Niemal każdy, w większym lub mniejszym stopniu, wie do czego służy światłowód. Przez większość ludzi jest on ściśle łączony z telewizją kablową oraz internetem przewodowym i jest to słuszne skojarzenie. Zarówno internet, jak i telewizja są obecnie nieodłącznym elementem życia i to, że możemy z nich obecnie korzystać w tak dobrej jakości, jest zasługą właśnie technologii optycznej.
Można śmiało powiedzieć, że zrewolucjonizowała ona możliwości transmisji danych, nic więc dziwnego, że z roku na rok jej popularność rośnie. Nie każdy jednak zdaje sobie sprawę, jak istotną rolę odgrywają światłowody w telekomunikacji i z tego, że nawet teoretycznie „bezprzewodowy” internet nie jest w stanie bez nich funkcjonować. Warto zatem bliżej zapoznać się z tym zjawiskiem, oraz z tym, jaką rolę odegrają przewody optyczne we wprowadzeniu nowej sieci komórkowej – 5G.
Na początek, należy zadać sobie podstawowe pytanie – czym właściwie jest światłowód? To rodzaj przewodu, służącego do przesyłania informacji, w którym zamiast energii elektrycznej wykorzystywana jest fala świetlna[1]. Przewód jest wypełniony przezroczystą strukturą z włókna szklanego (lub syntetycznego tworzywa), dzięki której przesyłane jest światło. Następnie, rdzeń jest otoczony osłoną odbijającą światło, potem kevlarem (lekki i niezwykle wytrzymały materiał, stosowany m.in. w kaskach ochronnych, kamizelkach kuloodpornych i kajakach[2]) i warstwą ochronną z PCV. W przypadku kabli uniwersalnych, umieszczanych pod ziemią, pomiędzy poszczególnymi warstwami znajduje się też specjalny żel[3].
Obecnie, światłowody są wykorzystywane przede wszystkim w telekomunikacji i telewizji kablowej, ale również np. w technice endoskopowej[4], używanej m.in. w medycynie i przez służby ratunkowe[5]. Odgrywają one także znaczącą rolę we wprowadzeniu piątej generacji sieci bezprzewodowej, która jest niezwykle istotna m.in. dla rozwoju nauki i nowych technologii oraz ze względu na rosnące potrzeby konsumentów, ale po kolei.
Krótka historia i rodzaje światłowodów
Sama historia powstania światłowodów jest dość burzliwa. Choć właściwości szkła w przesyłaniu obrazu odkryto już w starożytności, to za pioniera technologii światłowodowej uważa się niemieckiego fizyka – Henricha Lamma, który w 1930 roku po raz pierwszy przesłał obraz na odległość. Następnie, przez wiele lat technologia ta była udoskonalana, jednak kłopot stanowiło znalezienie odpowiedniego źródła światła. Przełom nastąpił dopiero w 1958 roku, wraz z wynalezieniem lasera. Kolejną trudność stanowiło tłumienie światła. Jego przyczynę (zanieczyszczenie szkła jonami wodorotlenków, żelaza, miedzi i kobaltu) oraz rozwiązanie problemu odkryli w 1964 roku Charlesa Kao i George Hockham z Standard Communications Laboratories, za co Kao otrzymał w 2009 roku Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki[6]. Pierwsze, powszechne wykorzystanie światłowodów w telekomunikacji miało natomiast miejsce w latach 70-tych ubiegłego wieku, m.in. w Turynie we Włoszech[7] oraz w Long Beach w Kalifornii (USA)[8].
Obecnie technologia ta znacznie się rozwinęła, a wraz z nią powstało wiele rodzajów światłowodów i kilka kryteriów ich klasyfikacji. Najczęściej, przewody te rozróżniamy pod względem geometrii, czyli budowy, na: planarne, paskowe i włókniste (różnią się one głównie grubością rdzenia szklanego). Drugi podział stanowią światłowody jedno- i wielomodowe, różnicowane ze względu na grubość rdzenia oraz ruch i długość fal przepływających przez przewód. Ostatni podział to światłowody skokowe i gradientowe, charakteryzujące się różnymi kątami odbijania światła. Należy pamiętać, że przewody optyczne mają wiele zastosowań i nie jest możliwe ograniczenie się do jednego rodzaju ich wytwarzania, a struktura konkretnego kabla zależy od jego przeznaczenia i tego, gdzie zostanie on umiejscowiony.[9]
Najbliższym konsumentom i jednym z najpopularniejszych obecnie rodzajów sieci światłowodowej jest FTTH (od angielskiego: Fiber To The Home), czyli światłowód w domu. Taka sieć składa się z trzech struktur: pierwsza to tak zwana sieć dosyłowa (realizująca transmisje danych od centrali telekomunikacyjnej do splittera, czyli rozdzielnika znajdującego się w budynku[10]). Następnie jest tzw. sieć pionowa, znajdująca się wewnątrz budynku (prowadząca ze splittera do skrzynek na poszczególnych piętrach), a na koniec – sieć pozioma (biegnąca ze skrzynek bezpośrednio do gniazdek odbiorców).
Ewolucja technologiczna
Można zapytać, na czym polega przełomowość światłowodów, skoro wcześniej również przesyłano dane za pomocą prądu elektrycznego i miedzianych przewodów? Otóż, ten sposób jest po prostu skuteczniejszy. Tradycyjne łącza internetowe były podatne na zmiany atmosferyczne i zaburzenia pola elektromagnetycznego, co skutkowało spadkami prędkości i innymi problemami technicznymi. Technologia światłowodowa nie tylko nie boryka się z takimi problemami, ale zapewnia również znacznie szybszą transmisję danych (nawet do 1 Tb/s) a także większą przepustowość, czyli m.in. możliwość obsługi większej liczby urządzeń w tym samym czasie[11].
To jednak nie jedyne korzyści płynące z tej technologii, w porównaniu do tradycyjnych łączy. Światłowody mogą pochwalić się również niższym zużyciem energii elektrycznej i wymagają mniejszej ilości urządzeń, wpływających na jakość sygnału. Same przewody są z kolei tańsze i bardziej wytrzymałe na uszkodzenia od poprzedników.[12] To wszystko sprawia, że łącza światłowodowe są lepszą opcją zarówno dla prywatnych odbiorców, jak i przedsiębiorców oraz firm telekomunikacyjnych.
Infrastruktura optyczna w Polsce
Skoro światłowody są tańsze, wydajniejsze i mniej awaryjne, nie dziwi fakt, że w ostatnich latach ich popularność stale rośnie. Jeśli chodzi o polskich operatorów telekomunikacyjnych, to absolutnym liderem z największą ilością światłowodów jest Orange. Przedstawiciele firmy chwalą się infrastrukturą optyczną o długości około 100 tys. km.[13] Dla porównania, drugi wynik przypadł firmie Exatel, posiadającej 20 tys. km przewodów[14]. Jak więc widać, różnice są ogromne.
Nie tylko prywatni przedsiębiorcy docenili jednak ten postęp technologiczny, ale również rządy państw, które wspomagają tworzenie odpowiednich infrastruktur. Polska nie stanowi tu wyjątku. „Dlatego do 2023 roku wsparcie (w ramach Programu Operacyjnego Polska Cyfrowa (przyp. aut.), da dostęp ponad 2 mln gospodarstw domowych do szerokopasmowego dostępu do sieci o przepustowości co najmniej 30 Mb/s, a ok. 11 tys. szkół zostanie podłączonych do sieci szerokopasmowej o przepustowości co najmniej 100 Mb/s. (…) Na wybranych obszarach (…) zostaną podłączone również jednostki ochotniczej straży pożarnej oraz gminne ośrodki kultury”.[15]
Co ciekawe, Polska należy obecnie do ścisłej europejskiej czołówki, pod względem rozwoju infrastruktury światłowodowej. W 2019 roku opublikowano raport Europe Broadband Status, sporządzony przez FTTH Council oraz IDATE DigiWorld, w którym badano m.in. przyrost liczby gospodarstw domowych, znajdujących się w zasięgu sieci światłowodowej. Badania przeprowadzano w okresie od września 2017 roku do września 2018 roku, a nasz kraj znalazł się na drugim miejscu, z przyrostem wynoszącym 40,5%, ustępując nieznacznie jedynie Włochom, z wynikiem 43,1%.[16]Według prognoz tych samych instytucji, w latach 2020-2025 Polska nadal utrzyma się w gronie europejskich państw, które będą mogły pochwalić się największym rozwojem technologii optycznej.[17]
W chwili obecnej, trwają prężne działania na rzecz rozwoju sieci optycznych, realizowane zarówno przez rząd, jak i prywatnych przedsiębiorców. Jedną z głównych przyczyn tych intensywnych prac, jest przygotowanie odpowiednich warunków do wprowadzenia piątej generacji sieci bezprzewodowej.
Czy 5G jest faktycznie bezprzewodowe, a światłowody przestaną być potrzebne?
Technologia 5G jest absolutnie rewolucyjna w stosunku do obecnej – 4G. Dlaczego? Ponieważ szybkość transmisji danych zwiększy się nawet do 10-20 GB/s, opóźnienia będą wynosiły maksymalnie 5ms, a przepustowość sieci pozwoli na przesyłanie znacznie większej ilości danych oraz jednoczesne podłączenie nawet miliona urządzeń na jednym kilometrze kwadratowym.[18] Takie wartości, w przypadku bezprzewodowego przesyłu danych, robią imponujące wrażenie, a przełożą się one na rozwój praktycznie wszystkich dziedzin, jak m.in.: nauka, przemysł, medycyna, rozrywka, transport oraz edukacja.
Biorąc pod uwagę korzyści płynące z nowej generacji sieci komórkowej, pojawiło się pytanie: czy wyprze ona światłowody, skoro otrzymamy tak duże możliwości bezprzewodowo? „Odpowiedź jest prosta. Radio zastąpi kabel tylko na odcinku „ostatniej mili”. Jednak w „szkielecie sieci nadal będzie królował światłowód.”[19] Co więcej, piąta generacja sieci potrzebuje znacznie większej ilości stacji bazowych i małych nadajników (tzw. small-cell), do których budowy wykorzystywane będą zarówno światłowody, jak i łącza radiowe działające w technologii punkt-punkt. W związku z tym, potrzebne są również dodatkowe inwestycje w światłowody. „Koszt budowy sieci 5G wykorzystujących small-cell i zapewniającej dostęp do internetu 100 proc. mieszkańców Unii szacowany jest na 119 mld euro, z czego 81 mld wydane zostanie na infrastrukturę światłowodową. Z kolei zapewnienie pokrycia sieciami 5G szlaków komunikacyjnych to wydatek rzędu 104 mld euro, w tym 40 mld euro na światłowody”.[20] Można więc śmiało stwierdzić, że wprowadzenie nowej technologii komórkowej nie tylko nie zaszkodzi, ale wręcz wesprze rozwój infrastruktury optycznej.
W najlepszej sytuacji są obecnie operatorzy, którzy w ofercie mają zarówno internet bezprzewodowy, jak i światłowodowy. Będą oni bowiem mogli zmniejszyć koszty inwestycji, wykorzystując posiadane już sieci FTTH jako sieci dosyłowe dla 5G[21], ponieważ obie technologie mają możliwość współistnienia w jednym włóknie światłowodowym[22]. Skoro już jesteśmy przy światłowodach w domach, to kolejnym pytaniem jest: czy prywatni konsumenci zrezygnują z internetu światłowodowego na rzecz mobilnego piątej generacji? Wszystko tak naprawdę zależeć będzie od kilku czynników, m.in. od potrzeb odbiorców oraz infrastruktury na konkretnych obszarach. Tak więc, na terenach o mniejszym zagęszczeniu lepiej może sprawdzić się 5G. Zamiast podłączać każdy budynek z osobna za pomocą przewodów, łatwiej i wydajniej będzie zainstalować tam nadajniki, obejmujące kilka budynków jednocześnie. Z kolei firmy oraz użytkownicy z dużych miast, o rozbudowanej sieci optycznej, mogą preferować do użytku stacjonarnego internet światłowodowy, ze względu na jego niezawodność i bezpieczeństwo wysokiego transferu danych.[23] W takim wypadku, odbiorcy będą prawdopodobnie inwestować jednocześnie w obie opcje transmisji, aby zagwarantować sobie wysokiej jakości internet w dowolnym miejscu i w różnych warunkach.
Podsumowanie
Technologia światłowodowa jest zdecydowanie przełomowa, jeśli chodzi o możliwości transmisji danych. Nie tylko umożliwia nam ona odbiór telewizji w najwyższej możliwej jakości, ale pozwala również na komfortowe korzystanie z internetu stacjonarnego, bez strachu o zakłócenia spowodowane wpływem czynników zewnętrznych. Jest ona także tańsza i bardziej wydajna, niż alternatywa w postaci miedzianych przewodów, a tym samym bardziej opłacalna dla operatorów i odbiorców.
Jesteśmy właśnie u progu kolejnej rewolucji technologicznej, w postaci 5G, i jak się okazuje, również jej wprowadzenie nie byłoby możliwe bez światłowodów. Wbrew pewnym wątpliwościom, światłowody nie tylko nie muszą obawiać się nowej sieci komórkowej, ale wręcz zawdzięczają jej swoją szerszą popularyzację i rozbudowę. Jak więc widać, nie ma obecnie wysokiej jakości transmisji danych bez infrastruktury optycznej i nawet piąta generacja sieci komórkowej nie jest tak „bezprzewodowa”, jak się wydawało.
Źródła:
[1]https://wartel.pl/swiatlowody-co-to-jest-i-jak-dziala/
[2]https://pl.wikipedia.org/wiki/Kevlar
[3]https://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%9Awiat%C5%82ow%C3%B3d
[4]https://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%9Awiat%C5%82ow%C3%B3d
[5]https://www.ppoz.pl/index.php/zajrzyj-do-srodka/technika/1896-endoskop-w-akcji
[6]https://kopalniawiedzy.pl/swiatlowod-historia-telegraf-optyczny-Chappe-Bell-Kao-Hockham,25812,2
[7]https://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%9Awiat%C5%82ow%C3%B3d
[8]http://peakoptical.com/2017/11/short-history-fiber-optics/
[9]https://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%9Awiat%C5%82ow%C3%B3d#Klasyfikacja
[10]https://pl.wikipedia.org/wiki/FTTH
[11]https://pl.wikipedia.org/wiki/Przepustowo%C5%9B%C4%87
[12]https://www.money.pl/gospodarka/wiadomosci/artykul/swiatlowod-8211;-wady-i-zalety-szybkich,170,0,2404010.html
[13]http://www.telko.in/orange-w-piec-lat-decyzja-o-migracji-do-all-ip
[14]https://exatel.pl/operatorzy/
[15]https://www.gov.pl/web/fundusze-regiony/polska-cyfrowa-i-jej-inteligentny-rozwoj
[16]https://www.ftthcouncil.eu/documents/FTTH%20Council%20Europe%20-%20Panorama%20at%20September%202018.pdf
[17]https://www.ftthcouncil.eu/documents/Reports/2019/FTTH%20Council%20Europe%20-%20Forecast%20for%20EUROPE%202020-2025.pdf
[18]https://www.gov.pl/attachment/d6c0d6b4-5c47-4ce7-9a0e-ed5e2a6692e0
[19]https://www.telepolis.pl/wiadomosci/taryfy-promocje-uslugi/swiatlowody-a-5g
[20]https://www.polskaszerokopasmowa.pl/artykuly/klucz,nie-bedzie-5g-bez-swiatlowodowych-laczy-dosylowych,akcja,wydruk.html
[21]https://www.polskaszerokopasmowa.pl/artykuly/klucz,nie-bedzie-5g-bez-swiatlowodowych-laczy-dosylowych,akcja,wydruk.html
[22]https://sklep.optomer.pl/content/218-5G-kontra-FTTH
[23]https://theconversation.com/could-5g-replace-cable-broadband-128642