Одночастотная сеть

Целью построения одночастотных сетей является обеспечение большого, связного покрытия определённой системы радиосвязи без необходимости применения различных частот. Это повышает эффективность использования спектра и способствует снижению дефицита частот.

Обычно пространственно близкие передающие станции — например, радиовещательные передачи — даже при передаче одного и того же сигнала должны использовать разные частоты. Это связано с тем, что при работе на одной частоте, из-за перекрытия соседних зон покрытия возникает локальное сложение волновых фронтов (интерференция), что приводит к флуктуациям уровня принимаемого сигнала (замирания). В зонах перекрытия наблюдаются как конструктивная, так и деструктивная интерференция (так называемые зоны смешения); в крайнем случае в отдельных точках при деструктивной интерференции может происходить полное подавление сигнала.

В одночастотных сетях влияние интерференции компенсируется с помощью специальных приёмов из теории передачи сообщений. Для построения одночастотной сети необходимо выполнить несколько условий:

1. Фазировка и частота передачи сигнала в downlink должны быть одинаковыми или отличаться не больше чем на несколько герц (так называемая фазовая жёсткость). В первом случае речь идёт о синхронной одночастотной сети, во втором — асинхронной одночастотной сети.
2. Все передатчики должны в канале "вниз" передавать строго один и тот же сигнал — например, полностью идентичную радиопрограмму. Это условие не обязательно для современных цифровых одночастотных сетей, использующих кодовое множественное разделение (CDMA).

В зонах перекрытия в синхронных и асинхронных одночастотных сетях также возникают конструктивная и деструктивная интерференция. В асинхронных сетях место и время возникновения интерференции изменяются примерно с разностью частот передатчиков, возникает биение.

Интерференция всегда селективна по частоте: определённая частота f₁ может быть подавлена интерференцией в определённой точке зоны перекрытия, однако для другой частоты f₂ (f₁ ≠ f₂), излучаемой теми же антеннами, это не так. Такое же подавление возникает и для чётных гармоник (обертонов).

Независимо от применения одночастотной технологии, приёмник может использовать направленную антенну, настроенную на сигнал одного конкретного передатчика.

Для синхронных одночастотных сетей предъявляются строгие требования к синхронизации по частоте и фазе сигнала, излучаемого в downlink. Обычно временная точность составляет менее 10 мкс.^[1][2][3][4] Обычно для выполнения требований синхронизации излучаемого сигнала все принадлежащие провайдеру элементы стационарной инфраструктуры синхронизируются по очень точным источникам времени, например, атомным часам. Синхронизация может осуществляться также через GNSS-приёмник, по радиорелейным каналам или с использованием технологий типа SDH^[5]. Передатчики, соединённые по Ethernet, могут быть синхронизированы с помощью PTP в сочетании с SyncE (Synchronous Ethernet).^[6][7][8] Передатчики туннельных радиосистем, подключённые к головной станции по оптоволоконному кабелю, часто синхронизируются через установленные у портала туннеля GNSS-приёмники.

В большинстве случаев внешний точный сигнал синхронизирует локальный кварцевый генератор. Эта схема синхронизации называется GPSDO^[9]. При отказе GNSS или отдельной сети синхронизации (SDH, SyncE) кварцевый генератор переходит в автономную работу и становится единственным источником частотно-фазовой синхронизации для одного или нескольких передатчиков. Тип используемого генератора — температурно-стабилизированный кварцевый генератор (ТCXO), кварцевый генератор в термостате (OCXO) или рубидиевый генератор — определяется требованиями по времени автономной работы сети без внешней синхронизации. Рубидиевые генераторы обеспечивают более высокую долговременную стабильность и точность, чем обычные кварцевые генераторы.

Аналоговые одночастотные сети основаны на аналоговых методах модуляции.

Системы радиосвязи для пожарной службы и производственной связи с несколькими базовыми станциями часто реализуются как одночастотные сети. Базовой станцией называется стационарный передатчик из инфраструктуры сети.

Выбор рабочей базовой станции обычно осуществляется по принципу Uplink-Voting^[10]. В данной схеме побеждает та базовая станция, которая приняла самый сильный сигнал в канале "вверх" (uplink).

В современной одночастотной сети все базовые станции оборудуются высокоточным устройством синхронизации по частоте и фазе, чтобы сигнал, излучаемый в канале "вниз", был максимально синхронизирован. Приёмник, находящийся в одночастотной сети, получает сигнал сразу от нескольких базовых станций; фаза принятого сигнала зависит от различий во времени распространения из-за разных расстояний от передатчиков до приёмника.

Системы с частотной модуляцией (FM) менее подвержены помехам, чем с амплитудной модуляцией (AM). Поэтому в аналоговой радиосвязи чаще используется FM. Порог FM-модуляции и «FM Capture Effect» повышают устойчивость к помехам по сравнению с амплитудной модуляцией^[11]. Однако дальность радиосвязи ограничивается порогом FM-модуляции.

FM-системы практически не имеют средств противодействия фазово-смещённым сигналам, которые возникают при мульти-путевом приёме и в одночастотных сетях. Для автомобильных радиоприёмников часто применяют несколько антенн для борьбы с мульти-путевым приёмом^[12][13]. Такое решение приводит к пространственной диверсификации, или антенной диверсификации. Однако для портативных радиостанций такая схема обычно неприменима.

С расширением европейской сети радиовещательных станций около 1930 года возник интерес к организации широкого покрытия одновременной передачей одинаковой информации несколькими передатчиками по средним волнам. В связи с этим Люцернский план распределения волн 1933 года впервые установил национальные совместные частоты — так тогда назывались одночастотные сети. В Британии BBC первой в Европе организовала (13 августа 1933 года) вещание двух мощных передатчиков West National и London National на одной частоте 1147 кГц^[14]. В Германии Великогерманское радио до 1942 года организовало следующие одночастотные сети в диапазоне средних волн:^[15]

• Южногерманская сеть (519 кГц; Дорнбирн, Инсбрук, Нюрнберг, Зальцбург)
• Западногерманская сеть (1195 кГц; Франкфурт-на-Майне, Кассель, Кобленц, Трир)
• Силезская сеть (1231 кГц; Гливице, Рейхенбах/Оберлаузитц)
• Остмаркская сеть (1285 кГц; Грац, Клагенфурт, Кётшах, Лиенц, Радентайн, Шпитталь, Филлах)
• Северногерманская сеть (1330 кГц; Бремен, Фленсбург, Ганновер, Магдебург)

Эти сети сохранялись в основном до Копенгагенской конференции по распределению волн 1948 года^[16]. Согласно Копенгагенскому плану 1948 года, с марта 1950 года диапазон средних волн был увеличен до 1602 кГц, появились новые одночастотные сети^[17].

• Английские одночастотные сети (1214, 1457 и 1546 кГц)
• Французская сеть (1403 кГц)
• Международные сети (1484 и 1594 кГц)
• Итальянские (1331, 1448 и 1578 кГц)
• Югославская (1412 кГц)
• Марокканская (1043 кГц)
• Норвежская (1602 кГц)
• Австрийские (1394 и 1475 кГц)
• Португальские (1562 и 1602 кГц)
• Шведская (1562 кГц)
• Швейцарская (1562 кГц)
• Испанские (1538, 1570 и 1586 кГц)
• Чехословацкая (1520 кГц)

Для немецкого радиовещания в оккупационных зонах были выделены ограниченные по мощности одночастотные сети (на каждую частоту — до 70 кВт суммарно):

• Немецкое радио в американской зоне (989 и 1602 кГц)
• Немецкое радио в британской зоне (971 и 1586 кГц)
• Немецкое радио в французской зоне (1196 и 1538 кГц)
• Немецкое радио в советской зоне (1043 и 1546 кГц)

С ноября 1978 года Женевским планом 1975 года в Германии были разрешены новые одночастотные сети^[18].

• DLF-сети (549 и 756 кГц)
• HR-сеть (594 кГц)
• BR-сети (520 и 801 кГц)
• WDR-сеть (702 кГц)
• SDR-сети (711 и 1413 кГц)
• RIAS-сеть (990 кГц)
• AFN-сети (1107, 1143 и 1485 кГц)

С 2009 года приём средневолнового радио в Германии перестал иметь широкое значение, и последние одночастотные сети использовались только для сети AFN. После закрытия последнего средневолнового передатчика в Германии (станция AFN Вильсек, 1107 кГц, 31 октября 2016 года) вещательные частоты в этом диапазоне более не используются в режиме одночастотных сетей. В Австрии и Швейцарии подобное вещание прекратилось ещё раньше.

В Германии существуют несколько FM-одночастотных сетей для радиовещания в районе Франкфурт — Висбаден. Одна из них объединяет два передающих пункта Радио BOB во Франкфурте и Висбадене на частоте 101,4 МГц и управляется компанией Uplink Network^[19]. Также радио Antenne Frankfurt 95.1 вещает через одночастотную сеть на частоте 95,1 МГц с пунктов во Франкфурте (Европатурм) и Висбадене (K.-Adenauer-Ring). Вещание Planet Radio в Касселе и Эшвеге также осуществляется как одночастотная сеть на частоте 104,6 МГц^[20].

Цифровые одночастотные сети основаны на цифровых методах модуляции.

К известным цифровым одночастотным сетям относятся: DAB+, DVB-T, DVB-T2, UMTS, Galileo, GPS.

В отдельных случаях DAB+ по экономическим соображениям не реализуется как одночастотная сеть. Например: Digris в Швейцарии. См. также: Список DAB-передатчиков в Швейцарии

Одночастотные сети иногда используются для транкинговой связи, наиболее известны решения Polycom (Tetrapol), P25 и NXDN.^[21] В Tetrapol не реализовано хандовер между сотами, поэтому эта технология часто применяется в густонаселённых регионах именно как одночастотная сеть.

В современных цифровых одночастотных сетях все принадлежащие провайдеру элементы инфраструктуры имеют устройства высокой точности синхронизации по частоте и фазе, что делает излучаемый сигнал в канале "вниз" максимально синхронным. Приёмник, находящийся в одночастотной сети, принимает сигнал сразу от нескольких передатчиков; разность фаз вызвана различными задержками распространения, обусловленными разными расстояниями между передатчиком и приёмником. Штатные защитные интервалы предназначены, в том числе, для компенсации разниц в задержке из-за мульти-путевого приёма.

Размер цифровых одночастотных сетей ограничивается защитным интервалом, предусмотренным в конкретной системе радиосвязи. Соответственно, чем он длиннее, тем большая допустима разница во времени прихода сигнала между передатчиком и приёмником, а значит, и тем шире охват сети.

Влияние одночастотных сетей на приём такой же, как и у многолучевого распространения. Если оборудование устойчиво к мульти-путевому приёму, оно обычно обеспечивает безошибочный приём в одночастотных сетях. Современные цифровые методы передачи либо иммунизируют против мульти-путевого приёма, например COFDM, использующий частотную диверсификацию (применяется в DAB+ и DVB-T), либо могут даже использовать его конструктивно с помощью RAKE-приёмников (используются в UMTS). Методы расширения спектра также повышают устойчивость к подобным помехам; в UMTS применяется CDMA в downlink.

Благодаря синхронному CDMA, передатчики одночастотной сети могут излучать разные сигналы (разную информацию) в канале "вниз" без взаимных помех; специальная кодировка позволяет приёмнику разделить и обнаружить сигналы от разных передатчиков. Синхронный CDMA используется в UMTS, GPS и Galileo.