5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Tradycyjne oświetlenie sterowane jest zwykle za pomocą głównego przełącznika, włączającego / wyłączającego jednocześnie cały system lamp. Przełącznik jest uruchamiany albo ręcznie, albo według przyjętego scenariusza czasowego, a w nowszych rozwiązaniach wykorzystuje się do tego czujniki natężenia światła dziennego. Elastyczność takiego systemu sterowania jest niestety bardzo ograniczona. Trzeba się liczyć z koniecznością pilnego usuwania awarii lamp, co staje się zadaniem problematycznym w realizacji z uwagi na brak informacji na temat sprawności działania systemu oświetleniowego.

 

W niewielkim mieście może nie jest to aż tak kłopotliwe, ale gdy należy zarządzać system złożonym z kilkudziesięciu czy nawet kilkuset tysięcy lamp, wówczas przeradza się to w prawdziwe wyzwanie.

Z rozwiązaniem przychodzą nowoczesne systemy oświetlenia ulicznego oparte na technologii LED, zapewniające nie tylko zmniejszenie zużycia energii elektrycznej i optymalizację parametrów świetlnych lamp, ale polepszenie niezawodności i bezawaryjności, co w oczywisty sposób wpływa na zwiększenie bezpieczeństwa uczestników ruchu drogowego.

 

Do sprawnego funkcjonowania inteligentnych rozwiązań sterowania oświetleniem ulicznym wymagany jest zintegrowany system centralnego zarządzania z jednej strony, przy możliwości skomunikowania się z każdą lampą oświetleniową niezależnie – z drugiej strony. To w perspektywie oznacza konieczność integracji istniejącej infrastruktury oświetleniowej z dedykowanymi rozwiązaniami w zakresie radiokomunikacji lub wymianę części tej infrastruktury na nowoczesną, przygotowaną do pracy w sieci radiowej.

Każda lampa oświetleniowa musi zostać wyposażona w specjalny moduł, który przede wszystkim pozwoli na jej zdalne zarządzanie drogą radiową, a do tego może pełnić funkcję sterownika umożliwiającego selektywną kontrolę włączania / wyłączania i ściemniania, co daje możliwość pracy adaptacyjnej. Wybrane lampy można zapalać lub gasić indywidualnie, a inne tylko przyciemnić zależnie od potrzeby. Ponadto sterownik może mierzyć i analizować różne parametry (np. energię czynną pobieraną z sieci, natężenie prądu, napięcie, częstotliwość), co zapewnia ciągłe monitorowanie pracy lampy. Uzyskane informacje, za pośrednictwem interfejsu radiowego, mogą być w czasie rzeczywistym przekazywane np. do centrum dyspozytorskiego i działu technicznego – jeśli wymagane jest usunięcie awarii dane z wbudowanego odbiornika GPS pozwalają ustalić, gdzie znajduje się uszkodzona lampa .

Moduł sterujący lampą oświetleniową to nic innego, jak małych rozmiarów urządzenie elektroniczne, wymagające dołączenia zasilania, wyposażone w przyłącza sterujące pracą lampy i jednocześnie umożliwiające rejestrację parametrów jej pracy. Ponieważ moduł jest urządzeniem radiowym, musi być również wyposażony w antenę, dzięki której można nawiązywać połączenie bezprzewodowe. Podczas, gdy moduł znajduje się wewnątrz obudowy lampy i jest niewidoczny, niewielka antena jest sytuowana zazwyczaj na zewnątrz tej obudowy.

[Źródło]

Jest to zabieg czysto techniczny, ponieważ metalowa obudowa wprowadza niepożądane tłumienie sygnału radiowego. Zewnętrzna antena jest właściwie jedynym widocznym elementem odróżniającym nowoczesną lampę pracującą ze zdalnym sterowaniem od jej klasycznego odpowiednika.

Wymaga się, aby łączność z lampą była dwukierunkowa, a to oznacza konieczność stosowania modułów nadawczo-odbiorczych. Do komunikacji radiowej wykorzystywane są tzw. częstotliwości "Sub-GHz", np. w zharmonizowanych europejskich zakresach od 865,0 MHz do 868,0 MHz oraz od 868,0 MHz do 868,6 MHz, gdzie moc nadajników jest normatywnie i prawnie ograniczona i nie może przekraczać 25 mW (0,025 W) e.r.p. Warto zauważyć, że wspomniane zakresy częstotliwości są od wielu lat wykorzystywane do innych zastosowań, a nie tylko do komunikacji z lampami oświetleniowymi. Na przykład zakres częstotliwości od 868,0 MHz do 868,6 MHz (tzw. pasmo 868,3 MHz) został zharmonizowany już ponad 20 lat temu i jest dedykowany dla różnych urządzeń bliskiego zasięgu ogólnego stosowania (SRD, ang. Short Range Devices). W tym paśmie pracują coraz bardziej popularne urządzenia wykorzystujące standard Z-Wave, stanowiące wyposażenie tzw. "inteligentnych budynków", takie jak: piloty umożliwiające zdalne sterowanie oknami i roletami, przyciski umożliwiające zdalne sterowanie oświetleniem, ściemniacze, czujniki dymu, gazu, czadu, zalania, temperatury, ruchu, elementu systemów alarmowych i wiele innych.

Alternatywnie, do komunikacji radiowej mogą być wykorzystywane moduły radiowe przeznaczone do transmisji danych w sieciach komórkowych w zastosowaniach M2M (ang. Machine to Machine). Są to takie same moduły, jak stosowane w telefonach komórkowych czy smartfonach, których używamy na co dzień. W uproszczeniu można przyjąć, że lampa działa właśnie podobnie jak telefon lub smartfon, lecz jest z oczywistych względów pozbawiona klawiatury i wyświetlacza umożliwiających wykonywanie połączeń. Moduł radiowy loguje się w sieci komórkowej (2G/3G/4G), a jego pracą steruje procesor. Z punktu widzenia sieci komórkowej, lampa jest takim samym "klientem" jak smartfon, tyle że nie porusza się i korzysta wyłącznie z transmisji danych, a nie z transmisji głosu. Rozwiązania M2M działające w sieci komórkowych, jednak w zupełnie innych zastosowaniach niż sterowanie lampami drogowymi, są stosowane dość powszechnie już od dłuższego czasu. Wystarczy wspomnieć chociażby o bankomatach, terminalach płatniczych, czy automatach sprzedających lody albo kawę. Urządzenia tego typu są wyposażone w klawiaturę i wyświetlacz przeznaczone do interakcji z użytkownikiem (np. wybór rodzaju kawy poprzez naciśnięcie odpowiedniego przycisku, widok różnych rodzajów kawy pojawia się na ekranie), a nie do wykonywania połączenia. Te rozwiązania od dawna funkcjonują w naszym otoczeniu, a my wokół nich.

Z użyciem takiej "radiowej" lampy (czy to pracującej na częstotliwościach "Sub-GHz", czy to w sieciach komórkowych), nawet gdyby się bardzo starać, nie można wykonać połączenia telefonicznego. Jako zwykli użytkownicy nie mamy również szans na połączenie w przeciwnym kierunku, czyli dodzwonić się do lampy. Ani też na to, aby wykorzystać ją do surfowania po internecie… Dlaczego? Z bardzo prostego powodu. Taka lampa nie jest stacją bazową: ani 2G, ani 3G, ani 4G, ani tym bardziej 5G. Przypisywanie jej cech znamiennych dla stacji bazowych dowodzi kompletnego niezrozumienia działania systemów sieci komórkowych.

O projektowanych sieciach 5G słyszymy od dość dawna. Ich budowa powoli staje się faktem. Oczekuje się, że sieci 5G umożliwią istotny rozwój w obszarze Internetu Rzeczy IoT (ang. Internet of Things), rozpowszechnienie wspomnianych już rozwiązań M2M, czy wprowadzą do codziennych zastosowań innowacyjną technologię sztucznej inteligencji AI (ang. Artificial Intelligence) oraz rozszerzonej AR (ang. Augmented Reality) i wirtualnej rzeczywistości VR (ang. Virtual Reality). Sieci 5G będą wykorzystywały pasmo 700 MHz (aktualnie przeznaczone do transmisji naziemnej telewizji cyfrowej, DVB-T), pasmo 3,6 GHz (w którym obecnie np. pracują urządzenia w standardzie WiMAX realizujące np. transmisję z monitoringu miejskiego) oraz pasmo 26 GHz (dedykowane także dla takich zastosowań jak np. radiolokalizacja czy telematyka w transporcie). Dzięki możliwości wykorzystania fal milimetrowych w wysokich zakresach częstotliwości częściowo zmieni się koncepcja postrzegania stacji bazowej. Odejdziemy od wysokich wież czy masztów i dużych anten na rzecz rozwiązań typu "Small Cell", stanowiących de facto punkt dostępowy, tzw. SAWAP (ang. Small-Area Wireless Access Points), zapewniający niewielki obszar pokrycia z uwagi na niski poziom mocy (e.i.r.p.) emitowanej przez nadajnik (np. stacje klasy E0: moc do kilku mW; stacje klasy E2: moc do 2 W; stacje klasy E10: moc do 10 W). Tego typu punkty dostępowe, tworzące mikroskopijne komórki stacji bazowych, z uwagi na swoje niewielkie rozmiary (przewiduje się ograniczenie objętości do 20 litrów) będą mogły być estetycznie wkomponowane w już istniejącą, rozbudowaną miejską infrastrukturę mało powierzchniową, która dotychczas nie była i nadal jeszcze nie jest w tym celu wykorzystywana. Prototypy tego typu rozwiązań zostały zaprezentowane już przez niektórych producentów. Między innymi firma Ericsson na swojej stronie proponuje kilka wariantów "Small Cell", z zastosowaniem istniejących elementów architektury miejskiej.

Wraz z postępem technologicznym można się spodziewać, że punkty dostępowe SAWAP będą instalowane np. w konstrukcjach sygnalizacji świetlnej, bilbordach reklamowych albo przystankach autobusowych. Dzięki temu uda się uniknąć zwiększenia wizualnego nieładu w naszym otoczeniu. Rozwinięty system lamp drogowych również wydaje się dobrym rozwiązaniem na adaptację umożliwiającą współtworzenie infrastruktury sieci 5G. Przekształcenie lamp drogowych w elementy należące do sieci 5G daje oczywistą możliwość ich zdalnego sterowania pozwalającego na wydajne zarządzanie. Po prostu takie lampy mają już domyślnie niezbędny interfejs radiowy "na pokładzie". Mogą zatem realizować nie tylko wszystkie swoje dotychczasowe funkcje, ale zdecydowanie więcej.

Wystarczy latarnie wyposażyć w różnego rodzaju czujniki i wówczas drogowy system oświetleniowy zaczyna pełnić, niejako przy okazji, rolę sieci telemetrycznej – może chociażby być stacją pogodową monitorującą jakość powietrza.

Adaptacja lamp oświetleniowych na potrzeby stacji bazowej typu "Small Cell" w sieci 5G może potencjalnie obejmować dwa scenariusze: wykorzystanie konstrukcji tradycyjnych lamp drogowych lub ich wymiana na nowoczesne rozwiązania LED. Obydwa są równie dobre, z tym zastrzeżeniem, że rozwiązania oparte na technologii LED są zdecydowanie korzystniejsze jako źródła oświetlenia. Powodów jest kilka, poniżej najistotniejsze. Lampy wyposażone w źródło światła LED:

• pozwalają nawet o 40% zmniejszyć zużycie energii elektrycznej, a to oznacza redukcję uwolnionego CO₂, a więc zmniejsza niepożądany wpływ miasta na środowisko;

• polepszają jakość oświetlenia i jednocześnie zmniejszają awaryjność systemu oświetleniowego, a to oznacza mniejsze ryzyko wypadków.

 

I z takich właśnie względów obecnie prowadzi się wymianę tradycyjnych lamp oświetleniowych na nowoczesne lampy LED. A nie po to, aby instalować stacje bazowe 5G.

Zastosowanie LED jako źródeł światła, czy to w naszych domach, czy w drogowych lampach oświetleniowych, związane jest z kilkoma kontrowersjami.

• Migotanie.

 Przeciwnicy stosowania LED są zdania, że LED nie emitują światłą ciągłego, lecz migoczą. A to może źle wpływać na samopoczucie, objawiając się np. bólami głowy i zaburzeniami widzenia.

Pytanie: Czy źródła LED faktycznie migoczą?

Odpowiedź: Źródła światła LED wymagają zasilania poprzez specjalnie do tego celu zaprojektowany układ elektroniczny. Jeżeli producent zastosowałby złe rozwiązania konstrukcyjne, wówczas funkcjonowanie układu zasilającego byłoby nieprawidłowe i faktycznie mogłoby dojść do sytuacji widocznego migotania LED. Takie sytuacje powinny być (i w większości są) eliminowane na etapie testów prototypu, a następnie badań laboratoryjnych. Dzięki temu w obrocie mogą znajdować się wyłącznie pełnosprawne źródła LED. Zawsze jednak istnieje ryzyko napotkania nieuczciwego producenta, wprowadzającego na rynek wadliwe źródła LED. To jednak nie oznacza, że wszystkie źródła LED migoczą.

• Większy poziom PEM.

Przeciwnicy stosowania LED są zdania, że LED wytwarzają silne zaburzenia elektromagnetyczne.

Pytanie: Czy źródła LED faktycznie wytwarzają zaburzenia elektromagnetyczne?

Odpowiedź: Jak wspomniano wcześniej, źródła światła LED wymagają zasilania poprzez specjalnie do tego celu zaprojektowany układ elektroniczny. Każdy obwód elektroniczny, przez który przepływa prąd, wytwarza pole elektromagnetyczne. W tym wypadku, jest ono traktowane jako efekt niepożądany. Źródło LED musi spełniać wymagania zasadnicze dyrektywy 2014/30/UE (tzw. EMC), a poziom pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez elektroniczny układ zasilający źródło LED jest ograniczony od góry przez wymaganie normy PN-EN IEC 55015:2019 Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru zaburzeń radioelektrycznych wytwarzanych przez elektryczne urządzenia oświetleniowe i urządzenia podobne. Odpowiedzialność za wprowadzenie do obrotu produktów, w tym wypadku źródeł LED, odpowiedniej jakości i spełniających wymagania norm, ponosi producent. Dopuszczalne poziomy emisji promieniowanej w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1 GHz, są następujące:

Zakres częstotliwości	Poziom dopuszczalny w odległości 3 m
od 30 MHz do 230 MHz	40 dB(µV/m)
od 230 MHz do 1000 MHz	47 dB(µV/m)

Poziom emisji promieniowanej przez źródła LED nie może przekraczać wskazanych wartości granicznych. Pozostaje jeszcze do ustalenia czy te wartości graniczne to "dużo", czy "mało". Przede wszystkim należy zwrócić uwagę, że są wyrażone w skali logarytmicznej (natężenie względem 1 µV/m, wyrażone w dB). Po przeliczeniu na skalę liniową otrzymujemy:

Skala logarytmiczna	Skala liniowa
40 dB(µV/m)	100 µV/m = 0,100 mV/m = 0,000100 V/m
47 dB(µV/m)	224 µV/m = 0,224 mV/m = 0,000224 V/m

Są to zatem dziesięciotysięczne części V/m, w stosunku do poziomu tła elektromagnetycznego w środowisku mniejsze o 4 rzędy wielkości, a więc pomijalne.

• Barwa światła LED.

Przeciwnicy stosowania LED są zdania, że LED barwy białej (potocznie zwane "światłem zimnym") są szkodliwe dla zdrowia, w przeciwieństwie do tradycyjnego oświetlenia barwy żółtej (potocznie zwane "światłem ciepłym"), które jest neutralne.

Pytanie: Czy światło LED barwy białej faktycznie jest szkodliwe dla zdrowia?

Odpowiedź: Barwa światła, niezależnie od tego czy pochodzi od tradycyjnej żarówki, czy od źródła LED, czy jest to światło dzienne, jest określana przez podanie temperatury barwowej, wyrażanej w K (kelwinach). "Więcej kelwinów" oznacza światło bardziej białe, a "mniej kelwinów" – światło bardziej żółte. Umowną granicą pomiędzy światłem "zimnym" i "ciepłym" jest temperatura barwowa 3300 K. Przykładowe temperatury barwowe: płomień świeczki: 1500 K, tradycyjna żarówka: 2600-2700 K, światło dzienne: 5500-7000 K. Różne odcienie barwy światła, zarówno te "ciepłe", jak i z zdecydowanie "zimne", towarzyszą człowiekowi od dawna. A w przypadku źródeł LED mamy po prostu szeroką możliwość ich wyboru od 1000 K do 10000 K. Światło "zimne" jest uzyskiwane w wyniku zmieszania światła LED o barwie niebieskiej ze światłem o barwie żółtozielonej, wytwarzanym przez luminofor. W przypadku luminoforów o kiepskiej jakości (zbyt niska sprawność), wymagane proporcje są zachwiane i udział barwy niebieskiej jest zbyt wysoki w stosunku do barwy żółtozielonej. Wówczas barwa niebieska zaczyna dominować, co może wywierać negatywny wpływ na wzrok. Producenci są zobowiązani do zapewnienia bezpieczeństwa fotobiologicznego źródeł LED, które musi spełniać wymagania zasadnicze dyrektywy 2014/35/UE (tzw. LVD). Zagadnienia bezpieczeństwa fotobiologicznego lamp i systemów lampowych reguluje norma PN-EN 62471:2010 Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych. Jak widać, podobnie jak w poprzednich przypadkach, problem leży nie w samym fakcie stosowania źródła LED, ale w jakości zastosowanych materiałów konstrukcyjnych.

Podsumowując: źródła światła LED pochodzące od znanych producentów, oznakowane znakiem CE potwierdzającym spełnienie wymagań zasadniczych dyrektyw UE, oferowane w oficjalnie działających źródłach dystrybucji, można uznać za bezpieczne.

 

---

Autor: Rafał Pawlak – Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy