Sieć na pięć gwiazdek
Od ponad 20 lat jesteśmy oswojeni z telefonami komórkowymi, a od ponad 10 – z internetem mobilnym. Wśród niemal 30 mln użytkowników internetu w Polsce już ponad 70% (23,5 mln użytkowników) korzysta z niego za pośrednictwem tabletu i smartfona. Stare generacje sieci komórkowych (GPRS, EDGE) zostały praktycznie wyparte i można je spotkać jedynie w bardzo odległych regionach kraju. W miastach króluje sieć LTE – umożliwiająca przepustowości rzędu megabitów na sekundę i transmisję wysokiej jakości obrazu i dźwięku. W jej zasięgu, według danych z 2018 r., mieszka już ponad 70% Polaków. Terminem 5G określa się kolejną generację sieci komórkowej. Aby w pełni zrozumieć jej możliwości, trzeba kilka zdań poświęcić fizyce fal elektromagnetycznych, a zwłaszcza ich rozchodzeniu się.
Na milimetrowych falach
Sieci komórkowe korzystają z fal elektromagnetycznych – tych samych co radio i telewizja oraz tych samych, które tworzą światło widzialne. Różni je jedynie częstotliwość. Na danej częstotliwości może nadawać tylko jeden nadajnik, w przeciwnym razie nadawcy będą się zagłuszać („przekrzykiwać”). Dlatego podział częstotliwości radiowych (tzw. widma) umożliwia obsługę różnych funkcjonalności, które nie przeszkadzają sobie nawzajem.
Najniższa częstotliwość – kilohercowa – to dawniej stosowane fale radiowe i łączność na duże odległości. Na nieco wyższej działają dzisiejsze radio i telewizja naziemna. W podobnym zakresie częstotliwości (kilkaset MHz do kilku GHz) funkcjonuje telefonia komórkowa i ta część widma interesuje nas najbardziej. Powyżej są: telewizja satelitarna, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet i promieniowanie gamma – to ostatnie, zbawienne w badaniach medycznych, zgubne dla organizmu. Z częstotliwością fali związana jest jej długość – im wyższa częstotliwość, tym krótsze fale. Dlatego radio naziemne (70–90 MHz) „nadaje na falach krótkich”, a kuchenka (2,45 GHz) jest „mikrofalowa”.
W dużym uproszczeniu mówiąc, im wyższa częstotliwość, tym więcej informacji można przesłać w sieci, ale tym trudniej przekazać je na duże odległości. Długie fale rozchodzą się po całej Ziemi, niezależnie od ukształtowania terenu – dlatego korzystają z nich dzisiaj statki, krótkofalowcy i nieliczne stacje radiowe. Dłuższe – pasmo radiowe i telewizyjne – wymagają wysokich, około trzystumetrowych masztów, którymi pokryta jest cała Polska, po kilka na województwo. Fale gigahercowe (milimetrowe) rozchodzą się „prosto” i słabo przenikają przez ściany budynków, dlatego maszty telefonii komórkowej o wysokości kilkunastu, kilkudziesięciu metrów widzimy w prawie każdej miejscowości, a na prawie każdym wyższym budynku w Polsce – charakterystyczne podłużne anteny telefonii komórkowej.
W miejscach, gdzie fale telefonii komórkowej nie mogą dotrzeć, montuje się anteny wewnętrzne. Jak to działa w praktyce, można zaobserwować np. w warszawskim metrze, tunelu pod Martwą Wisłą w Gdańsku albo w centrach handlowych. Mimo że odbiornik od masztu oddziela wiele metrów ziemi albo kilka ścian budynków, transmisja działa bez zarzutu. Po prostu sieć anten wewnętrznych „przenosi sygnał” do najbliższego masztu albo bezpośrednio do sieci. Stosowanie anten wewnętrznych ma dodatkową zaletę – jeśli antena znajduje się kilka, kilkadziesiąt metrów od telefonu i fale nie muszą pokonywać ścian, do transmisji głosu lub danych zużywa się niewiele energii. Dzięki temu można dłużej pracować na jednym naładowaniu baterii, a zaoszczędzony prąd zużyć np. do obsługi większego, bardziej czytelnego ekranu lub bardziej wymagających aplikacji na smartfony.
Aby dwa smartfony nie zagłuszały się nawzajem, muszą działać na różnych częstotliwościach. Dlatego na obszarze obejmowanym przez jedną antenę każde z urządzeń dostaje swój skrawek częstotliwości (widma), zwany kanałem, i na nim „rozmawia” ze stacją bazową (anteną). Jednak gdy użytkowników jest zbyt wielu i ich urządzenia transmitują dane z dużą prędkością, dostępnych częstotliwości (kanałów) nie wystarcza dla wszystkich. Jeśli ktoś kiedyś sięgnął po telefon komórkowy w dużym mieście i zobaczył informację „brak dostępu do sieci”, najpewniej powodem było wyczerpanie dostępnych kanałów. Można temu zaradzić, zmniejszając i zagęszczając obszary obejmowane przez anteny (komórki sieci telekomunikacyjnej) z kilometrów kwadratowych do pojedyncznych budynków albo nawet pomieszczeń. Wtedy liczba odbiorników obsługiwanych przez jedną stację bazową jest mniejsza i dla każdego wystarcza widma – każdy więc może korzystać z rozmów i internetu mobilnego.
Smartdoświadczenia
Nową telefonię 5G scharakteryzować można tak: to wysokie częstotliwości fal, gęsta sieć anten, a więc małe obszary komórek, i dużo informacji możliwych do przekazania w krótkim czasie. Te technologiczne udogodnienia przekładają się na zupełnie różne doświadczenia użytkowników sieci 5G. Przede wszystkim liczba możliwych uczestników „ruchu” może być znacznie większa niż w dziś istniejących sieciach – już nie kilkaset odbiorników (telefonów) na kilku kilometrach kwadratowych, ale kilkadziesiąt tysięcy na obszarze kilkakrotnie mniejszym. Ma to kolosalne znaczenie dla nowych technologii: internetu rzeczy (IoT), inteligentnej garderoby, inteligentnych miast.
Rzeczywistość sieci 5G to np. świat czujników zanieczyszczeń, które – rozmieszczone co kilkadziesiąt metrów na latarniach, skrzyżowaniach, przy centrach handlowych – badają poziom pyłów, tlenków siarki i azotów oraz pierwiastków ciężkich w powietrzu, a informacje te na bieżąco przekazują do centrum analitycznego. To świat autonomicznych pojazdów, które przemieszczają się po mieście albo po terenie fabryki, przewożąc ludzi, komponenty do produkcji czy paczki z zakupami internetowymi. Dzięki sieci 5G każdy z nas będzie mógł założyć inteligentny podkoszulek, który będzie na bieżąco monitorować tętno, oddech, temperaturę ciała – a potem powiążemy te dane z przebiegniętym dystansem i użyjemy ich do optymalizacji osobistego planu treningowego i diety.
Większa liczba urządzeń to także możliwość relacjonowania imprez sportowych w tzw. trybie uczestniczącym (immersive sport). Obserwując mecz piłkarski, będziemy mogli dynamicznie przełączać widok między kamerami zawieszonymi na wszystkich graczach i sędzim, wewnątrz piłki, na bramkach, operującymi z drona wiszącego nad boiskiem i ukrytymi w murawie. W sporcie zimowym będziemy mogli razem z następcami Kamila Stocha i Justyny Kowalczyk przeżywać wysiłek i emocje, widząc ośnieżone choinki, słysząc oddech sportowca i doping publiczności na finiszu.
Poza tym przepustowość transmisji w sieciach 5G umożliwia wideorozmowy i oglądanie filmów wysokiej jakości na smartfonach i tabletach. Każdy, kto dzisiaj ogląda filmy na urządzeniach mobilnych, wie, że transmisja czasami się zatrzymuje, że trzeba poczekać, aby ściągnąć film, a ograniczenia pasma sprawiają, że jakość obrazu spada – zwłaszcza kiedy odbiorca i jego urządzenie znajdują się w ruchu, np. w pociągu. W przypadku sieci 5G mówimy o wzroście przepustowości z 10–100 Mb/s (sieć 4G/LTE) do 1–20 Gb/s.
Trzeci element sieci piątej generacji, który w sposób radykalny zmieni doświadczenie jej użytkowników, to opóźnienia. Współczesny internet transmituje dane z opóźnieniem kilkudziesięciu (20–100) milisekund. Parametr ten ważny jest przede wszystkim dla graczy sieciowych, którzy muszą w ułamkach sekund reagować na sytuację na ekranie. Każdy, kto kiedykolwiek uczestniczył w rozgrywkach sieciowych, jak League of Legends, Fortnite albo Overwatch, wie, że szybkość reakcji i liczba akcji na sekundę ma w nich decydujące znaczenie. Internet mobilny nowej generacji sprawi, że radykalnie zmieni się doświadczenie użytkowników elektronicznej rozrywki – będą czuli się tak, jakby ich przeciwnik lub partner znajdujący się w Korei czy Kanadzie siedział tuż obok nich.
Możliwe będą też zupełnie nowe obszary zastosowań: poszerzona i wirtualna rzeczywistość. Opóźnienia sieci na poziomie 4–6 ms (zamiast 20–100) i prędkości transmisji rzędu 2–10 Gb/s to warunki do tworzenia wirtualnych doświadczeń bliźniaczo podobnych do rzeczywistych. Wyobraźmy sobie telekonferencję, przed którą zakładamy specjalne okulary, a nasz rozmówca dosłownie staje obok nas, wkomponowany w otaczający nas widok (pokój, ulicę albo werandę letniego domku). Wszystko online, w HD i 3D, tak jakby był tuż obok. Nie tylko słyszymy dokładnie jego głos, ale również widzimy mimikę i gestykulację. Wrażenie zdalnej obecności może być więc pełne – nawet jeśli nasz rozmówca faktycznie znajduje się tysiące kilometrów dalej.
Błyskawiczne, milisekundowe czasy reakcji konieczne są także w transporcie i automatyzacji produkcji (wspomniany już internet rzeczy). Aby ruch autonomicznych samochodów odbywał się płynnie, a drony dostarczające przesyłki do klientów nie zderzały się w locie, potrzebna będzie błyskawiczna wymiana informacji pomiędzy małymi urządzeniami sieci 5G. Opóźnienia rzędu 50 ms mogą okazać się zbyt duże – aby pojazdy stały się prawdziwie autonomiczne, a miasta były prawdziwie inteligentne, konieczne będzie zmniejszenie opóźnienia do wcześniej wspomnianych kilku milisekund.
Ale trzeba uczciwie powiedzieć, że większość zastosowań dopiero się narodzi. Nowe technologie mają to do siebie, że nie tylko są odpowiedzią na istniejące potrzeby, ale także tworzą nowe – z których istnienia wcześniej nie zdawaliśmy sobie sprawy. Przed erą smartfonów nie przypuszczaliśmy, że telefon zastąpi atlas samochodowy, sieci społecznościowe zmienią dziennikarstwo, serwisy takie jak Instagram i YouTube wywrócą do góry nogami świat reklamy, a randkowanie online zmieni się na zawsze za sprawą usług takich jak Tinder. Nie mamy pojęcia, co stanie się po upowszechnieniu usług 5G. Wiemy natomiast, że technologia przebuduje również świat biznesu: dzisiejsi giganci zostaną strąceni w niebyt, a w ich miejsce wejdą nowi, których jeszcze nie znamy. Dość powiedzieć, że wśród dzisiejszych dziesięciu najwyżej wycenianych firm tylko trzy są spoza dziedziny technologii informatycznych, a 20 lat temu połowa z nich nie istniała.
Czy sieć 5G szkodzi?
Sieć 5G to nie tylko szanse, ale i zagrożenia. W przestrzeni publicznej pojawiają się sygnały dotyczące obaw co do bezpieczeństwa technologii i urządzeń. Ale nawet jeśli większość z nich jest nieuzasadniona, ignorowanie ich to najgorsza strategia – umacnia sceptyków i stanowi paliwo fake newsów. Przykłady szczepień czy energetyki jądrowej pokazują, że ignorowanie lub wyśmiewanie pytań, nawet naiwnych i nieuzasadnionych, może się odbić czkawką w przyszłości.
Prawdą jest, że telefonia 5G korzysta z tych samych częstotliwości co kuchenki mikrofalowe. Czy skoro taka kuchenka potrafi w minutę zagotować kubek wody, to czy smartfon może negatywnie wpłynąć na nasze mózgi? Przecież podczas rozmowy trzymamy go przy uchu, a podczas snu znajduje się często blisko łóżka? Na szczęście nie – różnica polega na wykorzystywanej mocy. Dzisiejsze telefony pracują z mocą od 250 mW do 1 W, w zależności od liczby używanych kanałów transmisji oraz odległości od stacji bazowej. Im bliżej anteny sieci i im lepiej jest ona „widoczna”, z tym mniejszą mocą musi nadawać telefon. Dla porównania, przeciętna kuchenka mikrofalowa ma od 700 W do nawet 1500 W i koncentruje promieniowanie w stosunkowo wąskiej przestrzeni, aby podgrzać żywność.
W 2016 r. zakończono wieloletnie badania nad promieniowaniem radiowym i jego oddziaływaniem na żywe organizmy. Efekty kancerogenne pojawiały się dopiero po dwóch latach codziennej ekspozycji na promieniowanie o mocy 15 W/kg. Przekładając to na świat, który obserwujemy na co dzień – na nowotwór zachorowałby człowiek, który wszedłby na maszt, własnym ciałem zasłonił antenę telefonii komórkowej i pozostał w tej pozycji przez kilka miesięcy. Z tym że wcześniej przyjechałby technik transmisji, aby usunąć awarię – ciało ludzkie, składające się głównie z wody, dość mocno tłumi fale.
Telefonia komórkowa jest obecna w krajach rozwiniętych mniej więcej od 20 lat. Przez ten czas monitorowane są wskaźniki zachorowań na nowotwory, w tym guzy mózgu. Choć liczba urządzeń, częstotliwość ich używania, szerokość wykorzystywanego spektrum – wszystkie te parametry gwałtownie rosły, to wskaźniki zachorowań nawet nie drgnęły. Gdyby promieniowanie elektromagnetyczne pochodzące ze smartfonów powodowało jakieś nowe nieznane choroby, powinniśmy mieć już ich globalną epidemię: w roku 2019 prawie 5 mld osób będzie używało telefonii komórkowej.
Czy to znaczy, że sieci 5G są stuprocentowo bezpieczne, nie mają żadnego wpływu na nasze zdrowie i możemy stosować je bez żadnych ograniczeń? Każde twierdzenie pozostaje fałszywe, dopóki nie zostanie udowodnione; zasada ostrożności każe traktować każdą innowację techniczną ze sceptycyzmem. Dlatego Unia Europejska i inne kraje (np. Szwajcaria) powołały programy monitoringu ryzyka związanego z sieciami nowej generacji i ich promieniowaniem elektromagnetycznym. Jeśli nie wykryją realnych zagrożeń, poszerzą naszą wiedzę o fizyce fal i dostarczą danych, które pozwolą opracować jeszcze doskonalsze sieci. Ale przede wszystkim zamkną usta krytykom i siewcom strachu. Choć nie ma się co łudzić – tam, gdzie jest strach, jest też biznes do zrobienia. W internecie już można kupić specjalne opaski, cudowne amulety, domowe mierniki natężenia promieniowania (również w wersjach do powieszenia na łóżeczkach niemowlęcych) oraz koszulki dla kobiet w ciąży.
Realne mogą być natomiast zagrożenia psychiczne i społeczne związane z telefonią 5G i jej usługami. Już dzisiaj wyrosło nam pokolenie nałogowych użytkowników smartfonów. Skutki zdrowotne widoczne są zwłaszcza wśród młodych: oczy przyklejone do smartfona, przygięta szyja i pochylona sylwetka, ograniczenie aktywności fizycznej, przeniesienie kontaktów towarzyskich do sieci. Tutaj także brakuje systematycznych badań. A przecież wiemy, że społeczne zagrożenia związane z rozwojem technologii (np. epidemia fałszywych wiadomości i polaryzacja opinii, którą „zawdzięczamy” portalom społecznościowym) mają realny wpływ na rzeczywistość i stały się przedmiotem troski polityków, instytucji regulacyjnych oraz mediów.
Zmiana reguł gry
Sieci 5G to także zmiana reguł w globalnej grze gospodarczej. Ten, kto opanuje tę technologię i wyprzedzi innych, przejmie rynek warty biliony dolarów oraz kontrolę nad siecią i danymi w niej przepływającymi. Ameryka, która zdominowała rozwój internetu, boi się, że jej wielki rywal – Chiny – okaże się szybszy. Na wojnę handlową z azjatyckim gigantem oraz zakaz stosowania sprzętu chińskich producentów w USA i w Europie należy patrzeć nie tylko jak na ochronę przed szpiegowaniem osób, firm i instytucji demokratycznego świata przez Państwo Środka, ale także jako na protekcjonistyczną politykę gospodarczą, umożliwiającą rozwój własnych firm na własnym rynku. Stawka w tej grze jest bardzo wysoka – chodzi nie tylko o pieniądze, ale i globalny układ sił.
Rozwój sieci 5G będziemy obserwować już w najbliższych miesiącach i latach. Do naszych rąk trafią nowe smartfony i tablety; stopniowo będzie następował rozwój usług, a przestrzeń publiczna wokół nas – zwłaszcza miasta, biurowce oraz przemysł – zaroi się od inteligentnych urządzeń bezprzewodowo komunikujących się z internetem i z sobą nawzajem. Aż któregoś dnia obudzimy się w świecie, który będzie smart. Obyśmy znaleźli zastosowania i treści, które uczynią go lepszym, piękniejszym i bardziej przyjaznym dla wszystkich.
Jakub Chabik
inżynier informatyk, nieuleczalny geek nowych technologii