на радиочастотный спектр привёл к тому, что некоторые из этих дорог «забиты пробками», а другие, расположенные неподалёку, практически пустуют.
Для обеспечения работы динамического распределения частотного спектра необходимы радиоустройства, обладающие большей гибкостью, чем существовавшие ранее устройства с фиксированной частотой.
Современные смартфоны и беспроводные устройства всё чаще строятся на основе технологии программно-определяемого радио (SDR), что означает, что рабочие частоты могут регулироваться программным обеспечением, а не быть привязаны к аппаратной части. Представьте себе автомобиль, который может автоматически перестраиваться, а не застревать в одной полосе навсегда. Ранние исследователи называли эту концепцию «когнитивным радио» — идею радиоприёмника, способного воспринимать окружающую среду и адаптироваться к ней.
Такая гибкость открывает возможности для многоуровневого подхода к совместному использованию спектра. На вершине иерархии находятся основные пользователи — те, кто обладает существующими правами на частоту, например военные или лицензированные вещатели. Ниже них другие вторичные пользователи могут получать доступ к тому же спектру, когда и где основные пользователи его не используют, автоматически уступая место, как только основной пользователь возвращается.
Более повседневный вариант подобного совместного использования уже существует в используемых вами дома частотах Wi-Fi. Несколько устройств — ваш ноутбук, телефон, смарт-телевизор — используют один и тот же спектр без центрального органа, выделяющего каждому из них отдельный слот. Они делают это, кратковременно определяя, занят ли канал, прежде чем начать передачу, и автоматически регулируя скорость в зависимости от загруженности. Протокол напоминает водителей на перекрестке с четырёхсторонним движением — неформальные правила, которые в основном работают без участия регулирующего органа.
Одним из недавних примеров динамического распределения спектра в Соединённых Штатах является Служба широкополосного радиовещания для граждан (CBRS), работающая в диапазоне частот 3,5 ГГц. Федеральная комиссия связи создала трёхуровневую систему. На верхнем уровне находятся действующие пользователи – в основном радиолокационные системы ВМС США. В середине – предприятия и организации, оплачивающие приоритетный доступ. А широкая общественность может использовать оставшуюся часть спектра.
Центральная компьютерная система — система доступа к спектру — действует как контроллер трафика в реальном времени, постоянно отслеживая, где активны радары ВМС, и автоматически координируя доступ для всех остальных. Когда корабль ВМС не использует спектр в вашем районе, больницы, заводы, склады и кампусы могут использовать его для своих собственных частных беспроводных сетей. Когда ВМС требуется вернуть его, все остальные уступают место в считанные секунды.
Самая большая техническая проблема при совместном использовании спектра — это помехи: что происходит, когда два сигнала перекрываются и смешивают друг друга, как два человека, одновременно кричащие вам в ухо разные вещи? По мере того, как всё больше устройств заполняют эфир, каждое из которых имеет разный уровень мощности и разные потребности в полосе пропускания, предотвращение столкновений сигналов становится всё более сложной задачей.
В исследовательских группах сейчас обращаются за помощью к искусственному интеллекту. ИИ может учиться на собственном опыте и адаптироваться в режиме реального времени к меняющимся условиям, определяя, кто и когда будет передавать сигнал и на каком уровне мощности, способами, недоступными для старых систем, основанных на правилах. В то же время возникают новые проблемы, например, спутники и наземные сети всё чаще должны использовать одни и те же частоты.
Управление радиочастотным спектром может показаться не таким уж простым делом, но оно влияет на всё: от скорости загрузки видео на телефоне до возможности автоматизации производства на заводе и надёжности доступа в интернет в сельской школе. Будущие беспроводные технологии, включая те, которые соединяют беспилотные автомобили и позволяют проводить дистанционные хирургические операции, будут зависеть от наличия достаточного количества спектра. Динамическое распределение спектра — это способ обеспечить его доступность без демонтажа уже существующих систем.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Макс-канал
По материалам открытых источников