5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Wychodząc od najbardziej ogólnej definicji, która została sformułowana przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU, ang. International Telecommunication Union), stacja bazowa to zestaw urządzeń nadawczo-odbiorczych, nadajnik lub odbiornik, wraz z urządzeniami towarzyszącymi, znajdujące się w konkretnym miejscu, niezbędnych do zapewnienia dostępności usługi radiokomunikacyjnej. W tym kontekście stacją bazową może być zarówno radiotelefon stacjonarny, znajdujący się np.: w dyspozytorni pogotowia ratunkowego, jak również bliski każdemu z nas router, który pozwala na połączenie z lokalną siecią Wi-Fi.

Opierając się na podanej definicji można stwierdzić, że stacja bazowa to urządzenie znajdujące się w stałym, konkretnym punkcie, które zapewnia użytkownikom dostęp do usługi radiokomunikacyjnej. Ponieważ dostęp do usługi radiokomunikacyjnej odbywa się w sposób bezprzewodowy, więc do stacji bazowej musi być dołączona jedna lub kilka anten, które sygnały radiowe odbierają od i nadają do urządzeń użytkowników. Droga, jaką pokonuje sygnał od użytkownika A nawiązującego połączenie z użytkownikiem B, prowadzi najpierw od anteny telefonu komórkowego użytkownika A do anteny stacji bazowej, do której ten telefon jest zalogowany. Następnie, po przetworzeniu, jest przekazywany dalej do tzw. sieci szkieletowej. Sieć szkieletowa to infrastruktura, która łączy stacje bazowe pomiędzy sobą. W sieci szkieletowej sygnał wędruje do tej stacji bazowej, do której jest zalogowany telefon użytkownika B. Teraz następuje ponowne przetworzenie sygnału i jest on przekazywany od anteny stacji bazowej do anteny telefonu komórkowego użytkownika B. W ten sposób, opisany oczywiście w dużym uproszczeniu, sygnał pomiędzy użytkownikami może przemierzać nawet tysiące kilometrów. Oczywiście pomiędzy antenami występuje transmisja bezprzewodowa, której nośnikiem jest fala elektromagnetyczna.

Stacja bazowa sieci komórkowej jest wyposażona w zestaw anten, które są zamontowane na odpowiednio wysoko usytuowanej konstrukcji wsporczej. „Odpowiednio wysoko” jest pojęciem względnym i dość pojemnym, bo w różnych lokalizacjach wymaga się różnej wysokości posadowienia anten. Nie zawsze stwierdzenie, że im antena wyżej tym lepiej, jest prawdziwe. Właściwe rozmieszczenie anten pozwala zapewnić dostatecznie dobre pokrycie obszaru stacji bazowej sygnałem radiowym, dzięki czemu możemy korzystać ze stabilnego połączenia głosowego i wysokich przepływności podczas transmisji danych. Dość specyficzną lokalizacją, w której zainstalowano szereg różnego rodzaju anten, jest Pałac Kultury i Nauki. Należy pamiętać, że nie każda widoczna antena jest anteną stacji bazowej telefonii komórkowej, ale o tym na koniec. Maszty i wieże to podstawowe konstrukcje, z którymi kojarzą się stacje bazowej telefonii komórkowej. Wieże o typowej wysokości 45-60 metrów są stosowane głównie na mniej zurbanizowanych terenach w celu pokrycia sygnałem radiowym dość dużego obszaru. Często budowa dedykowanych masztów czy wież jest kłopotliwa, więc do instalacji anten wykorzystuje się istniejące budowle, takie jak np.: wieże kościelne czy kominy. Odmienne podejście występuje w terenie mocniej zurbanizowanym, np. miejskim. Tutaj praktycznie wyłącznie korzysta się z „naturalnych” konstrukcji wsporczych, którymi mogą być elewacje lub dachy budynków. Raczej trudno byłoby wyobrazić sobie budowę licznych wież w centrum miasta…

Rozpatrując wysokość zawieszenia anten należy przede wszystkim uwzględnić charakter otoczenia. Można ogólnie powiedzieć, że im mniej użytkowników znajduje się w otoczeniu stacji bazowej tym powinna ona obsługiwać większy obszar. W tym celu właśnie anteny są instalowane na wysokich masztach, aby zapewniały dobry zasięg z dużych odległości. Tutaj należy wspomnieć jeszcze o tzw. pochyleniu anteny (ang. tilt). Tilt, bo tak właśnie skrótowo przyjęło się mówić w języku potocznym, wskazuje o jaki kąt, względem pionu, jest odchylona antena. Anteny odchyla się właśnie po to, aby skierować sygnał radiowy tam, gdzie znajdują się jego odbiorcy, a więc najczęściej w kierunku ziemi. Aczkolwiek można spotkać i takie rozwiązania, gdzie anteny są odchylane do góry, ponieważ np. muszą „oświetlić” zbocze góry. Dzięki odpowiedniemu pochyleniu anten polepsza się pokrycie i jakość sygnału odbieranego przez użytkowników. Warto wiedzieć, że dawniej stosowano wyłącznie mechaniczne pochylanie anten, które można było dość łatwo zaobserwować (anteny były „fizycznie” odchylone od pionu). Obecnie korzysta się ze sterowania elektrycznego, dzięki czemu antena może być zainstalowana na stałe w pionie, a pochylana jest po prostu sama wiązka sygnału radiowego.

Zwykle na terenach innych niż miejskie stosuje się niewielkie wartości tiltu, dzięki czemu sygnał z wysoko zawieszonej anteny dociera daleko od stacji bazowej. Wówczas bowiem nie jest potrzebna zbyt duża pojemność stacji bazowej, lecz jej większy zasięg. Dla odróżnienia, ze stacji bazowych zlokalizowanych na obszarach o zabudowie miejskiej z zasady korzysta o wiele więcej użytkowników, niż na terenach podmiejskich, czy wiejskich. Wówczas stacje bazowe, aby zapewnić odpowiednio dużą pojemność, muszą być sytuowane dość gęsto, w stosunkowo niewielkich odległościach od siebie. Pojemność należy rozumieć jako liczbę użytkowników, którzy mogą być obsłużeni przez określoną stację bazową. Duży zasięg pojedynczej stacji „miejskiej” nie jest krytyczny, a wręcz przeciwnie – staje się niepożądany, ponieważ stacja nadająca ze zbyt dużą mocą może zakłócać stacje sąsiednie. W związku z tym stacje bazowe na obszarach miejskich pracują z ograniczonymi mocami. Anteny w takich stacjach również są pochylane, ponieważ także w mieście sygnał radiowy należy skierować w te miejsca, gdzie znajdują się użytkownicy. Sygnał radiowy dobrej jakości należy jednak dostarczyć również do biurowców, czy mieszkań w wysokich blokach.

W obydwu przypadkach użytkownicy, którzy znajdują się w miejscach ogólnodostępnych (do których dostęp nie jest zabroniony), nie mogą być i nie są narażani na przekroczenia dopuszczalnych wartości pola elektromagnetycznego. Rozkład przestrzenny pola elektromagnetycznego w otoczeniu stacji bazowej odzwierciedla charakterystyki stosowanych anten, które są precyzyjnie formowane na etapie projektowania. Sygnał emitowany przez anteny stacji bazowych ma tą specyficzną cechę, że w obszarze bezpośrednio pod anteną jest on silnie tłumiony, a w dalszych odległościach od anteny – znacznie mniej. Dzięki temu nawet w bliskiej odległości od dużego masztu możemy czuć się bezpieczni. Ponieważ natężenie pola elektromagnetycznego silnie maleje wraz ze zwiększaniem odległości od źródła emisji, więc także na większych odległościach bezpieczeństwo jest zagwarantowane. Można powiedzieć, że w pobliżu anteny (pomijając te miejsca, do których dostęp mają tylko instalatorzy i osoby uprawnione) natężenie pola elektromagnetycznego jest niskie ze względu na charakterystykę anteny, a wraz ze wzrostem odległości od anteny – maleje w  wyniku tłumienia fali elektromagnetycznej w powietrzu.

Nie wszystkie anteny, które zauważamy w swoim otoczeniu to anteny stacji bazowych telefonii komórkowej. Anteny znajdujące się na Pałacu Kultury i Nauki to między innymi elementy wyposażenia nadajników naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T. Tego typu nadajniki wytwarzają sygnał radiowy o takim poziomie, że moc promieniowana w jednym kanale (multipleksie) sięga nawet stu tysięcy watów, a mogą być jednocześnie i w sposób ciągły nadawane np. trzy takie kanały. Obiekty, w których znajdują się nadajniki pracujące z najwyższymi mocami, to tzw. Radiowo-Telewizyjne Centra Nadawcze (RTCN). Na przykład RTCN w Raszynie k/Warszawy nadaje: MUX-1 na kanale 58 z mocą 100 000 W, MUX-2 na kanale 48 z mocą 100 000 W, MUX-3 na kanale 27 z mocą 130 000 W. RTCN różnią się od stacji bazowych telefonii komórkowej pod wieloma względami. Stacje nadawcze DVB-T mają za zadanie przekazać sygnał do odbiorników radiowych i telewizyjnych rozlokowanych na bardzo dużym obszarze. Ponieważ istotny jest przede wszystkim zasięg, a pojemność sieci i jej obciążenie nie są brane pod uwagę, więc nadajniki DVB-T są sytuowane bardzo wysoko i pracują z bardzo wysokimi mocami. Dla porównania: moc nadajnika sygnału DVB-T może wynosić kilka tysięcy watów, podczas gdy moc nadajnika w stacji bazowej telefonii komórkowej wynosi kilkanaście lub kilkadziesiąt watów. To oznacza taką różnicę, jakby porównać odległość kilkudziesięciu metrów z dystansem kilku kilometrów. Sieć telefonii komórkowej wymaga natomiast łączności dwukierunkowej. Nadajnik znajduje się zarówno w stacji bazowej, jak i w telefonie. A to oznacza, że w takim łączu radiowym najsłabszym ogniwem jest moc nadajnika umieszczonego w telefonie, która jest liczona w ułamkach wata. Zwiększanie poziomu sygnału radiowego emitowanego przez stacje bazowe ponad wymaganą wartość minimalną, nie prowadzi do polepszenia zasięgu, czy jakości usług. Dlaczego? Bo nadal ograniczeniem jest moc nadajnika telefonu, a ta wraz z powstawaniem kolejnych generacji sieci systematycznie maleje.

Autor: Jakub Kwiecień, Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy