Co fizyka może nam powiedzieć o sieci 5G?

Każdego dnia w najrozmaitszych zakątkach świata w ludzkie dłonie trafiają telefony. Dla niektórych są to kolejne egzemplarze, dla innych, pierwsze w życiu modele. Tak czy inaczej, całkowita liczba użytkowników rośnie systematycznie od wielu lat, a wraz z nimi wzrastają potrzeby. Ludzkość wciąż goni za tym, by jeszcze więcej danych zostało dostarczanych do nas zarówno szybciej, jak i taniej. Przyrosty są tak duże, że czasami zwyczajnie brakuje transferu dla nas wszystkich.

Piotr Kacprzak. Senior software developer w Ericsson Polska. Absolwent informatyki na wydziale EEIA Politechniki Łódzkiej (czyli jak wiadomo najlepszego wydziału w Łodzi, przy okazji: pozdrawiam wszystkich kolegów z WFTIMS’u). Pracuje w łódzkim oddziale R&D gdzie zajmuje się projektem Antenna System dla sieci 4G. Z branżą telekomunikacyjną związany od 2013 roku. Od lutego 2019 członek zespołu Ericsson Poland R&D Advisory Board. W wolnych chwilach jeździ rowerem po prawie pustych wiejskich drogach.


Znasz to skądś? Coś podobnego może przydarzyć się np. na lotnisku, stadionie lub jakimś ciekawym turystycznym miejscu. Tłum zgromadzony w jednym miejscu może obciążyć sieć tak bardzo, że nie da się zrobić nic w rozsądnym czasie. Fizyka jest nieubłagana i nie da się jej oszukać. Na pasmach, które dziś zajmujemy, kończy się miejsce. Jeśli nie zaczniemy wykorzystywać wyższych częstotliwości, każdego dnia będziemy zmagać się z problemami wydajności sieci takimi jak podczas imprez masowych. Telefon, zamiast otwierać stronę w sekundę, będzie otwierał ją w 10 sekund. Nadchodzi czas na coś nowego. Naprzeciw potrzebom i problemom z cienia wychodzi nowa, piąta już generacja sieci komórkowej – 5G.

Nowy standard zapewnia, że opóźnienie transmisji danych będzie mniejsze niż jedna milisekunda (poprzednia generacja 4G pracuje z opóźnieniem około 70 milisekund! Tak duża redukcja, otwiera nowe możliwości dla biznesu, ale to temat rzeka, którego nie rozwijam w tym artykule, niemniej zachęcam do samodzielnego zgłębienia, bo jest ciekawie). Jeśli spojrzymy na prędkość pobieranych danych, dla sieci 5G szczyt możliwości wynosi 20 Gbit/s. Dla porównania starsza generacja pozwalała na uzyskanie w idealnych warunkach do 1 Gbit/s…

Maksymalne prędkości transferu danych w sieci 4G/5G. Opracowania własne.

Jeśli komunikację bezprzewodową sprowadzimy do jej korzeni albo nazywając to inaczej, doszukamy się samego początku, trafimy na takie zagadnienie, jak pole elektromagnetyczne. Z lekcji fizyki np. w szkole średniej na pewno każdy pamięta, co to takiego, jednakże przypomnę pewne zasady.

Najpierw słowo o polu statycznym: wartość natężenia pola statycznego jest niezmienna w czasie, ale zmienia się w przestrzeni, tzn. maleje wraz ze zwiększaniem odległości od źródła – im jesteśmy dalej, tym słabiej na nas oddziałuje. W przypadku, gdy pole nie ma statycznego charakteru, wówczas mamy do czynienia z polem elektromagnetycznym zmieniającym się zarówno w czasie, jak i przestrzeni.

Pole magnetyczne, które zmienia się w czasie, wytwarza wirowe pole elektryczne. Jest to tzw. prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Prąd, czyli przemieszczające się ładunki oraz pole elektryczne, które zmienia się w czasie, wytwarzają wirowe pole magnetyczne. Jest to tzw. prawo Ampera rozszerzone przez Maxwella. Źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne – to tzw. prawo Gaussa. Te niezmienne zasady fizyki potrafią sprawić, że człowiek jakby przenosi się do szkolnej ławki, prawda? Moim zdaniem brzmią one jednak trochę „sucho”, a na pewno zbyt akademicko. Aby ten wydźwięk zamienić na coś bardziej przystępnego, powiem to samo inaczej.

Na zasadzie indukcji wzajemnej, zmieniające się w czasie pole elektryczne wywołuje zmienne w czasie wirowe pole magnetyczne, które następnie wywołuje zmienne w czasie wirowe pole elektryczne, i tak dalej, i tak dalej. Jedno pole „rozpoczyna” drugie. W wyniku następujących po sobie nieustających zmian pola elektrycznego i pola magnetycznego powstaje fala elektromagnetyczna. Taką falę można opisać, podając charakterystyczne (dla fal) parametry, czyli długość, częstotliwość oraz prędkość. Długość fali to odległość pomiędzy dwoma, występującymi kolejno po sobie szczytami fali.

Długość fali – wymiar przestrzenny. (źródło: „Pole elektromagnetyczne a człowiek” Ministerstwa Cyfryzacji)

Parametr ten pozwala na opisanie fali w wymiarze przestrzennym i wyraża się go w metrach. Częstotliwość określa liczbę fal, które przechodzą przez wybrany punkt w ciągu jednej sekundy, czyli ile razy na sekundę pole elektryczne i magnetyczne przyjmują te same wartości. Częstotliwość fali pozwala na jej opisanie w wymiarze czasowym i jest związana z okresem fali, który wyrażamy w sekundach, natomiast częstotliwość zapisujemy w hercach [1/s].

Prędkość rozchodzenia fali elektromagnetycznej nie zależy od częstotliwości. Fale radiowe, światło widzialne i promieniowanie rentgenowskie wędrują przez przestrzeń z dokładnie tą samą prędkością. W próżni będzie to dokładnie 299 792 458 m/s. Dla uproszczenia często mówi się, że to w przybliżeniu, czyli ok. 300 tys. km/s, czyli naprawdę szybko… No dobrze, ale skoro na co dzień otacza nas powietrze, a nie próżnia, jaka jest różnica w prędkości rozchodzenia się fali w powietrzu? Otóż okazuje się, że to „jedynie” 90 km/s mniej.

Czasy opóźnienia w sieciach komórkowych. Opracowania własne.

Fale mają zdolność do przenoszenia energii. Dosłownie na własnej skórze możemy tego doświadczyć podczas upalnych dni, gdy na niebie nie ma żadnych chmur. Fale elektromagnetyczne emitowane przez słońce, czyli po prostu promienie słoneczne, ogrzewają nasze ciała. Promieniowanie elektromagnetyczne można podzielić ze względu na rodzaj interakcji fal z materią. Ten podział pozwala wyróżnić dwa podstawowe rodzaje promieniowania elektromagnetycznego: jonizujące i niejonizujące (czyli takie, które są zdolne do wywołania jonizacji ośrodka materialnego albo nie).

Podział promieniowania elektromagnetycznego na jonizujące i niejonizujące (źródło: „Pole elektromagnetyczne a człowiek” Ministerstwa Cyfryzacji)

Ponieważ górna wartość mikrofalowego zakresu częstotliwości fal elektromagnetycznych wynosi 300 GHz, wszystkie częstotliwości mikrofalowe, a tym samym również radiowe, nie należą do promieniowania jonizującego. Pole elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych jest niejonizujące, więc nie niszczy struktury atomowej materii.

Zapraszamy do dyskusji

Patronujemy

 
 
More Stories
Jak działa algorytm Instagrama. Dlaczego widzimy te, a nie inne zdjęcia?