Articol scris de Major Tom. 

E frumos și util să știi, e și mai frumos să înveți, dar mereu o vom da de gard în lipsa diversității întrebărilor pe care ni le punem. 

„Major Obvious, spune ceva nou sau mergi și bate-ți coasa laser!”

Eu n-am ce să vă spun nou, pentru că așa cum spunea cineva mai deștept decât mine, e foarte probabil ca tot ce-ți trece prin minte, să fi trecut demult prin mintea altora. Vă pot plictisi însă în felul meu semi-nerdy.

Apropo, diferența dintre un geek și un nerd este dată de faptul că nerdului îi place diversitatea, geekul este focusat doar pe jucăriile lui. Îi leagă însă ciudățenia. 

Toți avem câte o mică Olivia în noi și pe lângă noi, important e să nu-i permitem nici ei, nici altor temeri să ne conducă viața. 

În ciuda marketingului, 5G nu este despre viteză. Este despre creșterea capacității și a eficienței și scăderea latenței. Am ajuns într-un punct în care evoluția traficului de informație trebuie să descurajeze viteza și în general, cantitatea de date traficată per device odată cu încurajarea eficienței.

Motivul isteriei declanșate de adopția rețelelor 5G este legat de decizia de a folosi și benzi din spectrul electromagnetic cu frecvențe mai mari de 6 Ghz, al microundelor. Astăzi, întreaga infrastructură de date și voce se bazează în principal pe frecvențe până în 6 Ghz, dar cele mai frecvent folosite fiind 0.8/0.9/1.8/2.1 Ghz. Celulele 5G vor folosi însă și benzi de frecvență mult mai ridicată. Adică:

3Ghz – 30Ghz  (C-Band, X-Band, Ku-Band, K-Band) numite cmWave – adică au lungimea de undă de ordinul centrimetrilor

30Ghz – 70Ghz (Ka-Band, V-Band) numite mmWave – cu lungimi de undă în ordinul milimetrilor

O paranteză: Nu doar noul radio al celulelor 5G se duce în spectrul mmWave, dar și noua generație WiFi, numită WiGig, care va opera în 60 Ghz.

Mai sus de spectrul mmWave, dincolo de 300Ghz, urmează spectrul infraroșu și cel luminos, chiar și acestea, mult sub spectrul radiației ionizante. Practic subiectul isteriei ar trebui pur și simplu încheiat chiar aici: radiația electromagnetică din spectrul mmWave nu este radiație ionizantă, așa cum nu este nici radiație din spectrul luminos (adică nu e colorată). 

Dar pentru că inevitabil ne vom lovi de subiectul intensității radiației, hai să discutăm și problema asta. Spectrul electromagnetic este foarte serios reglementat și nu monteză nimeni un gigant cuptor cu microunde format din celule radio. Avem soarele care ne bombardează zilnic cu infinit mai multă energie.

În terminologie 5G, benzile cu cel mai mare suport internațional sunt împărțite în două zone:

FR1 (freq. range 1): sub 6 Ghz destinate în special locațiilor publice  exterioare pe distanțe lungi

FR2 (freq. range 2): peste 6 Ghz destinate în special locațiilor private interioare și exterioare pe distanțe scurte

Oricum, hai să vedem mai exact care este puterea radiată de celulele 5G.

EIRP

EIRP („Equivalent Isotopically Radiated Power”) este un acronim folosit pentru a reprezenta puterea efectivă radiată de un aparat (telefon sau celulă în cazul de față), într-o singură direcție. 

O celulă sau un telefon mobil radiază și/sau primește radiație prin intermediul uneia sau a mai multor antene. Antena are rolul de a converti semnalul electric în radiație electromagnetică, dar în procesul de conversie, antena amplifică și ea radiația în benzile în care a fost proiectată să radieze.

În același timp, eficiența cu care antena amplifică în benzile dorite este dependentă de designul carcasei (telefonului sau a celulei) și locul de amplasare a antenei. 

În cazul celulelor, performanța antenelor primează și drept urmare designul urmează această funcționalitate, dar în cazul telefoanelor, funcționalitatea și ergonomia lor este mult mai pretențioasă, iar designul nu urmărește foarte mult performanța radio. Asta înseamnă că apar pierderi din cauza carcasei, iar testele se fac pe produsul final. Odată autorizat, orice modificare minoră necesită retestare și reautorizare.  

Ziceam de EIRP, puterea efectivă emisa de echipament, adică exact cea măsurată și reglementată public. Urmează o formulă pe care o puteți ignora dacă n-aveți chef de matematică azi, o explic mai jos oricum. 

EIRP = log10(N) + Ge + log10(M) + Pa – Pc

N = numărul antenelor

Ge = amplificarea în decibeli adus de fiecare antenă, conversiei semnalului electric în radiație electromagnetică

M = numărul amplificatoarelor de emisie (de multe ori egal cu numărul antenelor)

Pa = puterea medie de emisie în decibeli a amplificatoarelor

Pc = pierderile cauzate de carcasa echipamentului exprimate în decibeli

Mai exact, puterea efectivă de emisie într-o singură direcție este calculată ca fiind suma dintre amplificarea produsă de antene și puterea totală a amplificatoarelor de emisie, minus pierderile generate de carcasă. Uite o schemă vizuală care probabil ajută. Se poate observa și puterea de emisie sau recepție în fiecare stadiu.

Reglementarea puterii emise de telefon (UE, User Equipment în terminologie de specialitate) este diferită de cea emisă de celule.

În terminologie de specialitate, celulele se numesc:

BTS – celulă GPRS

NodeB – celulă 3G

eNodeB – celulă LTE (4G)

gNodeB sau gNB – celulă 5G ce operează pe echipament radio nou, nu radio vechi, LTE. Inițial celule 5G vor opera pe echipamentul radio și benzile LTE, doar softul rețelei și basebandul vor fi diferite de LTE. 

Am vrut să ajung la valorile de emisie reglementate de autorități și să explic diferența de emisie dintre vechile radiouri (3G, LTE) și noile radiouri 5G. 

Întâi hai sa punem în perspectivă câteva puteri exprimate în decibeli, care este o scală logaritmică, nu lineară. Ajută mai târziu.

20 dBm – 100 mW

24 dBm – 250 mW

40 dBm – 10 W

43 dBm – 19 W

55 dBm – 316 W

64 dBm – 2.5 KW

75 dBm – 30 KW

E util să știți că pierderile cauzate de cel mai mic obstacol, chiar și de moleculele de aer, cresc odată cu frecvența. Ploaia e un obstacol serios în spectrul mmWave, la fel și copacii sau clădirile. Undele nu trec prin pereți la o frecvență de 28Ghz, nu mai vorbim de 60Ghz care se luptă din greu cu pierderile cauzate de moleculele de aer. 

În cazul 5G, numărul ridicat al antenelor ajută la formarea și propagarea radiației într-o singură direcție (super direcțional), ba mai mult, folosește multiple căi de propagare. Tehnica asta de direcționare precisă se numește Beamforming și folosește algoritmi de procesare digitală a semnalului pentru a calcula exact direcția sau direcțiile de propagare.

Reglementarea puterii de emisie

Reglementarea puterii de emisie se face pe 3 tipuri de echipamente:

base station power ( puterea de emisie a celulelor macro și sunt cele de pe dealuri pe care le vedeți în special în mediul rural)

mobile power (puterea de emisie a telefoanelor mobile)

transportable power (puterea de emisie a celulelor transportabile, dar fixe în timpul operării, de exemplu celulele de la metrouri sau acele CPE – customer premise equipment – de care vorbeam mai sus).

În mediul urban, celulele LTE transportabile emit cu aprox 56 dBm EIRP, adică aprox. 400 W. În mediul rural, cele macro emit cu aprox. 64 dBm EIRP, adică aprox. 2.5 KW.

Telefoanele mobile au voie sa emită maxim 43 dBm EIRP, adică 19W. Emisia etajului de amplificarea e limitat la puterea medie de 24 dBm, adică 250 mW. Restul amplificării până la 43 dBm, este asigurată de antenă, dacă este eficientă. În general, antenele telefoanelor mobile vin cu o amplificare de maxim 15 – 20 dBm, depinde de bandă.

În spectrul sub 6Ghz (FR1), celulele 5G vor opera cu aceași putere cu  cea a celulelor LTE. Am mai spus că inițial, 5G va rula pe radioul celulelor LTE. 

Propunerile pentru limitele de emisie ale celulelor macro 5G peste 6GHz (FR2) sunt de  fapt cele controversate. Frecvențele din zona FR2 vor fi folosite în special pe celule transportabile (de exemplu, la concerte)s, dar în rare cazuri, sub 0.5% din totalul celulelor 5G, se vor folosi celule macro ce vor opera benzi în spectrul mmWave. 

Limita de  emisie  a acestor celule macro care vor opera mmWave este controversată. Pe distanță lungă, la 28Ghz, ai nevoie de ceva mai multă putere pentru a combate până și pierderile cauzate de moleculele de aer, nu mai vorbim de ploaie. 

Ericsson propune 84 dBm per 100 Mhz, adică 250KW și colegii se revoltă. Te sperie puterea aia. Autoritățile de reglementare trag în jos la 75 dBm per 100Mhz, adică aprox 30KW, totuși mai decent. Vin cei de la Boeing să facă scandal: „lăsați-o la 64 dBm (2.5 KW) ca la LTE pentru că ne dorim un sistem de sateliți non geostaționari cu latență foarte mică în V-Band și ne încurcați”. 

Personal cred că celulele macro în mmWave sunt aproape inutile. Un posibil use case ar fi în zonele pârtiilor de ski aglomerate. Dar să admitem că se vor găsi mai multe use caseuri și se monteză pe deal lângă tine o celulă macro ce opereză mmWave. Șansele ca radiația la putere maximă să te atingă sunt aproape 0 din cauza Beamformingului. Telefonul tău e oricum aproape de celulă, deci vor comunica la putere mai mică, probabil undeva între 43 și 55 dBm. Radiația direcționată la distanță nu te va atinge pentru că este super direcțională. 

Te prăjești doar dacă stai la un metru de o celulă macro, dar nu ai nici un motiv să faci asta. În industria cinematografică de exemplu, se folosesc niște lumini foarte puternice, 20KW (descărcarea se face în gaz, o mixtura de mercur vaporizat, cu halogeni metalici, pentru cine e interesat). Aceste lumini sunt practic niște cuptoare dacă stai la un metru de ele. Nu ai de ce să o faci, așa cum nu ai nici un motiv să urci pe schelă, în apropierea unei celule macro.  

Practic toată isteria gravitează în jurul acestor 0.5% din cazuri, pentru că celulele 5G transportabile, cele găsite în mediul urban opereză la 55 dBm EIRP.

În realitate, cel mai comun scenariu de implementare a rețelei 5G în spectrul mmWave se va face prin amplasarea mai multor celule transportabile ce operează la putere de max 55 dBm (300W). Folosirea Beamformingului pe distanțe lungi este ineficientă (în special când plouă). Cel mai eficient și probabil scenariu este acesta: