Электромагнитный шум — препятствие для интернета вещей?

Немало копий сейчас ломается относительно возможных способов реализации интернета вещей. Да и сама реализуемость вызывает немало вопросов и споров. Однако, судя по усилиям производителей, интернету вещей скорее быть, чем не быть. Но тут возникает ещё одна проблема технического свойства: интернет вещей априори представляет собой распределённую беспроводную сеть, на которую сильное и непредсказуемое влияние может оказывать электромагнитное загрязнение, создаваемое бесчисленными приборами и проводами.

Урбанистическая среда обитания переполнена источниками электромагнитных волн. Приборы, гаджеты, даже провода имеют собственные электромагнитные поля, параметры которых зависят от режимов работы устройств и уровня нагрузки. Накладываясь друг на друга, они создают в наших жилищах и на улицах непредсказуемую радиомагнитную какофонию.

Мощные трансформаторы, линии электропередач, сети контактных проводов общественного транспорта способны создавать сильные помехи в наших радиоприёмниках и телевизорах, ухудшать качество мобильной связи. Бывает, что даже включение какого-то бытового прибора приводит к возникновению помех на экране телевизора.

В окружающей нас технике можно найти реле, разъёмы и электромоторы, которые создают электромагнитный шум. Даже моторы автомобилей вносят свою лепту в создание постоянного электромагнитного фона в городах. Процессоры и дисплеи многочисленных гаджетов излучают слабые волны. Высоковольтный «балласт» неоновых вывесок «фонит» в широком диапазоне спектра. Станки и устройства, использующиеся на производстве, лифты, сварочные аппараты, реле, генераторы, даже простые выключатели света — всё это создаёт «живую», пульсирующую среду из волн всевозможных частот.

Проблемы, связанные с электромагнитным загрязнением, можно разделить на четыре категории:

• Рост стоимости развёртывания беспроводных систем, а также уменьшение продолжительности работы мобильных устройств.
• Многочисленные помехи в различных диапазонах спектра.
• Уровень электромагнитного загрязнения практически не регулируется законодательно. Чем больше зашумлён спектр, тем шире нужна пропускания, чтобы передавать заявленный объём данных в единицу времени. Поэтому многие беспроводные устройства на деле не обеспечивают заявленных скоростей.
• Поиск источников электромагнитного загрязнения — дорогое удовольствие. А устранять его причины крайне сложно.

Интернет вещей сделает ситуацию ещё хуже. Гораздо хуже. Появится бесчисленное количество устройств, подключающихся к интернету по беспроводному соединению: дверные замки, осветительные приборы, выключатели, бытовая техника, наши автомобили и, быть может, даже наши тела. Каждое из таких устройств — потенциальный источник электромагнитного загрязнения. Технически, существует большое количество способов решения этой проблемы, но это подразумевает усложнение конструкций устройств и их удорожание.

По России информацию найти не удалось, а в США фундаментальное исследования электромагнитного загрязнения последний раз проводилось в 1970-х годах, когда Институт телекоммуникационных дисциплин (Institute for Telecommunication Sciences, ITS) опубликовал масштабное исследование радиоспектра США.

Только в 1927 году, с изобретением метода подавления радиоволн, стало возможным прослушивание радио в машине одновременно с работающим двигателем. К концу 1930-х годов 20% всех автомобилей в США обладали встроенными радиосистемами.

В рамках исследования в ITS в 60-70х гг. были проведены масштабные измерения излучений, испускаемых автотранспортом. Обнаружилось, что во многих моделях подавление шума было настолько несовершенным, что электромагнитный шум регистрировался за несколько кварталов от его источника.

Сегодня радио есть в каждой машине, а проблема с помехами давно решена. В 1960-х годах появились более «тихие» генераторы переменного тока, позже инжекторы заменили карбюраторы. Электронные переключатели заменили «шумные» реле. Так что мы без проблем пользуемся смартфонами и радио, сидя в салоне.

Аналогичные процессы затронули наши жилища и рабочие места. Простая лампа накаливания, которая раньше производила большое количество электромагнитного шума, сегодня стала гораздо «тише». Модули беспроводной связи в гаджетах тоже со временем становились совершеннее.

Тем не менее, проблема электромагнитного шума становится всё более значимой. Несмотря на то, что большинство устройств стали создавать меньше шумов, само количество техники выросло в разы.

Современные гаджеты особенно чувствительны к электромагнитному загрязнению. Мобильные устройства должны работать с минимальным потреблением энергии при максимальном сохранении функциональности. А это означает, что даже небольшой уровень шумов может ощутимо сказаться на качестве связи.

Нежелательное излучение может быть намеренно заложено в конструкцию самого устройства. Например, в микроволновке СВЧ волны не только разогревают пищу, но и излучаются в окружающее пространство, существенно повышая уровень электромагнитного загрязнения. Шум может возникать из-за частичной неисправности устройства, например, в результате микроповреждений заземляющего экрана в изоляции высоковольтной системе.

Подобные неполадки приводят к самопроизвольным всплескам излучения, внезапно, с непредсказуемыми частотами и в неизвестных местах. На графике отражены некоторые паттерны электромагнитного загрязнения ^[1], характерные для разных городских локаций:

Обратная зависимость уровня шума от частоты связана с тем, что импульсные источники питания шумят тем сильнее, чем ниже частота.

Взять, например, излучение линии передач из-за поврежденной изоляции. В США, где частота сети составляет 60 Гц, электромагнитный шум будет возникать либо с частотой 60 Гц (каждые 16,7 мс), либо 120 Гц (каждые 8,3 мс). Это связано с тем, что «шумовой» импульс возникает при максимальном отрицательном или положительном напряжении (60 Гц) или при каждом из них (120 Гц). Это даёт основание утверждать, что шум создаёт либо линия передач, либо устройство, подключенное к ней. Самая частая причина электромагнитного шума ниже 1 ГГц — сама электросеть.

Другой пример источника шума с характерным «рисунком» — микроволновые печи. Бытовые микроволновки могут испускать шум с частой 2,4 ГГц. Эту часть спектра активно используют всевозможные маломощные устройства: приёмники беспроводных «мышей», беспроводные стационарные телефоны и Wi-Fi. Многие другие электроприборы, включая зарядки для смартфонов, планшетов и ноутбуков, имеют импульсные источники питания, создающие шумы в сотни килогерц в гармониках частоты переключения питания.

Давайте предположим, что электромагнитный шум ухудшает прием сигнала смартфоном. Как узнать, что является причиной? Без специальных приборов — никак. Вы просто спишете это на что угодно, даже на плохого провайдера, но только не на электромагнитное загрязнение в данном месте.

Обычно не получается предсказать, как будут работать в случае дефекта или поломки современные радиопередатчики с их экзотичными схемами цифровой модуляции. Зато более старые системы куда предсказуемее. К тому же системы автоматической коррекции ошибок могут сделать влияние помех совершенно незаметным для пользователя. По сути, единственным признаком наличия помех сегодня может быть более быстрый разряд аккумулятора вашего смартфона.

Чтобы начать решать проблему, необходимо собрать огромный массив статистических данных. Мы должны определить, где электромагнитный шум возникает чаще всего, на каких частотах, что является источником. Нужны примеры из разных регионов с обязательным указанием, что за оборудование было использовано для замеров, какие были погодные условия, ландшафт, удалённость от зданий и многое другое.

Если бы существовала подобная релевантная база данных по разным странам, то, теоретически, можно было бы пересмотреть многие стандарты, существующие в ряде индустрий. Но это, как вы понимаете, связано с большими расходами для множества компаний. К тому же весьма непросто будет нащупать баланс между стоимостью и эффективностью подобных перемен.

Определённо, надо пересмотреть и подход государственных регуляторов в этой области. Сегодня нас заботит лишь влияние излучения всевозможных радиопередатчиков, в том числе мобильных телефонов и инфраструктуры мобильных операторов. А электромагнитный шум всеми игнорируется, хотя он, потенциально, может быть куда вреднее.

Государственные регуляторы должны решить этот вопрос. По крайней мере, с точки зрения ухудшения качества связи при возрастании нагрузки на одну и ту же часть спектра частот. Мы уже во многом зависим от беспроводных систем связи, и в будущем эта зависимость будет крепнуть и расширяться. Поэтому инженерам придётся создавать новые устройства исходя из условий высокого электромагнитного загрязнения.

Проблема будет только усугубляться с появлением всё большего числа устройств, которые используют всё больше частот спектра. Не существует пока универсальных технологий или уловок для подавления электромагнитных шумов. Ведь причин его возникновения может быть множество. Вполне возможно, что именно из-за электромагнитного загрязнения многие пользователи интернета вещей разочаруются в этой технологии, создав первым продуктам незаслуженно плохую репутацию.

Автор: ASUS Russia

Источник ^[2]