Agent Orange, czyli rzecz o tym, jak bardzo defolianty nie będą potrzebne do rozwoju sieci 5G

Ekspertem fundacji o nazwie Instytut Spraw Obywatelskich (w skrócie InSprO) jest Paweł Wypychowski. Ekspertyzy pana Wypychowskiego nabrały już statusu kultowych – wystarczy wspomnieć jego analizę "Białej Księgi" Ministerstwa Cyfryzacji, w której wyrokował, że ceny smartfonów 5G nie spadną nigdy przenigdy poniżej 3000 zł, a obywatele wydadzą z własnej kieszeni pomiędzy 80 a 200 mld na "wdrożenie" 5G. Dla porównania – budżet Polski w roku 2019, a więc w roku publikacji analizy InSprO, wyniósł 400 mld zł. Każdy zadałby sobie dość proste w swej logicznej konstrukcji pytanie – jakim cudem wdrożenie 5G miałoby kosztować nawet połowę rocznego budżetu całego państwa? Wspomniana ekspertyza tego nie wyjaśnia, ale nie przeszkodziło to autorom w promowaniu jej choćby w Sejmie.

Teraz pan Wypychowski na łamach Tygodnika Spraw Obywatelskich (tuba fundacji InSprO) opublikował artykuł, w którym stawia czytelników przed trudnym wyborem – wolą 5G czy… drzewa. Skąd wybór między 5G a drzewami? Ponieważ drzewa, wg eksperta InSprO, są jak kłoda (sic!) rzucona pod nogi rozwoju 5G. Jak widać, wyobraźnia granic nie uznaje. Pan Wypychowski dość swobodnie złowieszczy przeto, że "proceder wycinki drzew będzie więc dynamicznie postępował", a dla 5G "każda przeszkoda w postaci żywego drzewa stanowi poważne zakłócenie bezprzewodowej komunikacji".

Naukowiec w sensie Feynmanowskim

Zacznijmy od krótkiej biografii Pawła Wypychowskiego. Już z pierwszych zdań można dowiedzieć się, że ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Szczecińskiej na kierunku elektronika i telekomunikacja. To ważne o tyle, że pozwala stawiać mu (jakkolwiek by było "inżynier po fachu") wyższe wymagania odnośnie do tematyki, którą się zajmuje, wyższe niż przeciętnemu politologowi czy absolwentowi socjologii, prawda?

Sprawdźmy więc, czy tym razem panu ekspertowi, mieniącemu się również "naukowcem w sensie Feynmanowskim", czyli takim, dla którego "nauka to uporządkowany sceptycyzm co do wiarygodności opinii ekspertów", pójdzie lepiej niż z nieszczęsną analizą kosztów wdrożenia 5G. Kierując się bowiem jego własną zasadą – jest naszym obowiązkiem podać w wątpliwość w sposób uporządkowany wygłaszane przezeń, jako eksperta, opinie. Podajemy je zatem… a wątpliwości nie brakuje.

Wysysanie powietrza

Ekspert, podstawową przeszkodą, którą zawsze bierze się pod uwagę przy projektowaniu sieci, nie są drzewa, tylko powietrze, czyli podstawowe medium, w którym rozchodzą się fale elektromagnetyczne. Tzw. tłumienie wolnej przestrzeni pozwala w pewnym uproszczeniu określić, jaka część emitowanego przez antenę nadajnika sygnału ulega "ulotnieniu", zanim dotrze do anteny odbiornika. Tłumienie wolnej przestrzeni jest fundamentalnym czynnikiem w określaniu tzw. budżetu łącza radiowego, czyli tego, czy przy pewnych zadanych parametrach wejściowych, mocach i odległościach w ogóle dojdzie do skutecznej komunikacji między nadajnikiem a odbiornikiem sygnału radiowego. W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że tłumienie wolnej przestrzeni jest zgodne z prawem odwrotnych kwadratów – a więc moc sygnału maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od jego źródła.

Tłumienie wolnej przestrzeni jest również zależne od długości fali, czyli częstotliwości. Dla łączności typu punkt-punkt, zgodnie z obowiązującym zaleceniem ITU-R P.525-4 można opisać je wzorem: Lbf = 32,4 + 20log(f) + 20log(d). Podstawiając do wzoru częstotliwość (f) wyrażoną w [MHz] oraz odległość (d) wyrażoną w [km], każdy może przekonać się, jak te dwie zmienne wpływają na tłumienie w wolnej przestrzeni Lbf. Dlaczego więc pan ekspert nie wieszczy, że telekomy będą wysysać powietrze, zamiast wycinać drzewa, tego nie wie nikt.

Dyfrakcja, propagacja, interferencja i inne trudne słowa oznaczające zjawiska jeszcze bardziej skomplikowane, rodzą kolejne pytania. Dlaczego drzewa miałyby być problemem dla 5G, a nie były dla 4G, 3G i wcześniejszych generacji? O ile nam wiadomo, drzewa istniały na Ziemi na długo przed tym, zanim pojawiła się pierwsza sieć komórkowa. Skoro drzewa istniały, więc ich obecność musiała być uwzględniana w planowaniu już najwcześniejszych sieci radiowych. I dokładnie tak było.

Propagacja fal radiowych to złożone zjawisko. Jak wiemy ze szkoły, fale elektromagnetyczne podlegają całemu spektrum zjawisk. Są to m.in. dyfrakcja, odbicie, załamanie czy polaryzacja. W radiokomunikacji niezmiernie rzadko (na tyle rzadko, że praktycznie nigdy) dochodzi do zjawiska zwanego propagacją jednodrogową – czyli takiego, gdzie fale docierają z nadajnika do odbiornika wyłącznie jedną, najkrótszą i absolutnie niezakłóconą drogą. W systemach komórkowych mamy zwykle do czynienia z propagacją wielodrogową, kiedy to sygnał dociera do odbiornika z wielu kierunków, ulegając wcześniej odbiciu, załamaniu czy dyfrakcji. Propagacja wielodrogowa zawsze stanowi wyzwanie, ale często daje również szansę. Szansę na to, że mimo przeszkód odpowiednia porcja energii jednak dotrze do odbiornika i łączność zostanie nawiązana.

Zagadnieniami propagacji zajmuje się wiele gremiów. Chyba najważniejszym z nich jest grupa robocza ds. propagacji, działająca w ramach Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego ITU. W jej pracach bierze udział cały wachlarz ekspertów – fizycy, inżynierowie, specjaliści od radiokomunikacji. Nic więc dziwnego, że już dawno temu zajęli się oni również problemem tłumienia sygnału przez roślinność. I rozłożyli problem na czynniki pierwsze.

Zbadane, zmierzone, policzone

W zaleceniu ITU-R P.833-10 opisano szczegółowo wpływ różnych rodzajów roślinności na tłumienie sygnału. Najwcześniejsza wersja zalecenia datowana jest na 1994 rok – dziw bierze, że ekspert InSprO nie znał tego dokumentu! Eksperci ITU zbadali i zmierzyli m.in. to, w jaki sposób poszczególne gatunki drzew tłumią sygnał o różnych częstotliwościach, sięgających nawet 100 GHz. Opisano i zamodelowano sosny, dęby, klony. Określono przeciętną wielkość liści, grubość gałęzi, wielkość koron. Zamodelowano wpływ poszczególnych pór roku na rozchodzenie sygnału – pan ekspert Wypychowski zapomniał o tym, że w naszym klimacie drzewa pozostają bez liści przez większą część roku, nie stanowiąc wtedy przeszkody dla działania sieci radiowych. Określono także, jaka porcja energii ulega pochłonięciu przez drzewa, jaka odbiciu (od liści, ale i gruntu), jaka dyfrakcji na koronie drzewa. Słowem – stworzono cały model pozwalający przewidzieć, jak będzie rozchodzić się sygnał sieci komórkowej w środowisku o bujnej roślinności. Wnioski płynące z zalecenia ITU-R P.833-10 stosowane są przy modelowaniu sieci.

Dlatego zupełnie na poważnie jednak uspakajamy z całą mocą: żeby skutecznie wdrażać 5G, nie trzeba używać defoliantów, takich jak tytułowy Agent Orange. Wystarczy stosować faktyczne zdobycze nauki, a nie pseudonauki.

Blacha, Panie Inżynierze! Mamy problem z blachą!

Na koniec mała dygresja. Sieć 5G wykorzystująca fale milimetrowe (częstotliwości 26 GHz i wyższe) będzie zupełnie inna od znanych nam dziś sieci, złożonych z anten posadowionych w polach bądź na budynkach. Będzie to albo "hotspot" obsługujący punktowo ruch w centrach miast czy galeriach handlowych (gdzie drzewa raczej nie rosną), albo element prywatnej sieci wewnątrzbudynkowej, gdzie zamiast z tłumieniem przez roślinność, trzeba będzie się zmierzyć z odbiciami od powierzchni ścian z blachy falistej wewnątrz hal produkcyjnych czy magazynów. Czekamy z niecierpliwością na kolejny artykuł na łamach "Tygodnika Spraw Obywatelskich", tym razem o tym, jak dla rozwoju 5G trzeba będzie demontować zakłady produkcyjne. Albo wysysać powietrze.

O projekcie

Projekt "Sprawna telekomunikacja mobilna jako klucz do rozwoju i bezpieczeństwa" realizowany jest przez KPRM we współpracy z Instytutem Łączności – Państwowym Instytutem Badawczym w ramach Programu Operacyjnego Polska Cyfrowa Działanie 3.4. Kampania ma na celu zwiększenie świadomości Polaków w zakresie działania, wykorzystania, bezpieczeństwa i znaczenia mobilnych sieci telekomunikacyjnych, a tym samym usług (w tym publicznych) opartych na tych sieciach. W ramach projektu zrealizowane zostaną działania w następujących obszarach: walka z dezinformacją, edukacja, podstawy prawne procesu inwestycyjnego, bezpieczeństwo i jakość życia.

Michał Połzun, ekspert od systemów łączności bezprzewodowej, współpracownik m.in. Defense Information Systems Agency DISA, SZ RP, ITU, CEPT;

Rafał Pawlak, kierownik Zakładu Badań Systemów i Urządzeń, Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy;

Kinga Graczyk, politolog

Instytut Łączności – PIB
www.gov.pl/instytut-lacznosci