Анализ международных документов, регламентирующих использование сверхширокополосных устройств
Положение об устройствах СШТ федеральной комиссии связи США
Развитие сверхширокополосных технологий (СШТ) началось с середины 50-х годов в рамках создания новых типов радарных систем. К 80-м годам были завершены основные теоретические исследования в области систем СШТ и созданы первые гражданские и военные системы для радиолокации, связи, позиционирования. Однако конкретных работ в области стандартизации и регулирования СШТ до последнего времени не проводилось. Переломным моментом в этой ситуации стало решение FCC (Федеральной комиссии связи США) по СШТ от 14 февраля 2002 г., утвердившее Положение о системах СШТ и разрешившее продажу и использование некоторых типов устройств, основанных на СШТ [1].
В соответствии с Положением, все устройства СШТ разбиты на 3 категории (рисунок 1), для которых установлены технические стандарты и ограничения на использование, учитывающие потенциальные возможности создания помех устройствами СШТ [2]:
Рис. 1. Типы устройств СШТ по классификации FCC
-
Системы связи и измерительные системы. Данные системы включают в себя широкий круг устройств, в которых применятся СШТ, например, быстродействующие сети обмена данными для домашнего и офисного применения, устройства позиционирования, измерения объема помещений и т.д.
-
Радарные системы на транспортных средствах. Данные системы устанавливаются на транспортных средствах и предназначены для обнаружения местоположения и перемещения объектов вблизи транспортного средства.
-
Системы обнаружения объектов (формирования изображений). Данные системы включают в себя:
-
Радары подземного зондирования, предназначенные для обнаружения или формирования изображения захороненного в земле объекта, должны находиться в контакте с землей или очень близко к ее поверхности. Применение этих систем ограничивается задачами правоохранительных органов, спасательных служб и научных исследований.
-
Медицинские системы, предназначенные для получения изображений внутренних органов.
-
Устройства контроля территорий, предназначенные для обнаружения вторжения в охраняемые зоны.
-
Системы обнаружения объектов в стенах, предназначенные для обнаружения объектов находящихся в стене и исследования структуры объекта. Применение этих систем ограничивается задачами правоохранительных органов, спасательных и специальных служб и научных исследований.
-
Системы обнаружения объектов через стену, предназначенные для обнаружения местоположения и перемещения людей или объектов, расположенных за препятствием. Применение этих систем ограничивается задачами правоохранительных органов и спасательных служб.
При этом использование систем обнаружения объектов (формирования изображений) должно согласовываться с FCC.
В соответствии с Положением для всех устройств СШТ максимальное значение излучаемой спектральной плотности мощности ограничено значением –41,3 дБм/МГц (напряженность поля 500 мкВ/м в полосе, шириной 1 МГц, на расстоянии 3 метра). Это ограничение соответствует средней величине спектральной плотности ЭИИМ, которая эквивалентна средней величине напряженности поля, установленной Частью 15 Правил FCC для непреднамеренно излучающих устройств на частотах выше 1 ГГц.
Кроме того, для защиты существующих систем от помех со стороны устройств СШТ, FCC установлены соответствующие ограничения на излучения устройств СШТ (Табл. 1 и 2). Соответствующие маски излучений систем СШТ приведены на Рисунках 2 – 5. Наиболее существенные ограничения накладываются на излучение в полосе частот 960-1610 МГц. Данные меры в первую очередь направлены на защиту системы глобального позиционирования GPS от возможных помех со стороны устройств СШТ.
Таблица 1
Полосы частот, выделенные FCC для устройств СШТ.
№ |
Тип системы СШТ |
Выделенная полоса частот (по уровню –10 дБ спектра сигнала), МГц |
|
Среднечастотные системы обнаружения объектов (системы обнаружения объектов через стену, устройства контроля территорий) |
1990-10600 |
|
Высокочастотные системы обнаружения объектов (радары подземного зондирования, системы обнаружения объектов в стенах, медицинские системы); |
3100-10600 |
|
Низкочастотные системы обнаружения объектов (радары подземного зондирования, системы обнаружения объектов в стенах, системы обнаружения объектов через стену) |
ниже 960 |
|
Радарные системы на транспортных средствах |
22000-29000 |
Рекомендации CEPT
Исследования, выполненные FCC, послужили основой для работ, проводимых в рамках СЕРТ и МСЭ, по разработке нормативной базы, регламентирующей использование СШТ.
Вопросами использования внутриофисных устройств СШТ в СЕРТ занимается специально созданная проектная группа SE 24. В рамках данной группы разработаны модификации спектральных масок излучений, предложенных FCC для систем СШТ (Рис. 6 и 7) [3, 4].
Кроме того, сформирована целевая группа ECC TG3, ответственная за решение основных регулирующих вопросов касательно использования сверхширокополосных беспроводных устройств. В частности, указанная группа разрабатывает требования для устройств СШТ первого поколения, которые будут функционировать в нижних диапазонах частот (до 5 ГГц).
Таблица 2
Максимальные значения спектральной плотности мощности для устройств СШТ, установленные FCC
Полоса частот |
Системы обнаружения объектов |
Системы связи и измерительные системы предназначенные для использования в закрытых помещениях, |
Переносные системы связи и измерительные системы, которые могут использоваться вне помещений, |
Радарные системы на транспортных средствах, |
||
Низко-частотные, |
Средне-частотные, |
Высоко-частотные, |
||||
0.009-960 |
-41.3 |
-41.3 |
-41.3 |
-41.3 |
-41.3 |
-75.3 |
960-1610 |
-65.3 |
-53.3 |
-65.3 |
-75.3 |
-75.3 |
-61.3 |
1610-1990 |
-53.3 |
-51.3 |
-53.3 |
-53.3 |
-63.3 |
-61.3 |
1990-3100 |
-51.3 |
-41.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-61.3 |
-61.3 |
3100-10600 |
-51.3 |
-41.3 |
-41.3 |
-41.3 |
-41.3 |
-61.3 |
10600-22000 |
-51.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-61.3 |
-61.3 |
22000-29000 |
-51.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-61.3 |
-41.3 |
выше 29000 |
-51.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-51.3 |
-61.3 |
-51.3 |
Рис 2. Маска FCC для излучений СШ устройств обнаружения (радаров подземного зондирования, систем обнаружения объектов в стенах, медицинских систем)
Рис.3. Маска FCC для излучений СШТ устройств обнаружения (систем обнаружения объектов через стену, устройств контроля территорий)
Рис. 4. Маска FCC для излучений СШТ устройств, предназначенных для связи и измерений в помещениях. Центральные частоты устройств выше 3,1 ГГц
Рис. 5. Маска FCC для излучений переносных СШТ устройств, предназначенных для связи и измерений вне помещений. Центральные частоты устройств выше 3,1 ГГц
Рис 6. Маска CEPT для устройств в помещении
Рис 7. Маска CEPT для устройств вне помещений
В отличие от FCC, использующей ступенчатые спектральные маски для ограничения плотности мощности излучений устройств СШТ, СЕРТ предлагает использовать спектральные маски с наклонными спадами спектра, при этом:
- обеспечивается более существенная защита от помех для критически чувствительных служб, работающих ниже 3,1 ГГц и выше 10,6 ГГц;
- спектральная маска более точно соответствует спектру СШТ сигнала.
Допустимые значения средних уровней плотности мощности устройств СШТ в соответствии с рекомендациями проектной группы СЕРТ SE 24 приведены в таблице 2.3 [4].
Таблица 3
Максимальные значения спектральной плотности мощности для устройств СШТ, установленные проектной группой СЕРТ SE 24
Размещение устройств СШТ |
|
Частота, ГГц |
|
f < 3,1 ГГц |
3,1 ГГц < f < 10,6 ГГц |
f > 10,6 ГГц |
|
дБм/МГц |
дБм/МГц |
дБм/МГц |
|
В помещении |
–51,3 + 87 log (f/3,1) |
–41,3 |
–51,3 + 87 log (10,6/f) |
Вне помещения |
–61,3 + 87 log (f/3,1) |
–41,3 |
–61,3 + 87 log (10,6/f) |
Основным отличием данных масок от используемых FCC является ограничение спектральной плотности мощности до уровня –75 дБм/МГц на частотах ниже 960 МГц. Такая модификация обусловлена необходимостью защиты многочисленных европейских систем радиосвязи, центральные частоты которых находятся ниже 1 ГГц.
Анализ приведенных данных показывает, что в области более низких частот спад затухания спектральных масок, предлагаемых проектной группы СЕРТ SE 24, соответствует требованиям FCC на частотах 3,1 и 1,66 ГГц с ограничениями плотности излучаемой мощности –51,3 дБм/МГц и –75 дБм/МГц соответственно. В области более высоких частот предлагаемые спектральные маски соответствуют требованиям FCC на частотах 10,6 ГГц с ограничением плотности излучаемой мощности –51,3 дБм/МГц. Наклон спада на более высоких частотах представляет собой зеркальное отражение наклона на более низких частотах.
Исследования Международного союза электросвязи
В связи с высоким интересом, предъявляемым к устройствам СШТ в США и Европе, в июле 2002 года на собрании Исследовательской комиссии 1 МСЭ-R было принято решение о создании Целевой группы 1/8, в рамках которой предусматривается проведение работ по следующим направлениям:
- характеристики устройств СШТ;
- совместимость между устройствами СШТ и службами радиосвязи;
- регламентные вопросы;
- методы измерений.
Для оценки совместимости устройств СШТ и служб радиосвязи предлагается использование критериев защиты, разработанных в соответствующих Рекомендациях МСЭ-R (таблица 4).
Таблица 4
Рекомендации МСЭ-R, определяющие критерии защиты служб радиосвязи.
|
Служба радиосвязи |
Рекомендация МСЭ-R |
|
|
Спутниковая служба исследования земли |
SA.1028 Критерии функционирования для систем спутникового пассивного дистанционного зондирования |
|
SA.1029 Критерии помех для систем спутникового дистанционного зондирования. |
|||
|
Радиоастрономическая служба |
RA.769 Критерии защиты, используемые для радиоастрономических измерений |
|
RA.1513 Уровни потерь данных в радиоастрономических наблюдениях и критерии процента времени, определяемые ухудшением из-за помех для полос частот, распределенных радиоастрономии на первичной основе |
|||
|
Фиксированная служба |
F.758 Принципы разработки критериев совместного использования частот наземной фиксированной службой и другими службами |
|
F.1094 Максимально допустимые ухудшения показателей качества по ошибкам и готовности цифровых радиорелейных систем, вызываемые помехами от излучений, создаваемых другими источниками |
|||
F.1397 Показатели качества по ошибкам для реальных цифровых радиолиний, используемых в международном участке гипотетического эталонного тракта длиной 27 500 км, работающих на основной и более высокой скорости |
|||
F.1491 Показатели качества по ошибкам для реальных радиолиний, используемых на национальном участке гипотетического эталонного цифрового тракта длиной 27 500 км, работающих на основной и более высокой скоростях |
|||
|
Подвижная служба |
М.441 Отношения сигнал/помехи и минимальные напряженности поля, требуемые в воздушной подвижной службе выше 30 МГц
|
|
М.1032 Технические и рабочие характеристики сухопутных подвижных систем, использующих методы многоканального доступа без центрального блока управления
|
|||
М.1033 Технические и рабочие характеристики беспроводных телефонов и беспроводных систем электросвязи
|
|||
М.1073 Цифровые системы сухопутной подвижной сотовой электросвязи
|
|||
М.1184 Технические характеристики подвижных спутниковых систем в диапазоне 1-3 ГГц, необходимые при разработке критериев совмещения подвижной спутниковой службы и других, использующих общие частоты
|
|||
|
Подвижная спутниковая служба |
М.1480 Необходимые технические потребности подвижных земных станций систем ГСО ПСС, в которых реализуются решения по Меморандуму GMPCS в участках диапазона 1-3 ГГц
|
|
М.1462 Характеристики и критерии защиты радиолокаторов, работающих в радиолокационной службе в диапазоне частот 420-450 МГц
|
|||
|
Служба радиоопределения |
М.1463 Характеристики и критерии защиты радиолокаторов, работающих в службе радиоопределения в диапазоне 1215-1400 МГц
|
|
М.1464 Характеристики и критерии защиты радионавигационных и метеорологических радиолокаторов, работающих в диапазоне 2700-2900 МГц
|
|||
М.1465 Характеристики и критерии защиты радиолокаторов, работающих в службе радиоопределения в диапазоне частот 3100-3700 МГц
|
|||
М.1466 Характеристики и критерии защиты радиолокаторов, работающих в радионавигационной службе в диапазоне частот 31,8-33,4 ГГц
|
В соответствии с указанными рекомендациями сформированы следующие ограничения на допустимые уровни помех.
Спутниковая служба исследования земли
Допустимый уровень помехи в полосах частот, распределенных спутниковой службе исследования земли для систем спутникового пассивного дистанционного зондирования, приведен в таблице 5. Указанные значения не должны превышаться более чем в 5% времени работы систем спутникового пассивного дистанционного зондирования при случайном характере помехи и 1% при систематическом характере.
Таблица 5
Максимальный уровень помехи для систем спутникового дистанционного зондирования
Частота, ГГц |
Допустимый уровень помехи, |
Ширина полосы частот помехи, |
около 1.4 |
–171 |
27 |
около 3.7 |
–174 |
10 |
около 4 |
–161 |
100 |
около 6 |
–164 |
100 |
около 11 |
–163 |
20 |
около 15 |
–166 |
50 |
около 18 |
–155 |
100 |
около 21 |
–163 |
100 |
22.235 |
–160 |
100 |
около 24 |
–163 |
100 |
около 31 |
–163 |
100 |
В соответствии с Рекомендациями МСЭ-R, для активной спутниковой службы исследования Земли, работающей в полосе частот 5250 – 5460 МГц, допустимый уровень помехи составляет –88 дБм в полосе 210 МГц или –111 дБм/МГц.
Радиоастрономическая служба
Допустимые значения уровня помех для радиоастрономической приемной аппаратуры от наземных источников приведены в таблице 6. Данные уровни применимы к наземным источникам мешающих сигналов и справедливы для преднамеренных и нежелательных излучений. Допустимые значения плотности потока мощности и спектральной плотности потока мощности, приведенные в таблице 6, основаны на уровне боковых лепестков в 0 дБи и должны рассматриваться как общий критерий помех для радиоастрономических наблюдений высокой чувствительности, когда помехи не действуют на ближние боковые лепестки.
Таблица 6
Допустимые значения пороговых уровней помех для радиоастрономической приемной аппаратуры
Полоса частот |
Плотность потока мощности, |
Спектральная плотность потока мощности, |
13.36-13.41 МГц |
–201 |
–248 |
25.55-26.70 МГц |
–199 |
–249 |
73.0-74.6 МГц |
–196 |
–258 |
150.05-153.0 МГц |
–194 |
–259 |
322.0-328.6 МГц |
–204 |
–258 |
406.1-410.0 МГц |
–189 |
–255 |
608-614 МГц |
–185 |
–253 |
1 400-1 427 МГц |
–196 |
–255 |
1 610.6-1 613.8 МГц |
–194 |
–238 |
1 660-1 670 МГц |
–194 |
–251 |
2 690-2 700 МГц |
–177 |
–247 |
4 990-5 000 МГц |
–171 |
–241 |
10.6-10.7 ГГц |
–160 |
–240 |
15.35-15.4 МГц |
–156 |
–233 |
22.1-22.5 ГГц |
–162 |
–233 |
23.6-24.0 ГГц |
–161 |
–233 |
31.3-31.8 ГГц |
–141 |
–228 |
Фиксированная служба
Максимально допустимые значения уровня помех, рекомендуемые МСЭ-R для оценки совместимости РЭС фиксированной связи и устройств СШТ, приведены в таблице 7.
Таблица 7
Максимально допустимый уровень помех для РЭС фиксированной службы
|
Средняя спектральная плотность мощности помехи |
Пиковая мощность помехи |
Базовая станция фиксированного беспроводного радиодоступа |
≤ -159 дБВт/МГц |
≤ -122.5 дБВт/14 МГц |
Базовая станция фиксированного беспроводного радиодоступа |
≤ -159 дБВт/МГц |
≤ -117 дБВт/50 МГц |
Высокоскоростные радиорелейные линии |
≤ -158 дБВт/МГц |
≤ -116 дБВт/50 МГц |
Абонентские станции беспроводного радиодоступа |
|
≤ -104 дБВт/50 МГц |
Подвижная спутниковая служба
В соответствии с Регламентом радиосвязи, использование полосы частот 1544-1545 МГц (линия космос-Земля) ограничивается использованием глобальной системы оповещения о бедствии (Коспас-Сарсат), предназначенной для определения местоположения терпящих бедствие объектов. Допустимый уровень помехи на выходе антенны приемной земной станции, в указанной полосе частот, приведен в таблице 8.
Таблица 8
Допустимая спектральная плотность мощности помехи для земных станций глобальной системы оповещения о бедствии (Коспас-Сарсат)
Класс глобальной системы оповещения о бедствии |
Допустимая спектральная плотность мощности помехи на выходе приемной антенны, дБВт/Гц |
ГСО |
-203,2 |
НГСО |
-223,5 |
Кроме того, в соответствии с примечанием 5.340 Регламента радиосвязи (примечание 177 в национальной ТРЧ), в отдельных полосах частот (таблица 9), распределенных пассивным службам, запрещены любые излучения.
Таблица 9
Полосы частот, запрещенные для излучений
Полоса частот |
1400 - 1427 МГц |
2690 - 2700 МГц |
10,68 - 10,7 ГГц |
15,35 - 15,4 ГГц |
23,6 - 24 ГГц |
31,3 - 31,5 ГГц |
31,5 - 31,8 ГГц |
48,94 - 49,04 ГГц |
50,2 - 50,4 ГГц |
52,6 - 54,25 ГГц |
86 - 92 ГГц |
Учитывая огромное значение указанных диапазонов для научных исследований, в частности, работ по программам исследования атмосферы земли, радиоастрономическим исследованиям, МСЭ-R рекомендует принимать все возможные меры для защиты указанных полос, включая запрет на излучения в указанных полосах или оборудование устройств СШТ режекторными фильтрами.
В ходе изучения совместимости устройств СШТ и других служб радиосвязи, Целевой группой 1/8 были проведены предварительные оценки необходимых защитных расстояний между устройствами СШТ, цифровыми системами сухопутной подвижной связи, системами цифрового телевидения и устройствами малого радиуса действия технологии Bluetooth. Для оценок использовались спектральные маски разработанные FCC и CEPT [4, 5]. Полученные защитные расстояния соответствуют значениям 2-10 м. Указанные значения будут уточняться в ходе в дальнейших исследований.
Кроме того, в ходе проведения исследований возникает целый ряд вопросов, которые требуют корректировки традиционной трактовки регламентных определений и терминов. В частности, для устройств СШТ не определена такая базовая категория Регламента радиосвязи как «служба», не решен вопрос с потребностями в спектре для систем СШТ, нет четкой позиции относительно применимости традиционных определений занимаемой ширины полосы частот, значений внеполосных и побочных излучений применительно к устройствам СШТ.
Таким образом, несмотря на большой объем предварительных исследований проведенных в рамках МСЭ-R, все они носят предварительный характер и требуют уточнения в ходе дальнейших работ.
Выводы
- В основу действующей в настоящее время классификации устройств СШТ положена схема, предложенная Федеральной комиссией связи США, разбивающая все устройства СШТ на три категории: системы связи и измерительные системы, радарные системы на транспортных средствах, системы обнаружения объектов (формирования изображений).
- Для указанных категорий устройств СШТ в рамках FCC и CEPT разработаны соответствующие спектральные маски излучений. При этом маски, предложенные СЕРТ, накладывают более жесткие ограничения на устройства СШТ.
- В рамках работ, проведенных Целевой группой 1/8 МСЭ-R, разработаны критерии защиты служб радиосвязи, и проведены предварительные оценки защитных расстояний для устройств СШТ и цифровых системам сухопутной подвижной сотовой электросвязи, систем цифрового телевидения и устройств малого радиуса действия технологии Bluetooth. Для оценок использовались спектральные маски разработанные FCC и CEPT. Полученные защитные расстояния соответствуют значениям 2-10 м и требуют уточнения в ходе дальнейших исследований.
- Действующие в настоящее время в соответствии с Регламентом радиосвязи понятия и определения не подходят для систем СШТ. В частности, для систем СШТ не определена такая базовая категория Регламента радиосвязи как служба, нет четкой позиции относительно применимости традиционных определений занимаемой ширины полосы частот, значений внеполосных и побочных излучений применительно к сигналам СШТ, что требует проведения дальнейших исследований.
Литература
- UWB First Report and Order, FCC, April.
- FCC Regulations Part 15, Title 47, Vol.1, Sec. 15.501-15.525. – FCC, 2007.
- Protection distances for UWB interference, ITU-R Task Group 1-8, Switzerland, January 2003.
- ECC Report 64. The protection requirements of radiocommunications systems below 10.6 GHz from generic UWB applications, 2005.
- Preliminary compatibility analysis between space scientific services and UWB, ITU-R Task Group 1-8, France, January 2003