5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

26 lutego 2022 r., dwa dni po ataku Rosji na Ukrainę, wicepremier Ukrainy - Mykhailo Faedorova – zaapelował do Elona Muska m.in. o wsparcie Ukrainy w kwestii zapewnienia łączności. O dostarczenie Starlinków.

Po około dziesięciu godzinach od wysłanej prośby nad Ukrainą Serwis Starlink był już aktywny, a w ciągu 24 godzin dostarczono terminale służące do odbioru sygnału.

Starlink? Pierwsze skojarzenie to nieograniczony terytorialnie bezprzewodowy dostęp do globalnej sieci Internet. Nieograniczony praktycznie w dosłownym tego słowa znaczeniu, ponieważ w dowolnym miejscu na Ziemi mamy możliwość wykonania połączenia głosowego, video, sprawdzenia poczty e-mail czy news’ów na portalach informacyjnych. Z perspektywy mieszkańca dużego miasta sytuacja braku dostępu do jakiegokolwiek medium telekomunikacyjnego w miejscu zamieszkania lub stałego przebywania wydaje się niemalże niemożliwe. Co prawda zdarza nam się czasem znaleźć w głębokim lesie lub innym obszarze, gdzie nie dociera sygnał sieci komórkowych, ale są to przypadki incydentalne.

Są jednak takie miejsca, a wbrew pozorom jest ich na świecie bardzo dużo, gdzie nie ma pokrycia zasięgiem sieci komórkowych, nie ma też łączy światłowodowych, czy też innych mediów umożliwiających dostęp do Internetu. Co więcej, nie ma tam również praktycznie żadnych perspektyw rozwoju konwencjonalnych rozwiązań. I właśnie w tych niezwykle trudnych (by nie powiedzieć beznadziejnych) przypadkach jedynym rozwiązaniem jest dostęp satelitarny.

Właśnie takie uwarunkowania kierowały pomysłodawcami i dostawcami rozwiązań oferujących łącza satelitarne. Czy Elon Musk, pomysłodawca telekomunikacyjnego systemu satelitarnego Starlink, mógł brać realnie pod uwagę znaczenie swojego systemu podczas działań wojennych? Być może hipotetyczny wariant był rozważany… ale zapewne nikt nie sądził, że tak szybko zostanie on zweryfikowany przez brutalną rzeczywistość.

Niestety – cały świat w ostatnich dniach przeżywa tragedię rozgrywającą się na Ukrainie. Firma SpaceX, w obliczu inwazji zbrojnej Federacji Rosyjskiej na niepodległe państwo, stanęła na wysokości zadania i przyspieszyła pierwotnie planowane na 2023 rok uruchomienie systemu w Ukrainie. To wręcz nieprawdopodobne, ale aktywacja systemu zajęła niespełna dobę, co wskazuje na wysoką gotowość technologiczną rozwiązania, skutkującą brakiem przeszkód technicznych. W istocie, jak często to bywa, jedyne przeszkody to kwestie administracyjno-formalne. W obecnej kryzysowej sytuacji schodzą one na plan dalszy, ponieważ liczy się po prostu ratowanie ludzkiego życia. Stąd też decyzja o niezwłocznym uruchomieniu systemu. Kolejną niecałą dobę zajęło SpaceX dostarczenie na teren konfliktu ciężarówki wypełnionej po brzegi terminalami umożliwiającymi korzystanie z systemu Starlink.

W kontekście konfliktu zbrojnego, ale również śmiercionośnych i destrukcyjnych klęsk żywiołowych, główną zaletą jest fakt wysokiego poziomu niezależności jego funkcjonowania od infrastruktury naziemnej (to uproszczenie, ale o tym w dalszej części) – co oznacza mniej więcej, że zniszczenie stacji bazowych czy przerwanie łącz światłowodowych nie wpływa na działanie systemu Starlink – jak miałoby to miejsce w przypadku rozwiązań konwencjonalnych. Co więcej, przy pewnych założeniach odcięcie od zasilania również nie będzie miało wpływu (o ile zabezpieczyliśmy alternatywne źródło energii – agregat prądotwórczy lub panel fotowoltaiczny).

SpaceX umieścił na orbitach okołoziemskich dotychczas niespełna 2 000 satelitów, ale docelowo w przyszłości ich liczba ma wzrosnąć do około 12 000. Satelity krążą na różnych wysokościach orbit dookoła Ziemi, przy czym wszystkie znajdują się na tzw. niskiej orbicie okołoziemskiej w odległościach około 300 km do 1 200 km nad powierzchnią Ziemi. Satelity krążą dookoła planety w taki sposób, aby anteny naszych naziemnych terminali zawsze były w zasięgu anten nadawczych któregoś z nich. Dzięki temu możemy uzyskać pewne połączenie terminal – satelita. Ale co dalej? Dalej sygnał, który został wysłany przez terminal do satelity zostaje przekazany do naziemnej stacji systemu Starlink zwanej również bramą (ang. gateway) – to właśnie wspomniany wcześniej naziemny element infrastruktury. W ten sposób, w dużym uproszczeniu, łączymy się już z globalną siecią naziemną. I analogicznie w drugą stronę: ruch jest kierowany z sieci naziemnej poprzez bramę do satelity, a stamtąd do terminala użytkownika. Czyli schemat połączenia jest następujący:

Czy nie przypomina to innego, dobrze znanego rozwiązania? Owszem, schemat jest podobny do większości sieci bezprzewodowych, w tym komórkowych. Satelita odgrywa w pewnym sensie rolę stacji bazowej, zaś połączenie ze stacją naziemną jest odpowiednikiem dostępu do sieci szkieletowej operatora. Różnica jest taka, że w sieciach komórkowych stacje bazowe są nieruchome a porusza się terminal użytkownika, zmieniając tym samym stacje bazowe, zaś w przypadku Starlink terminale zazwyczaj znajdują się w jednym miejscu (choć nie muszą), a to satelity zmieniają swoje położenie. Na terenie Polski, w miejscowości Wola Krobowska, zlokalizowana jest jedna stacja naziemna, która wraz ze stacją w Kownie na Litwie obsługuje użytkowników znajdujących się w centralnej Europie. Również z nią łączą się satelity, które znajdują się nad terytorium Ukrainy. Można w tym miejscu dodać, że inżynierowie SpaceX eksperymentują nad rozwiązaniem, które pozwoli bezpośrednio komunikować się satelitom pomiędzy sobą, dzięki czemu częściowo zostanie wyeliminowana konieczność łączności ze stacją naziemną, co pozytywnie wpłynie na wydajność połączenia.

Z perspektywy dostawcy istotną kwestią jest koszt. A ten, w przypadku konieczności wysłania urządzeń w kosmos, jest ogromny. SpaceX umieszcza swoje satelity na niskiej orbicie z wykorzystaniem rakiet wielokrotnego użytku, dzięki czemu udało się zredukować część kosztów. Druga kwestia jest związana z dużo mniejszą odległością pomiędzy urządzeniami na ziemi a satelitą, co wpływa na niższe opóźnienie połączenia.

Dotychczas tradycyjne satelity telekomunikacyjne wykorzystywane do dostarczania Internetu były umieszczane na orbicie geostacjonarnej, czyli około 35 000 km nad powierzchnią Ziemi. To ogromna różnica względem satelitów Starlink, na korzyść tych drugich, dzięki czemu mogą one zaoferować dużo niższe opóźnienie połączenia. Mówimy tu o opóźnieniach ponad 15 razy mniejszych (45 ms vs 700 ms). Gdy uświadomimy sobie, że 700 ms to prawie sekunda, ta sekunda, którą potrafimy zauważyć na zegarku i która czasem tak się nam dłuży, to zdajemy sobie sprawę, że jest to bardzo duże opóźnienie stanowiące ogromną wadą w sieciach bezprzewodowych. Z drugiej strony mamy tylko 45 ms. Z czym porównać taką wartość? Może z mrugnięciem okiem, które trwa około 300 ms? Można więc powiedzieć, że opóźnienie 45 ms jest prawie 7 razy krótsze niż mrugnięciem okiem, a opóźnienie 700 ms jest ponad 2 razy dłuższe niż mrugnięcie okiem.

Będąc obiektywnym należy jednak podkreślić podstawową zaletę rozwiązań satelitarnych, w których satelity znajdują się na wysokich orbitach. Otóż jeden Satelita jest wówczas w stanie obsłużyć terminale abonenckie na bardzo dużym obszarze. Są to jednak połączenia o dużo gorszych parametrach niż te oferowane przez rozwiązania z satelitami umieszczonymi na niskich orbitach. Należy sobie odpowiedzieć na pytanie, który wariant przy obecnych wysokich wymaganiach na prędkość transmisji i opóźnienie, np.: do pracy zdalnej, streamingu w wysokiej rozdzielczości czy video rozmowy wysokiej jakości, jest lepszy? Podejście SpaceX wydaje się w tym obszarze słuszne.

Starlink pozostaje jednym z niewielu działających kanałów komunikacyjnych, który umożliwia mieszkańcom Ukrainy kontakt ze światem zewnętrznym. Niestety 5 marca 2022 r. Elon Musk poinformował na Twitterze, iż jego satelity są zagłuszane nad terenem objętym wojną. Właściciel SpaceX nie sprecyzował, kto jest sprawcą tej ingerencji. Jednak nietrudno się domyślać, iż chodzi o Rosjan. Dzięki szybkiej rekcji programistów Starlink, system został zaktualizowany i uszczelniony. Według deklaracji Muska Ukraina nie zostanie odcięta od dostępu do sieci.

O projekcie

Projekt „Sprawna telekomunikacja mobilna jako klucz do rozwoju i bezpieczeństwa" realizowany przez KPRM we współpracy z Instytutem Łączności - Państwowym Instytutem Badawczym w ramach Programu Operacyjnego Polska Cyfrowa Działanie 3.4. Kampania ma na celu zwiększenie świadomości Polaków w zakresie działania, wykorzystania, bezpieczeństwa i znaczenia mobilnych sieci telekomunikacyjnych, a tym samym usług (w tym publicznych) opartych o te sieci. W ramach projektu zrealizowane zostaną działania w następujących obszarach: walka z dezinformacją, edukacja, podstawy prawne procesu inwestycyjnego, bezpieczeństwo i jakość życia.