Ускорение 5G

Первые сотовые телефоны появились в продаже в 1983 году, в 2015 году число их владельцев достигло 3,6 млрд, и к 2020 году ожидается 4,6 млрд — примерно 60% населения Земли. В США только 46% домов всё ещё имеют наземные телефонные линии.

Эксперты компании «Эриксон» предсказывают, что месячный трафик на один смартфон в Северной Америке возрастёт с 7,1 Гбайт в конце 2017 года до 48 Гбайт к концу 2023 года. Спрóсите, зачем так много? А уже к 2020 году половина телезрителей будут смотреть ТВ не по объявленной сетке вещания, а выбирая стриминговый контент разных каналов или архивов через свой смартфон. Да и тактильный интернет уже на подходе. Он сможет в ближайшем будущем передавать на расстояние ощущение материала, его сопротивление и т.д.

Впрочем, главная проблема с передачей данных, конечно, не в тактильном интернете. Частот передачи остро не хватает для связи производственных объектов между собой. Кроме интернета людей теперь стремительно развивается интернет вещей (Internet of Things — IoT). В минимальном варианте это сеть объединённых через интернет объектов, способных не просто собирать и передавать данные, но и взаимодействовать друг с другом и с окружающей средой. В более продвинутом варианте сети, который называют «промышленный интернет вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT), обязательно присутствуют аналитические средства искусственного интеллекта, а также хранилища данных. На производственной стороне его использование предполагает минимизацию участия человека. Ожидается, что к системам IoT уже в 2020 году будет подключено более 20 млрд устройств. Совокупный рынок для них составит свыше 7 трлн долларов (больше четырёх годовых валовых продуктов России).

Действующий протокол Интернета IPv4 позволяет иметь только 4,3 млрд адресов в 32-битном формате. Идущий сейчас постепенный переход на IPv6 позволит в 128-битном формате иметь адресное пространство величиной 3,4x1038. Однако для большинства устройств IoT выход в большой интернет совсем не обязателен, достаточно местного сервера, да и безопасность локальной сети выше.

Проблема IoT — задержка сигнала, что при движении, например, беспилотного автомобиля может определять, выживут его пассажиры или нет в чрезвычайной ситуации. Если сигнал идёт по беспроводной мобильной сети 4G LTE (от англ. Long-Term Evolution), то его задержка составляет не менее 55—70 мс, что во множестве случаев совершенно неприемлемо. Поэтому связь в IoT, по мере его развития, будет всё больше переходить на беспроводной стандарт 5G (то есть пятого поколения), работающий на миллиметровых волнах. Такой переход даёт несколько решающих преимуществ: низкую задержку сигнала (1—2 мс), малое потребление энергии и высокую скорость передачи данных.

Свободных частот в ныне используемых диапазонах уже не осталось, а миллиметровые волны охватывают огромный, почти не занятый диапазон. Но 5G приносит и множество проблем, которые ещё предстоит решать. В отличие от более длинных волн нынешних стандартов, миллиметровые волны обладают меньшей проникающей способностью, так что стены и даже листва практически полностью их экранируют — не обязательно поглощают, но частично рассеивают. Есть вариант развешивать на проводах множество алюминиевых отражателей — что-нибудь да пробьётся в разных направлениях. Для использования широкой публикой (в отличие от IoT) 5G придётся сочетать с более длинными волнами и резко увеличивать плотность размещения ретранс-ляторов, впрочем, гораздо меньшего размера и мощности, чем действующие. Внутри зданий беспроводная сеть останется, вероятно, примерно в том виде, как она есть сейчас.

При этом никто не ждёт, что 5G полностью заменит и вытеснит 3G/4G/4G LTE в быту. В сельской местности просто нерационально создавать по всей стране гексагональную сетку с ячейкой 250 м для ретрансляторов 5G. Но там, где будет плотный трафик самоуправляемых машин и передача большого количества видеовещания, 5G появится в первую очередь и в ближайшем будущем. Собственно, будущее уже наступило. С 1 октября 2018 году «Verizon», одна из ведущих телекоммуникационных компаний США, начала продавать услуги через систему 5G на частоте 28 ГГц более чем в десятке крупных американских городов, включая второй по величине в стране Лос-Анджелес. Однако до 2020 года это будет ещё не мобильная телефонная связь, а подключение к интернету всего дома. Это конкуренция с кабелем: что дешевле — подключить дом к 5G сети (в качестве приманки включают бесплатный сервис ТВ) или протянуть к нему кабель? Другие сети отстают на месяцы, но не на годы. В Китае в шести главных городах в конце 2017 года запущены пилотные программы, и к 2020 году они должны начать приносить доход.

Когда дело дойдёт до персональных мобильных телефонов (2020 год), люди тоже будут не в обиде. Прежний (не 5G) телефон использовал для приёма пассивную антенну. Новому, работающему на миллиметровых волнах (частота ~30—300 ГГц), будут нужны или несколько пассивных антенн, или, куда более вероятно, антенна с активной фазированной решёткой. Такие давно используются в радиолокации, но лишь в последние годы их миниатюризировали настолько, чтобы они помещались в изящный корпус современного смартфона. Компьютер такой антенны (а смартфон — это полноценный мощный компьютер) непрерывно и очень быстро ищет сигналы, мгновенно захватывая направление на более сильный. Расход энергии при такой приёмопередаче существенно уменьшится, так что батарейка будет жить до зарядки дольше — несколько дней. Суммарная скорость передачи данных возрастёт по крайней мере в десять раз. Инфраструктура сотовых сетей останется, но у них появится дополнительная функция: связывать между собой «малые башни» 5G, которые будут уже общаться с пользователями. Расстояние от телефона до «башенки» может быть не более 250 м, но размер ретрансляторов (примерно с обувную коробку) и излучаемая мощность так малы, что их можно расставить в больших городах не только на крышах домов, но и на столбах фонарей освещения. Малая мощность передатчика важна как для увеличения времени пользования одним зарядом батареи (особенно в IoT, где датчик сможет стоять 5—10 лет без обслуживания), так и для обеспечения безопасности владельца мобильного телефона.

Говоря о безопасности мобильной связи, следует отметить, что длительное использование мобильных телефонов миллиардами людей надёжнее многих исследований демонстрирует, что никаких вредных последствий оно не вызывает. Мы всегда жили и живём в электромагнитном поле разнообразных частот, прежде всего — на солнечном свету. Влияние электромагнитного поля на биологические объекты зависит от длины волны (частоты) излучения. Энергия кванта даже красного света примерно в 1500 раз выше, чем у кванта одномиллиметрового радиоизлучения. Общее количество энергии солнечного света за ясный день в средней полосе составляет ~1000 Вт/м2 перпендикулярной к свету поверхности. Это в 4000 раз больше предельно допустимой нормы для облучения радиочастотами в РФ — 25 мкВт/см2. Можно напомнить и о том, что системы Wi-Fi, которые у многих из нас круглосуточно включены и дома, и на работе, тоже используют частоты 2,4 и 5 ГГц.

Шашлык делают, вращая кусочки мяса над тлеющими углями, то есть над источником инфракрасного излучения. Оно проникает в поглощающий органический материал на доли миллиметра, дальнейшее — теплопроводность и терпение. Примерно так же обстоит дело с ультрафиолетом (благодаря которому мы приобретаем загар) и видимым светом: они обладают почти нулевой проникающей способностью. Но в обе стороны спектра от них она растёт. Рентген используется для того, чтобы посмотреть, что у нас внутри. Длинные, средние и короткие радиоволны проходят сквозь тело (точнее — вокруг него), практически никак на него не влияя. А вот то, что используется в мобильных телефонах (деци-, санти- и миллиметровые волны), человеческим телом поглощается и превращается в тепло. Чем ниже частота, тем глубже проникает излучение, поэтому размораживание в микроволновке (длина волны 12,5 см, частота 2,45 ГГц) проходит за считаные минуты — её излучение проникает на 1—2 см вглубь продукта.

Допустимый уровень безопасности радиочастот установили таким образом, чтобы облучаемая часть тела (не вся его масса) нагревалась не более чем на 0,3°, потому что повышение температуры на 1° — это уже болезненное состояние для нагретой ткани. В Европе и Северной Америке его измеряют в Вт/кг. Излучение с частотой выше 6—10 ГГц поглощается кожей на глубине до 0,25 мм, поэтому его выражают в милливаттах на единицу площади, обычно на квадратный сантиметр. В России предельно допустимый уровень радиочастотного облучения (в рабочей зоне) для всех частот от 300 МГц до 300 ГГц установлен в 25 мкВт/см2 при восьмичасовой экспозиции. Специалисты признают, что это более жёсткие требования, чем западные, но прямой перевод этих величин в Вт/кг невозможен.

Изменится ли ситуация с внедрением 5G? Да, с ним приходят длины волн, которые давно используются в радиолокаторах: санти- и миллиметровые. Их воздействие на биологические объекты сомнению не подлежит. Это хорошо и плохо. Плохо, что воздействие есть. Хорошо, что оно уже довольно подробно изучено: с радиолокаторами люди работают куда дольше, чем с мобильными телефонами. Не будем мучить читателя, результат известен: те дозы излучения, которые предполагаются как в телефонах, так и в приёмопередающих станциях 5G («башенках»), никакой опасности для человека не представляют.

Почему же страшилки не утихают? Это эффект ноцебо — такое же самовнушение, как плацебо, но с обратным знаком. Яркий пример: нарушение табу у дикарей, уверенных, что оно приведёт их к смерти. Достоверно зафиксированы случаи такой смерти. Существует обширная литература по психосоматическому воздействию электромагнитных полей. Полная аналогия с нарушением табу: никакой физической причины нет, но люди-то заболевают или им кажется, что заболевают. Масла в огонь спекуляций подлил недавно (2016) разразившийся скандал с неизвестной болезнью дипломатов США и Канады в Гаване, в результате которого десятки сотрудников дипмиссий и все члены их семей были эвакуированы, а улучшение отношений с Кубой сорвано. В качестве возможной причины называли и радиочастотное облучение.

Тем не менее остаётся и вполне законный вопрос: а нет ли неких скрытых или плохо изученных опасностей? Частично ответ, породивший волну неоправданного страха, уже, казалось бы, дан. Международное агентство по исследованию рака IARC (International Agency for Research on Cancer) ещё в 2011 году классифицировало радиочастотную радиацию как «возможный канцероген» класса 2В (где 1 — определённо канцероген; 4 — вероятно, не канцероген). Однако не будем забывать, что в этот же класс входит кофе; мясо относится к более опасному 2А, а обработанные мясопродукты (сосиски, ветчина, пельмени и т. п.) — вообще к первому классу. Не пугайтесь, IARC в своей классификации оценивает не потенциальный риск объекта, а степень убедительности имеющихся по нему научных данных. Так что пейте кофе и ешьте мясо, если вам так хочется, и слушайте при этом музыку из своего смартфона — ничего страшного не происходит, просто убедительных данных мало.

Ещё в 2008 году в Великобритании было начато скрупулёзное исследование длительного воздействия мобильных телефонов на здоровье человека. Настолько серьёзное, что и в середине 2017 года авторы проекта сообщали, что до его завершения пройдёт ещё несколько лет. В некоторых работах искали, и иногда находили, влияние высокочастотного излучения на зрение, мозг, нервную проводимость, наследственный аппарат и т. д. Зачастую эти работы или статистически недостоверны (обычно из-за малого числа участников — кому охота быть подопытным кроликом, если у тебя ничего не болит?), или невоспроизводимы. Другие свидетельствуют об отсутствии такого влияния.

Японские исследователи в 2016 году проверяли в течение 24 часов влияние на трупные ткани роговицы человеческого глаза излучения 60 ГГц при 1 мВт/см2 (допустимая в США или 40-кратная по российским нормам доза). Статистически никакого влияния не обнаружено. Если уж мобильники вызывают какой-либо рак, то рак кожи — самый подходящий подозреваемый, ведь телефон лежит в кармане, в руке или прижат к уху. В Дании проверили статистику заболевания раком кожи на солидном числе пользователей мобильных телефонов (свыше 350 тысяч за 13 лет) и не нашли никакой корреляции. Единственный убедительно доказанный, но до конца не объяснённый пример воздействия радиочастотного излучения — это микроволновый звуковой эффект, обнаруженный ещё в 60-х годах XX века. Предполагают, что причина, по которой человек (даже глухой), попадающий в импульсный луч радиолокатора, может слышать щелчки, скрипы и другие звуки, — быстрое, но незначительное нагревание мозга — около 10-5 °С(!) и термоэластичное расширение элементов чрезвычайно чувствительного слухового аппарата. При постоянном облучении ничего подобного не возникает, даже при 160-кратно более высокой мощности луча.

Но если нагревание от миллиметрового излучения существует, то как люди используют новинку в первую очередь? Правильно — в военных целях. Если собрать 95-гигагерцовый луч мощностью уже в кило-, а не микроваттах, как в телефоне, то получится оружие. Даже два, оба нелетальные. Одно может применяться для защиты взлетающих и садящихся самолётов. Если система охраны аэродрома засекает вспышку от запуска ракеты ПЗРК по самолёту, то с ближайшей башни на неё направляют микроволновый луч, выводящий из строя её головку самонаведения.

Другое — это установка для разгона толпы или невидимого ограждения важной зоны. Человек, попадающий в луч установки, действующий на расстоянии 500 м, а то и несколько более, чувствует жжение на коже, которое немедленно исчезает, если выйти из луча. Чтобы не обжечь глаза, достаточно опустить веки. Кстати, и отложенные последствия в США отслеживали, прежде чем разрабатывать прототип. Работы в этом направлении идут и в России, Китае, Индии, Великобритании.

Вывод: применение радиоволн с частотой в десятки, а то и сотни гигагерц будет быстро развиваться в ближайшие годы как в промышленности, так и в повседневной жизни, причём для мирных граждан они никакой опасности не представляют.

***

Первое поколение мобильной связи было аналоговым: ничего, кроме речи, телефон не передавал. Второе поколение (2G) было уже цифровым и поэтому не только давало более надёжную и быструю передачу речи, но имело и некоторые черты современной связи; оно позволяло, прежде всего, принимать и отправлять короткие текстовые сообщения (sms — Short Message Service) и картинки. Протокол GSM претерпел многочисленные изменения, позволившие достичь потолка скорости в 2G 384 кбит/c. Но не 2 Мб/с, которых требовал протокол 3G (1998 год). Четвёртое поколение (4G) появилось ещё через 10 лет и было развитием предыдущего. Переход на него требовал более современных телефонов, совместимых с новыми частотами, используемыми в 4G, и протоколами связи. Здесь уже предусмотрен полноценный доступ в интернет с многочисленными «видео возможностями»: от ТВ и кино до сложнейших видеоигр, не говоря уже о Skype и других видеочатах. Теоретически 4G даёт возможность передавать данные со скоростью до 1 Гбита/с. Реальность обычно отстаёт от теории.

Источник: журнал Наука и жизнь, № 02, 2019