5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Pierwsze satelity tego systemu pojawiły się na orbicie stosunkowo niedawno, bo w połowie 2019 roku. W tym miejscu warto zauważyć, że Internet dostarczany drogą satelitarną dostępny dla konsumentów nie jest w zasadzie żadną nowinką technologiczną, ponieważ pojawił się w ofercie jeszcze na początku XXI wieku, czyli praktycznie 20 lat temu. Prawdą jest, że był to wówczas jednak produkt drogi, zarezerwowany głównie dla przedsiębiorców operujących w lokalizacjach, które nie były wyposażone w żadną infrastrukturę telekomunikacyjną, ani nie znajdowały się w zasięgu naziemnych sieci radiowych. Z czasem produkt – usługa dostępu do sieci Internet z wykorzystaniem łączy satelitarnych – stał się bardziej dostępny ekonomicznie oraz terytorialnie. Na chwilę obecną użytkownik zainteresowany usługą w Polsce może wybierać spośród wielu krajowych dostawców.

Wypada zadać pytanie, dlaczego wobec powszechności usługi "Internetu z satelity" rozwiązanie Starlink odbija się tak szerokim echem zarówno wśród zwolenników, jak i przeciwników tej usługi. Można rozpatrywać to pod wieloma względami, tymi bardziej lub mniej merytorycznymi, z których wspólną cechą dla wszystkich projektów firmy Elona Muska jest fakt, że przyciągają one wielką uwagę mediów, a co za tym idzie również i społeczeństwa. Nic więc dziwnego w tym, że Internet satelitarny nagle został zauważony także przez środowiska nastawione do rozwoju technologii radiowych sceptycznie – jakby nie było o promieniowanie przecież chodzi. I to nie byle jakie, bo z kosmosu na całą kulę ziemską. Jedną z obaw społeczeństwa, która pierwotnie pojawiła się w USA, a obecnie dotarła także do Polski, jest ta, jak mocno pojawienie się dużej liczby satelitów wysyłających wiązki promieniowania radiowego przenoszącego eksabity danych w kierunku Ziemi wpłynie na podwyższenie wartości pola elektromagnetycznego rejestrowanego na powierzchni Ziemi. Jak nietrudno zgadnąć, obawy te są potęgowane przez liczne, acz niezweryfikowane informacje pojawiające się w sieci, łączące wdrażanie sieci 5G z rzeczonymi satelitami. Nie trzymając już dłużej w niepewności, trzeba w tym miejscu jasno powiedzieć – Starlink to jedno, a sieć 5G to drugie. No niestety. Są to przede wszystkim inne częstotliwości pracy i zupełnie inne zasięgi działania. Łączy je za to fakt, że obydwa stały się ofiarą wielu fałszywych informacji, z których naczelna to fake news o szkodliwym wpływie promieniowania elektromagnetycznego z zakresu fal radiowych na zdrowie i życie człowieka. Temat był już wielokrotnie poruszany przy okazji #PowiedzSprawdzam, ale zapraszamy do zapoznania się z kolejnymi informacjami, tym razem wyjaśnimy, dlaczego sygnał radiowy nadawany z satelitów Starlink nie wpłynie na depopulację ludności naszego globu.

Wróćmy jednak do potencjalnego zwiększenia się wartości natężenia PEM wskutek nadawania sygnału radiowego przez satelitę Starlink w kierunku Ziemi. Zapewnienie dobrego odbioru sygnału wysyłanego przez satelitę wymaga stosowania specjalnie do tego celu zaprojektowanej anteny. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że taka antena swoją konstrukcją przypomina anteny stosowane w telewizji satelitarnej. Co to oznacza w praktyce i w jakim celu stosuje się takie wymyślne anteny? Czy do korzystania z Internetu satelitarnego nie wystarczy zastosowanie niewielkiej anteny, np. takiej jakie są wbudowane do smartfonu?

Otóż okazuje się, że rozmiar oraz charakterystyczny paraboliczny kształt wpływają na silną kierunkowość i wysoki zysk energetyczny anten. To właśnie dzięki temu są one w stanie skutecznie odbierać sygnał emitowany w kierunku Ziemi przez antenę połączoną z nadajnikiem umieszczonym na satelicie. Sygnał ten ulega ogromnemu tłumieniu i docierając do powierzchni Ziemi ma już bardzo niską moc. O tym jak niską już za chwilę. Warto jeszcze wspomnieć, że anteny paraboliczne niejako wymuszają ściśle określony sposób ich montażu, co bezpośrednio wpływa na możliwość korzystania z rozwiązań i usług opartych o sygnał odbierany z satelity. Antena paraboliczna musi być precyzyjnie nakierowana w stronę satelity, nieruchoma, stabilnie zamocowana, a na jej drodze nie mogą się znajdować żadne przeszkody, jak np. drzewo czy blok. Wymaga się bezpośredniej widoczności antena satelity – antena terminala abonenckiego. Działanie takiego systemu można niejako porównać do funkcjonowania radiolinii: w przypadku pojawienia się jakiejkolwiek bariery fizycznej transmisja z zostaje przerwana.

Satelity Starlink docelowo będą znajdowały się na wysokościach 340 km, 550 km oraz 1150 km. Pierwsze wyniesione satelity, w celu zapewnienia łączności z urządzeniami naziemnymi, mają wykorzystywać częstotliwości w zakresie 10,7 ¸ 14,5 GHz należącym do pasma Ku (12 ¸ 18 GHz). Kolejne wdrożenia mają natomiast pracować na wyższych częstotliwościach – w pasmach Ka (26,5 ¸ 40 GHz) oraz V (40 ¸ 75 GHz). Dla ustalenia uwagi, wspomniane wcześniej anteny telewizyjne odbierają sygnał telewizji satelitarnej na częstotliwościach 10,7 ¸ 11,7 GHz oraz 11,7 ¸ 12,75 GHz. I to od końca lat 80. ubiegłego wieku, a więc już od ponad 30 lat.

Wiemy już na jakich częstotliwościach będą pracowały nadajniki satelitów Starlink. Kolejny istotny parametr to moc nadawanego sygnału. W jednym z dokumentów[1] wydanych przez FCC (ang. Federal Communications Commission), czyli amerykański organ odpowiedzialny m.in. za nadzór nad zasobami częstotliwości, wartość maksymalnej mocy EIRP (P_EIRP), czyli mocy emitowanej przez antenę satelity, wynosi 66,89 dBW. No cóż – liczba jak liczba. I jeszcze ta "dziwna" jednostka… Przedstawmy tę wartość w skali liniowej, będzie bardziej zrozumiała.

Otóż 66,89 dBW to w przybliżeniu 4886,5 kW, a więc jakby nie liczyć prawie 4,9 MW – tak! 4,9 megawatów, czyli 4,9 milionów watów. To dużo. Nawet bardzo dużo i do tego trochę groźnie brzmi. Właśnie dlatego ta liczba wywołała wśród wielu osób niepokój o wpływ fal radiowych emitowanych z satelity na PEM kształtujące się na powierzchni Ziemi. Ale, ale… nie zapominajmy, gdzie znajduje się nadajnik, a dokładnie jaka odległość dzieli antenę satelity od anteny terminala abonenckiego.

Aby dokonać rzetelnej oceny sytuacji należy przeprowadzić bilans energetyczny łącza radiowego, wyrażony wzorem (1), który da prawidłowy obraz sytuacji.

P_odb = P_nad + G_nad – L + G_odb  (1)

gdzie:

P_odb – moc w punkcie odbioru

P_nad – moc nadajnika

G_nad – zysk energetyczny anteny nadawczej

L – tłumienie trasy pomiędzy anteną nadawczą i anteną odbiorczą

G_odb – zysk energetyczny anteny odbiorczej

Formuła wzoru (1) potwierdza wcześniejsze rozważania na temat własności anten wykorzystywanych do łączności satelitarnej, czyli ich wysoki zysk energetyczny skupiony w ściśle określonym kierunku. Jak wynika ze wzoru (1), przy stałej wartości L tłumienie trasy pomiędzy anteną nadawczą i anteną odbiorczą, moc w punkcie odbioru P_odb zależy nie tylko od mocy nadawanego sygnału P_nad. Na jej poziom wpływają także zyski energetyczne obydwu anten łącza radiowego: anteny nadawczej G_nad oraz anteny odbiorczej G_odb.

Zatem, nawet jeżeli moc sygnału dostarczanego z nadajnika do anteny nadawczej nie będzie wysoka, to właśnie dzięki dużemu zyskowi energetycznemu anteny nadawczej sygnał z satelity może osiągać poziomy rzędu megawatów. W praktyce zwyczajowo nie podaje się osobno mocy wyjściowej nadajnika i osobno zysku energetycznego dołączonej do niego anteny. Podaje się moc emitowaną przez antenę, określaną jako równoważną moc promieniowaną izotropowo P_EIRP, która uwzględnia moc wyjściową nadajnika i zysk energetyczny dołączonej anteny. Wówczas wzór (1) można zapisać w następujący sposób:

P_odb = P_EIRP – L + G_odb  (2)

To tyle po stronie nadawczej. A co się dzieje po stronie odbiorczej? Sygnał przed dotarciem do odbiornika terminala abonenckiego musi przebyć trasę od kilkuset do kilku tysięcy kilometrów. Tak duża odległość wprowadza bardzo silne tłumienie, które skutkuje istotnym zmniejszeniem poziomu sygnału – im dalej od źródła (nadajnika) tym jest on słabszy.

Tłumienie to parametr, na który mamy najmniejszy wpływ. W rzeczywistości składa się na nie wiele czynników, natomiast w przypadku łącza satelitarnego nie mówimy tutaj zwykle o przeszkodach fizycznych, lecz o tłumieniu wolnej przestrzeni czy wpływie zjawisk atmosferycznych. Wartość tłumienia trasy L, pomiędzy anteną nadawczą satelity a anteną odbiorczą terminala abonenckiego, wynikającego z samego tylko oddziaływania wolnej przestrzeni, można określić ze wzoru:

L = 32,44 + 20log₁₀(H) + 20log₁₀(F)  (3)

gdzie:

H – wysokość, na której znajduje się satelita, wyrażona w [km]

F – częstotliwość, na której pracuje nadajnik satelity, wyrażona w [MHz]

 

Zatem dla satelity znajdującego się na wysokości H = 550 km i pracującego na częstotliwości F = 37,5 GHz = 37500 MHz tłumienie to wynosi:

L = 32,44 + 20log₁₀(550) + 20log₁₀(37500) ≈ 178,73 dB  (4)

Równie ważnym parametrem, co tłumienie trasy L, wpływającym na poprawny odbiór sygnału jest zysk energetyczny G_odb anteny odbiorczej terminala abonenckiego. Rozpatrując potencjalny wpływ sygnału satelitarnego, docierającego do Ziemi, na wartość PEM należy założyć, że satelita emituje sygnał radiowy z maksymalną mocą P_EIRP. A ponieważ "odbiornikiem" tego sygnału ma być środowisko, w tym ludzie, należy więc przyjąć brak zysku anteny odbiorczej, tj. G_odb = 0 dBi.

Do przeprowadzenia bilansu energetycznego przyjmujemy zatem:

P_EIRP = 66,89 dBW

L = 178,73 dB

G_odb = 0 dBi

Teraz, zgodnie z wzorem (2), można już obliczyć moc sygnału, który dociera do Ziemi:

P_odb = P_EIRP – L + G_odb = 66,89 – 178,73 + 0 = –111,84 dBW  (5)

Moc tego sygnału wynosi –111,84 dBW. Ponieważ po raz kolejny pojawia się liczba z "dziwną" jednostką, ponownie przedstawiamy jej wartość w skali liniowej, aby była bardziej zrozumiała.

Otóż –111,84 dBW to w przybliżeniu 6,6 pW. A ile to 1 pW? Dużo czy mało? Może bardzo mało? Jak bardzo mało? Aby uzyskać 1 pW trzeba byłoby podzielić 1 W na 10¹² równych części i wziąć 6,6 takich części. Podział na 10¹² części oznacza ni mniej, ni więcej jak podział na 1 000 000 000 000 części, czyli nie na milion, ani nawet nie na miliard, lecz dokładnie aż na bilion części. Zatem –111,84 dBW to 6,6 bilionowych części wata!

Znając maksymalną wartość mocy P_EIRP oraz odległość H można oszacować natężenie PEM na powierzchni Ziemi, zakładając, że znajdujemy się dokładnie w tym miejscu, w którym przypada maksimum wiązki emitowanego sygnału radiowego:

E_V/m = [(30 × P_EIRP)^0,5] / H  (6)

gdzie:

P_EIRP – równoważna moc promieniowana izotropowo, wyrażona w [W]

H – wysokość, na której znajduje się satelita, wyrażona w [m]

Po wstawieniu do wzoru (6) wartości:

P_EIRP = 66,89 dBW = 4 886 524 W

H = 550 km = 550 000 m

otrzymujemy:

E_V/m = [(30 × 4 886 524)^0,5] / 550 000 = 0,02 V/m  (7)

A to odpowiada gęstości mocy S ≈ 1,3 µW/m² i stanowi 0,04% wartości granicznej 61 V/m obowiązującej dla częstotliwości powyżej 2 GHz. Jak widać, tak niska moc skutkuje pomijalnie małym poziomem PEM.

---

PS 1. Znacznie ciekawsze z punktu widzenia pomiarów poziomy PEM mogą występować w otoczeniu stacji dosyłowych, tj. w segmencie naziemnym przekazującym sygnał do satelitów.

---

PS 2. Ponieważ wartości wyrażane w dB (decybelach) mogą być w ogóle straszne już same w sobie (wszak do obliczeń stosowano działania na logarytmach), więc podajemy kilka użytecznych przepisów uniwersalnych.

P_dBm = 10log₁₀(P_mW / 1 mW)

P_dBW = 10log₁₀(P_W / 1 W)

P_dBm = P_dBW + 30

P_dBW = P_dBm – 30

P_mW = 10^(P_dBm / 10)

P_W = 10^(P_dBW / 10)

 

Autorzy: Rafał Pawlak, Jakub Kwiecień, Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy