Klávesové zkratky na tomto webu - základní
Přeskočit hlavičku portálu


Frekvenční skoky

aktualizováno 
Úspora kapacity a zvýšení kvality, to jsou věčné problémy telekomunikačních operátorů. V případě sítí mobilních telefonů se jedno z řešení skrývá pod názvem "frekvenční skoky" a ve svých sítích je již zavedl EuroTel i RadioMobil. Koho zajímá fungování sítě, nemůže tenhle článek přeskočit!
Frekvenční skoky

Frekvenční skoky dnes představují jednu z poměrně progresivních možností zlepšení průchodnosti sítě GSM, a tím i jednu z cest ke zvýšení kapacity této sítě. Stejně jako mnoho jiných obecně prospěšných vynálezů má i tento na svědomí rozvoj válečnictví. Frekvenční skoky, anglicky frequency hopping (FH), totiž původně sloužily pro lepší utajení vysílaných informaci. Princip objevu spočíval v jednoduchém zjištění, že přijímač, naladěný na konkrétní vlnovou délku, není schopen přijímat vysílání probíhající byť jen o pár stupňů dál. Již ve čtyřicá tých letech našeho století to byla vcelku známá skutečnost, leč obecně nevyužitelná, protože jen málokdo byl schopen zajistit, aby vysílaný signál skákal mezi frekvencemi a určený přijímač jej byl přitom schopen přijmout.

Princip FH byl původně patentován pro dálkové rádiové řízení torpéd (USA, 1941 ), která byla před případným rušením chráněna právě skokovými změnami kmitočtu řídicího kanálu. Frekvenční skok jako ochrana rádiového vysílání před odposloucháváním byl v USA patentován již v roce 1943 a o dva roky později bylo, také ve Spojených státech, prakticky vyzkoušeno radiodálnopisné spojení v podmínkách kmitočtového skákáni (FH). Kvůli počátečním problémům se synchronizací vysílače a přijímače se stal prvním běžně používaným zařízením, využívajícím frekvenční skoky, německý radar "Reisslaus", zaváděný na konci druhé světové války jako zařízení schopné čelit radarovým rušičkám Spojenců. Umožňoval to prostý fakt, že radar má vysílač i přijímač na stejném místě, a jejich synchronizace byla proto poměrně jednoduchá. Dalším známým výrobkem pracujícím s FH je americká krátkovlnná stanice "Blades", uvedená do provozu v roce 1963 (spojení pro vlajkovou loďí USS McKinley). Do šedesátých let Západ i Východ utajovaly většinu informací o FH. Avšak ani po určitém zmírnění informačního embarga ze strany Západu nedošlo k prudkému rozmachu této technologie. Její expanzi umožnil až rozvoj polovodičů, dovolující snadnější a také lacinější realizaci FH systémů. Ve větším počtu se radiostanice s FH dostaly do praktického nasazení až v osmdesátých letech (Jaguar-V od britské firmy Racal-Tacticom).

V současností se s frekvenčními skoky můžeme setkat především ve dvou oblastech - ve vojenství a v sítích GSM. Vojáci FH stále používají kvůli lepšímu zabezpečení provozu. Konkrétně u taktických rádiových stanic, radioreléových stanic, KV stanic, ale také u ústředen s rádiovými přípojkami i u strategických rádiových systémů. Například taktické stanice pracující v pásmu 30 - 88 MHz skáčou s intenzitou 100 až 300 skoků za vteřinu. Jejich výrobci tvrdí, že tyto stanice jsou schopny přenášet řeč i při rušení 30 - 50 % pásma.

(Nynější světově masové nasazování vojenských rádiových stanic s FH a blížící se nutnost výměny klasických rádiových stanic naší armády by mohlo být dobrou inspirací pro některé tuzemské podniky...)

FH a GSM Filozofie aplikace frekvenčních skoků v sítích GSM je při využití stejného principu odlišná. Jde tedy stále o systematické měnění frekvence používané pro přenos v pravidelných intervalech. Účelem však není zkomplikovat odposlech (GSM to řeší jinak, viz Mobil 7/98), ale zejména eliminovat dva negativní jevy provozu sítí GSM:

  • - vícecestný únik signálu - tím, že signál přeskakuje mezi jednotlivými frekvencemi, stává se odolnějším proti trvalému mizení, což samozřejmě zlepšuje kvalitu spojení. Zvýšení kvality je patrné zejména u pomalu se pohybujících mobilních telefonů. Odborně je tento jev označován jako frekvenční různorodost (Frequency Diversity - FD).
  • - interference (rušení - samozřejmě ne záměrné, jako je tomu u vojáků) - FH zde brání stálému rušení, které může přicházet ze sousedních buněk sítě, vysílajících na sousedících frekvencích. Díky skokům je signál rušen nestejnoměrně, což opět přispívá ke zvýšeni kvality přenosu. Výsledný efekt se nazývá průměrování interferencí (Interference Averaging - IA).

Jak vyplývá již ze samé podstaty systému GSM, metoda skoků nijak nenarušuje probíhající přenos dat (řeč je v GSM převedena do digitální podoby), protože využívá paketový princip přenosu v GSM pro snadné rozděleni dat do dávek určených pro jednotlivé frekvence. Nasazení FH pro dosažení FD a IA je z hlediska infrastruktury sítě možné dvojím způsobem. První se nazývá přeskakování v základním pásmu (Base Band Frequency Hopping - BBFH) a druhý syntetizátorové přeskakování frekvencí (Synthesiser Frequency Hopping). Podstata fungování obou způsobů se liší pouze v technice, jakou je navazováno spojení ze základnové stanice k mobilní stanici (tzv. downlink), u ní je pak tento rozdíl zcela irelevantní. Přes minimální odlišnost obou technologií je poměrně velký rozdíl v přínosu každé z nich.

Frequency Diversity (FD)
Podstatu FD můžeme nejsnáze přirovnat např. k rozložení portfolia cenných papírů tak, aby se omezilo riziko ztráty. Pokud totiž máte nakoupeny akcie pouze jednoho podniku, při jejich propadu utrpíte velkou ztrátu, kterou nemáte čím nahradit. V případě, že vlastníte akcie různých společností, je riziko okamžité velké ztráty již podstatně menší. Přesně to samé se vlastně děje pří uplatnění principu frekvenční různorodosti. V běžném přenosu na jedné frekvenci podstupujete velké riziko (stejně jako u akcií jedné společnosti), že díky vícecestnému úniku signálu, tzv. Rayleighovu úniku, dojde ke snížení kvality přijatého signálu. Vinou úniku signálu dochází totiž ke zborcení některých částí (paketů) přenášených informací. Nejlépe srozumitelné jsou předchozí řádky po prohlédnutí obrázku č. 1.

normální ruený průběh signálu

Pro mnohé z uživatelů bude paradoxní, že proti Rayleighovu úniku jsou lépe chráněny rychle se pohybující mobilní telefony (např. v automobilu), protože míra rušení signálu je závislá i na okamžité pozici mobilního telefonu. Díky rychlému pohybu se doba po bytu v možných zónách rušení zkracuje na minimum, což samozřejmě omezuje negativní vlivy. Nepohybující se telefon je oproti tomu daleko více vystaven případnému rušivému vlivu, což může vést k velmi špatné kvalitě hovoru nebo až k jeho přerušení.

FD čelí rušení tím, že jednotlivé pakety digitálního přenosu hovoru pseudonáhodně rozmístí na několika frekvencích (samozřejmě v rámci pásma 900 MHz). Protože rušivý vliv se týká zpravidla jen jedné frekvence, omezuje se tím jeho negativní vliv na minimum (podobně jako u rozloženého portfolia cenných papírů), což si můžete prohlédnout na obrázku 2. Na něm je jasně patrné, že rušivý vliv nemůže poškodit tolik paketů přenosu, aby znemožnil srozumitelnost hovoru.

skoky mezi dvěma frekvencemi

Interference Averaging (IA)
Druhým pozitivním účinkem FH je "průměrování interferencí" (IA). I v tomto případě se jedná o jev podobný jako při rozložení portfolia cenných papírů, a jak již název napovídá, jde o zprůměrování všech intenzit rušení signálu. Pokud bychom používali přenos signálu bez FH, budou některé provedené hovory mít vynikajíct kvalitu, některé průměrnou a některé budou takříkajíc mizerné, případně se vůbec nepodaří navázat spojeni. IA má za úkol naprosto minimalizovat množství neuskutečněných a neslyšitelných hovorů, byť za cenu možného snížení procenta špičkově kvalitních hovorů. Pseudonáhodné skákání paketů (digitalizovaných částí hovoru) mezi frekvencemi následně zvyšuje průměrnou kvalitu uskutečněných hovorů. Všechny hovory budou při aplikaci FH sice trpět určitým kontrolovaným rušením, ale jen ve velmi krátkých časových úsecích a navíc maximálně vzdálených. Oficiálně např. Motorola popisuje výsledný stav takto: "...interferenční průměrování opět představuje rozprostření prvotních bitových chyb (bitové chyby způsobené vzájemným rušením) tak, aby bylo dosaženo jejich náhodné distribuce namísto chybových dávek, a tím zvýšení účinnosti procesů dekódováni a zpětného prolínání...". Jsem přesvědčen, že další popis IA je pro potřeby tohoto článku zbytečný, a proto vás raději upozorňuji na obrázky 3 a 4, které velmi srozumitelně osvětlují podstatu průměrování.

záznam rueného hovoru

záznam rueného hovoru s FH

I kapacita
Nejen kvalitou je mobil živ, a proto se FH netýká jenom kvality signálu, ale také kapacity sítě. Obrázek 5 by vám měl přiblížit, jak se v síti GSM odrazí aplikace FH. Graf A ukazuje stav v síti, která nepoužívá frekvenční skoky. Žlutý sloupec představuje kvalitu signálu a modrý kapacitu sítě. V tomto případě jsou obě hodnoty v rovnováze, ale jejich úroveň není příliš vysoká. Na grafu B je vidět velkou změnu v kvalitě, která nastala v síti po zavedeni FH. Kapacita v tomto případě zůstává stejná, protože provozovatel nemusel pokračovat v dalším zlepšování a zahušťování infrastruktury sítě. Graf C představuje případ, kdy frekvenční skoky slouží ke zvýšení kapacity sítě, ale ze stejného důvodu jako v případě "B" zůstává na původní úrovni kvalita. Teprve graf D předvádí optimalizované využití FH v síti GSM. Případy "B" i "C" se však mohou oprávněně vyskytnout v různých fázích výstavby sítě GSM.

poměr kvalita/kapacita

Pro dokreslení se můžeme podívat ještě na další oficiální definici: "Při stejné kapacitě poskytuje přeskakování frekvencí vyšší kvalitu a při dané průměrné kvalitě umožňuje zvýšeni kapacity."

Provoz
Pro komplexní objasnění výhod aplikace frekvenčních skoků si nynímusíme přiblížit i způsob, jakým může být FH použito. Jak jsme si na začátku článku řekli, existuji dvě možnosti uplatnění FH - přeskakování v základním pásmu, anglicky Base Band Frequency Hopping (BBFH) a syntetizátorové přeskakování frekvencí, Synthesiser Frequency Hopping (SFH). V obou případech se rychlost frekvenčních skoků měří v mikrosekundách a zahrnuje, podle specifikací GSM, až 64 frekvencí.

Nosná vlna (nosná) provádějící BBFH může přeskakovat pouze přes tolik frekvencí kolika nosnými disponuje konkrétní buňka. Je proto nutné, aby buňky pro BBFH byly vybaveny takovým množstvím nosných, které umožní skákání využít. Minimální počet nosných má být tři, což poněkud snižuje účinnost tohoto systému u malých buněk.

V případě SFH není rozhodující počet nosných v burňce, ale je nutné, aby u skákacích frekvencí byl nasazen minimálně dvojnásobný počet frekvencí oproti nosným.

Podle některých pramenů může aplikace frekvenčních skoků přinést kromě vyšší kvality přenosů a větší kapacity sítě i podstatné úspory. Při využití systému BBFH tato úspora může dosáhnout cca 25 % a v případě SFH dokonce až cca 50 % oproti nákladům potřebným na síť budovanou klasickým způsobem.

Článek byl otištěn časopise Mobil 1/99.



Témata: Radar


Nejčtenější

Alcatel Pop 4 (6)
Smartphonový Obr XXL za rozumné peníze. Test Alcatel Pop 4 (6)

Značka Alcatel dodává na trh celou řadu cenově atraktivních smartphonů, které přitom nesahají ke zbytečným kompromisům. Na první pohled je takovým přístrojem i...  celý článek

LG V30
LG začalo určovat trendy. Ukazuje, jak má vypadat moderní smartphone

Z nenápadného výrobce se stal jeden z určujících producentů chytrých telefonů. Chystaná novinka to zanedlouho potvrdí.  celý článek

Sony Xperia XZ1
Klasika bez výstředností a se skvělou výbavou. Nové top Sony se blíží

Sony si drží svůj styl a zavádění nových designových prvků nechává jiným. Proto i chystaná Xperia XZ1 bude konzervativně vypadající smartphone, ovšem se...  celý článek

Tchajwanský průmyslový designér Chris Wu navrhl koncept chytrých hodinek s...
Tyto chytré hodinky jsou opravdu inovativní. Mají otočný displej

Chytré hodinky s operačním systémem jsou poměrně mladou záležitostí, na trhu se objevily poprvé před čtyřmi roky. Doposud se ovšem mezi uživatele nerozšířily...  celý článek

TP-Link Neffos X1 Max
Vyrábí hlavně routery, teď se vrhli na smartphony. A docela jim to jde

Při pohledu na značku TP-Link si mnoho z nás vzpomene na logo na domácím routeru, ovšem asi málokdo si ji spojí se smartphonem. To se však může brzy změnit,...  celý článek

Další z rubriky

(Ilustrační snímek)
Operátora O2 zlobil mobilní internet. Zpomaloval se a vypadával

Na problémy s mobilním internetovým připojením upozorňovali uživatelé operátora na jeho facebookových stránkách. Připojení bylo několik hodin nestabilní,...  celý článek

Ilustrační snímek
O2 zrychluje datové přenosy. V Praze je prý nejrychlejším operátorem

Výstavba nových vysílačů, navýšení kapacity sítě i využívání více kapacitních vrstev najednou umožnilo společnosti O2 docílit vyšší průměrné rychlosti 4G LTE....  celý článek

T-Mobile láká na jedinečné tarify na míru
T-Mobile sliboval tarify na míru. Věrným zákazníkům ale nic extra nedal

„Prodloužením smlouvy ušetříte,“ hlásá banner na webu T-Mobilu pod přehledem aktuálně nabízených tarifů. Láká jím na jedinečné tarify na míru, které si prý...  celý článek

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.