Fale i częstotliwości
W tym momencie telefony komórkowe, smartfony, tablety i większość urządzeń Wi-Fi działa z częstotliwością poniżej 3 gigaherców w tak zwanym „mikrofalowym” zakresie widma elektromagnetycznego. Gdyby można było zobaczyć i zmierzyć długości ich fal, okazałoby się, że mają wiele centymetrów długości. Na przykład smartfon działający z częstotliwością 800 megaherców wysyła i odbiera sygnały o długości fali wynoszącej 37,5 centymetra. Przy działaniu z częstotliwością 1,9 gigaherca długość fali wynosi 16 centymetrów. Wi-Fi wykorzystuje pasmo o częstotliwości 2,4 gigaherca z falami o długości 12 centymetrów.
Wprowadzenie 5G będzie skutkowało stosowaniem znacząco wyższych częstotliwości z odpowiednio krótszymi długościami fal. Powyżej 30 gigaherców długość fal liczy się w milimetrach, a nie w centymetrach. Milimetrowe pasmo fali (od 30 GHz do 300 GHz) określa się jako skrajnie wysoką częstotliwość (EHF), a jej długość wynosi od 10 do 1 milimetra.2 Aż do czasów obecnych nie propagowano powszechnie promieniowania elektromagnetycznego o bardzo wysokiej częstotliwości i jego wprowadzenie oznacza istotną zmianę charakteru energii elektromagnetycznej, która stanie się obecna w środowisku naturalnym (patrz rycina 2).
Ryc. 2. Częstotliwości i długości fal smartfonów, Wi-Fi i 5G.
Powodem, dla którego fale milimetrowe mają być stosowane w przypadku 5G, jest to, że przy bardzo wysokich częstotliwościach można uzyskać znacznie szersze pasma widma. To znaczy, że może istnieć dużo większa „przepustowość”. Większa przepustowość oznacza, że mogą być przesyłane większe ilości danych ze zdecydowanie wyższą prędkością ich transferu.
Jednym z efektów tego jest zmniejszenie tak zwanej „latencji”, czyli opóźnienia w systemie, co poprawia jakość strumieni wideo. W konsekwencji umożliwia to także większą płynność pomiędzy przekazem danych pochodzących z wirtualnych źródeł a naszą percepcją obiektów w realnym świecie, co jest konieczne na przykład w przypadku stosowania rozszerzonej rzeczywistości. Większa płynność oznacza, że z łatwością będziemy mogli przebywać w świecie naturalnym i elektronicznym, jak gdyby były one jednolitą rzeczywistością.
Jednym z technicznych problemów używania częstotliwości w milimetrowym zakresie widma jest to, że takie fale przenoszące dane są bardzo drobne, liczone w zaledwie milimetrach, w związku z czym nie są w stanie przenikać przez fizyczne bariery, w tym ściany i drzewa, tak jak dłuższe fale o niższych częstotliwościach. To dlatego potrzeba tak wielu nowych masztów telefonicznych lub „stacji bazowych”. Będą one musiały być oddalone od siebie co 100 metrów w miastach, bowiem przy większych odległościach ich sygnały słabną, przez co są mniej zdolne do penetrowania budynków, a także łączenia się ze znajdującymi się w nich urządzeniami. Oprócz rozmieszczenia bliżej siebie stacje bazowe 5G będą działały ze znacznie większą mocą niż aktualne maszty telefoniczne, aby zapewnić wystarczającą siłę sygnałów.
Biorąc pod uwagę to, że długości fal są znacznie mniejsze, anteny transmitujące i odbierające je również będą znacznie mniejsze od stosowanych obecnie na masztach telefonicznych i w urządzeniach elektronicznych. Pojedynczy nadajnik/odbiornik 5G będzie posiadał dużą liczbę małych anten, zgrupowanych razem w jednym module. Zestaw ponad tysiąca takich anten mierzy tylko cztery cale kwadratowe (26 cm2), więc z łatwością będzie pasował do małej stacji bazowej na latarni ulicznej, z kolei smartfon w kieszeni będzie prawdopodobnie miał ich szesnaście (patrz rycina 3).
Ryc. 3. Moduł z zestawem anten emitujących fale milimetrowe firmy Qualcomm do smartfonów obsługujących 5G. Zawiera cztery anteny,które mogą komunikować się z najbliższą stacją bazową 5G. Telefony będą miały cztery takie moduły, czyli szesnaście anten.
Zarówno satelity 5G, jak i znajdujące się na ziemi maszty 5G, będą wykorzystywały system zwany „szykiem fazowanym”. W szyku fazowanym zestawy anten w sposób skoordynowany emitują impulsy w określonym kierunku i w oznaczonym przedziale czasu. To pozwala kierować skoncentrowaną wiązkę fal radiowych w wyznaczone cele, umożliwiając nadawanie lub odbieranie sygnałów. Ponieważ wiązki są skupione w taki sposób, zwiększa to ich moc, co oznacza, że potrafią dużo łatwiej przenikać przez budynki.
Ale to oznacza również, że każda żywa istota, która znajdzie się na drodze takiej skoncentrowanej wiązki, zostanie poddana potężnej dawce promieniowania o bardzo wysokiej częstotliwości. Opublikowane wcześniej w tym roku badanie pokazało, że pewne owady ze względu na małe rozmiary swojego ciała są szczególnie wrażliwe na fale milimetrowe o wysokich częstotliwościach wykorzystywane przez 5G (patrz rycina 4).3 Inne badania ujawniły, że bakterie i rośliny są także na nie podatne, a ponadto (jak można by się spodziewać) skóra i oczy u zwierząt, w tym, rzecz jasna, u ludzi.4
Ryc. 4. Ilustracja przedstawiająca wchłanianie promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej przez pszczołę. Przy obecnie stosowanych częstotliwościach między 2 GHz a 6 GHz długość fali jest relatywnie duża w porównaniu do owada, ale przy 24 GHz długość fali jest bliższa rozmiarom owada i promieniowanie przenika głębiej.5
