5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Autor: Igor Michalski, Zakład Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności - PIB we Wrocławiu

Spróbujmy uważnemu czytelnikowi wytłumaczyć szczegółowo sens przytoczonego artykułu. Aby zrozumieć, dlaczego mówimy o wyższej energii należy cofnąć się do podstaw współczesnej nauki.

W 1900 roku Max Planck podczas swojego wystąpienia przedstawił teorię, która zrewolucjonizowała fizykę. Odkrył, że fala elektromagnetyczna (np. fala radiowa, światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie) promieniowana jest w sposób nieciągły, w postaci ściśle określonych porcje energii. Porcje te nazywamy kwantami (lub w stosunku do światła widzialnego najczęściej używamy pojęcia fotonu). Energia pojedynczego kwantu opisywana jest niezwykle prostym równaniem E=hf, gdzie h to stała Plancka, natomiast f to częstotliwość fali elektromagnetycznej. Widać stąd, że energia kwantu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości fali. Promieniowanie o częstotliwościach rzędu 100, 300 czy 1000 GHz nie jest w stanie uszkodzić wiązań chemicznych, a tym samym nie jest w stanie uszkodzić DNA komórek i doprowadzić do mutacji. Takie promieniowanie nazywamy niejonizującym. Zaliczamy do niego m.in. fale radiowe oraz światło widzialne. Na poniższym rysunku  można też z łatwością zauważyć, że światło widzialne ma ponad 10.000 razy wyższą częstotliwość niż fala, którą emituje domowa mikrofalówka i tym samym energia kwantu światła widzialnego jest ponad 10.000 razy wyższa, niż energia kwantu fali elektromagnetycznej emitowanej przez mikrofalówkę.

Pojawia się w takim razie pytanie – dlaczego mikrofalówka może w kilkadziesiąt sekund podgrzać jedzenie, a  światło widzialne (nie zaliczamy do niego ultrafioletu) jest bezpieczne? Każdy kwant energii dostarczony do cząstek naszego ciała wprawia je w drgania. Im więcej kwantów dostarczymy, tym szybciej cząstki drgają, poruszają się i zderzają o siebie, a zarazem obserwujemy wyższą temperaturę obiektu. Tym samym dochodzimy do rozwiązania pierwszej zagadki – w przypadku promieniowania niejonizującego to nie energia kwantu (rosnąca wraz z częstotliwością fali) jest problemem, a ilość kwantów docierających jednocześnie do naszego organizmu, które mogą podgrzewać tkanki. Poniżej wartości granicznej organizm ludzki traktuje ogrzewanie w wyniku docierania fali elektromagnetycznej jak zwyczajny wzrost temperatury, który mógłby być spowodowany gorącą kąpielą czy aktywnością fizyczną. Ciepło rozprzestrzenia się po organizmie, zaczynamy się pocić. Przekroczenie wartości granicznej prowadzić jednak może do uszkodzenia tkanek wskutek przegrzania, czyli do poparzeń. Wartości graniczne od wielu lat są badane i weryfikowane są przez Międzynarodową Komisję ds. Ochrony Przed Promieniowaniem Niejonizującym (ICNIRP). To wartości graniczne zaproponowane przez ICNIRP są wykorzystywane w regulacjach wielu państw, w tym w Polsce.

Zanim zamkniemy temat rodzajów promieniowania, to warto zwrócić uwagę na fakt, że promieniowanie jonizujące – w istocie znacznie niebezpieczniejsze – również jest w naszym życiu powszechnie obecne, np. jako promieniowanie kosmiczne lub promieniowanie rentgenowskie. W tym przypadku również kluczowe są wartości graniczne, które określają, ile promieniowania średnio może przyjąć człowiek i nie spowoduje to pogorszenia jego stanu zdrowia.

Wracając jednak do tytułowych "wiązek lasera”. W telekomunikacji lasery powszechnie wykorzystywane są w technice światłowodowej. W naszym przypadku, w sieciach bezprzewodowych, sformułowanie „wiązka lasera” odnosi się do dynamicznie rozwijającej się techniki formowania wiązek w antenie (ang. beamforming). Tutaj ponownie należy wrócić do podstaw, aby zrozumieć skąd wynika potrzeba jej stosowania. Od wielu dekad stosowane są anteny kierunkowe (np. popularne w telewizji naziemnej anteny Yagi) o stałej, najczęściej jednej, głównej wiązce promieniowania. Pozwalają one na nadawanie/odbiór fali radiowej (elektromagnetycznej) w pożądanym kierunku, zamiast we wszystkich kierunkach dookoła. Powszechnie stosowane w sieciach mobilnych, od czasów GSM, anteny sektorowe są również przykładem anten kierunkowych. Stosowanie anten kierunkowych pozwala na efektywniejsze przekazywanie energii z nadajnika do odbiornika, a także ogranicza problemy związane z interferencjami. Klasyczne anteny kierunkowe mają jednak jedną istotną wadę – nie pozwalają na zmianę kierunku promieniowania w inny sposób niż poprzez ich fizyczne przemieszczenie lub obrót. Technika formowania wiązek w antenie wychodzi naprzeciw współczesnym problemom i umożliwia dynamiczne sterowanie wiązką i formowanie wiązki w zależności od potrzeb. Na poniższym rysunku schematycznie przedstawiono porównanie pomiędzy klasyczną anteną sektorową i anteną z formowaniem wiązek.

W pierwszym przypadku wszyscy ludzie znajdujący się w zasięgu komórki (pola  elektromagnetycznego), nawet jeżeli nie są użytkownikami sieci. W przypadku anteny z formowaniem wiązek użytkownicy prowadzący w danej chwili transmisję są przez krótki czas w polu elektromagnetycznym dedykowanej dla nich wiązki (fali radiowej). Ta sama energia transmitowana węższą wiązką pozwala także na zwiększenie zasięgu stacji. Nowoczesne systemy, w których możliwe jest dynamiczne sterowanie mocą nadajnika, mogą dynamicznie zmniejszać moc nadawaną, jeżeli użytkownik znajduje się bliżej stacji bazowej i zwiększać, jeśli znajduje się dalej. Tym samym osiągamy podwójne korzyści – zmniejszamy ekspozycję ludności oraz zwiększamy efektywność energetyczną sieci.

Należy także pamiętać, że natężenie pola elektrycznego pochodzące ze stacji bazowych podlega tym samym limitom i ograniczeniom prawnym, niezależnie od rodzaju stosowanych anten. W Polsce dla każdej nowo uruchomionej stacji obowiązkowe jest przeprowadzenie pomiarów pól elektromagnetycznych dla celów ochrony środowiska. Ponadto prowadzone są wyrywkowe pomiary pól elektromagnetycznych – realizowane m.in. zespół specjalistów z wrocławskiego Zakładu Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności – PIB. Wyniki tych pomiarów dostępne są na stronie internetowej si2pem.gov.pl. Ponadto już dziś dostępny jest specjalistyczny sprzęt pomiarowy pozwalający na wykonywanie pomiaru natężenia pola elektrycznego o częstotliwości 60 GHz. Wraz z wprowadzeniem 5G opracowane zostały także techniki pomiarowe, które uwzględniają pomiar anten z formowaniem wiązki. W większości przypadków będą mogły one zostać przeniesione także na sieci 6G.

Autor artykułu wskazuje również na obawy związane z promieniowaniem pochodzącym bezpośrednio ze smartfona. Dla tego typu urządzeń, które posiadają oznaczenie CE, obowiązkowe jest wykonanie pomiarów SAR (swoistego tempa pochłaniania energii). Pozwalają one na określenie czy dane urządzenie jest bezpieczne dla człowieka i promieniowana przez nie ilość energii nie przekracza bezpiecznych norm.

Na samym końcu przytoczonego artykułu znajdziemy jednak informację nie budzącą wątpliwości – samo wprowadzenie sieci 6G najprawdopodobniej nie czeka nas w obecnej dekadzie. Aby przeczytać jakie możliwości przyniesie sieć kolejnej generacji zapraszamy do poprzednich artykułów: „Sieć 6G – jakich częstotliwości będziemy używać?” oraz „Sieć 6G - co się zmieni wraz z wprowadzeniem nowego standardu?”.

Dla osób chcących zachować nieco większą ostrożność i jednocześnie aktywnie uczestniczyć w rozwoju nowych technologii możemy na zakończenie przedstawić bardzo prostą zależność – dwukrotne zwiększenie odległości od źródła fali elektromagnetycznej spowoduje czterokrotny spadek mocy sygnału odbieranego.