Promieniowanie elektromagnetyczne w sieciach komórkowych

W ostatnim wpisie  zajmowaliśmy się częstotliwościami i ich charakterystykami. Nieodłącznym zagadnieniem pojawiającym sie przy tym temacie jest promienowanie elektromagnetyczne. Czym więc ono jest? I jak zmieniało się ono w kolejnych technologiach.

Głównym źródłem fal elektromagnetycznych w sieciach mobilnych są anteny. W zależności od częstotliwości i ilości przesyłanych danych fale te niosą różną energię. I to właśnie transport tej energii nazywany jest promieniowaniem. Z faktu, że czasem danych wysyłamy więcej, a czasem mniej można wnioskować, że energia ta raz będzie większa, a raz mniejsza. A to oznacza, że pole elektromagnetyczne w sieciach mobilnych to pole dynamicznie zmienne, gdzie wartości maksymalne osiągane są niezwykle rzadko.

Promieniowanie elektromagnetyczne w kolejnych technologiach

Poniższa ilustracja przedstawia widok satelitarny czterech stacji bazowych ze wskazaniem w jakich technologiach pracują. Powiedzmy zatem kilka słów o każdym z tych przykładów.

Technologia 1G zbudowana była w oparciu o anteny dookólne – co oznacza, że energia (ten sam sygnał) emitowana była równomiernie we wszystkich kierunkach. Niskie częstotliowości pozwalały na budowanie stacji bazowych w dużych odległościach od siebie, a to z kolei sprawiało, że pojemność sieci była mała. Jedna stacja musiała obsłużyć wielu użytkowników na dużym obszarze, przez co moc takiej stacji musiała być odpowiednio duża. Dodatkowo widać, że odległość użytkownika od stacji powoduje spadek siły I jakości sygnału co powoduje problemy jakościowe na krańcach komórek.

Technologie 2G, 3G i 4G w poszukiwaniu pojemności uruchomione zostały na wyższych częstotliwościach, co wpłynęło na zmniejszenie zasięgu stacji bazowych, a to z kolei na gęstość budowy siatki stacji bazowych. Dodatkowo poczynając od 2G zaczęto wykorzystywać tzw anteny sektorowe, które koncentrują energię w pewnym obszarze – na przykładzie widoczne są 3 sektory - 120 stopni każdy. W porównaniu do stacji z antenna dookólną, pojemność sieci urosła trzykronie. Na obszarach o większym ruchu można użyć np. konfiguracji anten 6 * 60 stopni. Anteny sektorowe dalej jednak wysyłają część energii w kierunkach gdzie nie ma żadnego użytkownika przez co energia ta jest marnowana. Podobnie jak w 1G im dalej od anteny tym gorsza jakość transmisji.

Istnieje wiele rodzajów anten, które w większości wyglądają bardzo podobnie. Nad wyborem anteny odpowiedniej dla konkretnej stacji bazowej I konkretnego obszaru odpowiada specjalista, który po głebokiej analizie oraz licznych wizjach lokalnych dobiera model, który spełnia wszystkie wymogi użytkowe i prawne.

5G dzięki technologii massive MIMO (technika wieloantenowa) może generować wąskie wiązki sygnału w sposób dynamiczny i tylko w kierunku w którym wymagana będzie transmisja. Dla najwyższych częstotliwości wspomniane wiązki sygnału będę generowane dla każdego użytkownika niezależnie, z mocą transmisji dostosowaną do potrzeb każdego użytkownika – co jest niemożliwe do zrealizowania przy użyciu anten sektorowych, w których jeden sygnał dostarczany jest do kilkudziesięciu użytkowników na raz.

W miejscach o słabym zasięgu, o wzmożonym ruchu i zwiększonym zapotrzebowaniu na pojemność będziemy budować mikro komórki, pico komórki, Radio Dot, dzięki którym sygnał będziemy dostarczać z bliższej odległości z minimalnym wpływem przeszkód w postaci ścian, drzew, szyb, które wygłuszają nasz sygnał. Pico komórki, Radio Dot mogą być wykorzystywane również we wcześniejszych technologiach, jednak dopiero 5G w pełni wykorzysta ich potencjał (obsługa wysokich częstotliwości).

Moce na stacjach bazowych

Warto tutaj wspomnieć o mocach z jakimi pracują wzmacniacze na stacjach bazowych. Jak można się spodziewać makro komórki – w których odległość między antenami jest duża będą pracowały ze względnie dużą mocą – 20 – 100W. Im mniejszy rozmiar komórki tym mniejsza moc nadajnika. Dla mikro komórek odpowiednią mocą będzie kilka wat, natomiast w przypadku Radio Dot montowanych w pomieszczeniach wprost w naszym sąsiedztwie będzie to maksymalnie 200mW. Warto tu wspomnieć, że 200mW to także najczęściej maksymalna moc naszych urządzeń końcowych. Na poniższym rysunku zilustrowano zależność mocy nadajników na dwóch końcach transmisji od miejsca lokalizacji anteny. Podsumowując: im słabszy zasięg – tym większa moc nadawania. Dzięki bliższej lokalizacji anteny jesteśmy w stanie obniżyć moc nadajnika trzymanego przy głowie nawet 100-krotnie.

Żeby przedstawić to jeszcze wyraźniej omówmy dwa przykłady. W pierwszym używam anteny zlokalizowanej 500m od urządzenia. Na drodze transmisji pojawiają się różne rodzaju przeszkody, jak ściany i drzewa. Przez to energia sygnału odbieranego jest słaba (jedna kreska zasięgu), a to powoduje, że nasz telefon chcąc dosięgnąć swoim sygnałem antenę na stacji bazowej musi pracować z pełną mocną. W tej sytuacji trzymamy przy uchu nadajnik pracujący z mocą 200mW (maksymalną mocą Radio Dot).

Drugi przykład to antena Radio Dot – zawieszona nad biurkiem. Dzięki temu, że sygnał nie musi się przebijać przez ściany i inne przeszkody może pracować z dużą niższą mocą, która I tak będzie wystarczająca, żeby dosięgnąć anteny. W tej sytuacji urządzenie końcowe może pracować z mocą 2mW.

Koncepcja pomiarów pola elektromagnetycznego PEM

Z uwagi na to, że pole elektromagnetyczne otacza nas codziennie, muszą istnieć regulacje prawne, które określają jaki może być maksymalny bezpieczny poziom promieniowania elektromagnetycznego w miejscach ogólnodostępnych. Regulacje te są określane indywidualnie przez każde z Pańśtw i opisywane jest w normach oraz ustawach. Dzisiaj prawie cały świat posiada podobne limity pól elektromagnetycznych, gdzie maksymalny limit promieniowania określony jest za pomocą widmowej gęstości mocy, której wartość została ustalona na 10 W/m2. Wspomnianą wartość 10 W/m2 możemy traktować jako stałą (wartość ta może się troche różnić w zależności od używanej częstotliwości).

Badanie pola elektromagnetycznego

Badanie PEM wykonuje wykwalifikowany personel przy użyciu specjalistycznego sprzętu. W trakcie badania ekipa sprawdza w obszarze zasięgu działania stacji bazowej jakie wartości pola występują w różnych obszarach komórki. Na ostatniej ilustracji widzimy sposób I miejsce przeprowadzania pomiarów. W miejscach oznaczonych X ekipa sprawdza jakie pole elektromagnetyczne odbierane jest na powierzchni jednego metra kwadratowego. Jeśli energia przekracza założone limity operator musi zmienić konfigurcję na taką, w której limity będą utrzymane. Badanie takie przeprowadza się na każdej nowej stacji bazowej lub na takiej, na której nastąpiła zmiana sprzętu mogąca skutkować zmianami pola elektromagnetycznego – nowe anteny, nowe wzmacniacze.

Oczywiście istnieją w sieciach mobilnych miejsca niebezpieczne, gdzie promieniowanie jest zbyt wysokie. Jednak są to miejsca do których dostęp mają tylko osoby upoważnione. W miejscach ogólnodostępnych każdy operator zobligowany jest utrzymywać poziomy promieniowania poniżej obowiązujących limitów. W przypadku wątpliwości co do poziomu promieniowania upoważnione instytucje państwowe mogę przeprowadzić niezależne pomiary weryfikacyjne, gdzie w przypadku odstępstw od normy mogą wyłączyć stację bazową, a także nałożyć na operatora olbrzymią karę finansową.