Internet z nieba

Internet to globalny fenomen, który wytycza najważniejsze trendy w rozwoju cywilizacji. Niestety z raportu firmy konsultingowej McKinsey wynika, że ok. 4 mld. osób, czyli ponad połowa ludzkości, wciąż nie korzysta z sieci. Wśród przyczyn takiego stanu rzeczy raport wymienia biedę, niedostateczne wykształcenie i związany z tym brak potrzeby dostępu do informacji. Jednak w wielu wypadkach kluczowa jest czwarta przyczyna – brak dostępu do sieci. Facebook w swoim raporcie na temat dostępu do internetu szacuje, że blisko 10 proc. ludzi mieszka w miejscach pozbawionych dostępu do infrastruktury komórkowej i nie ma szans na poznanie możliwości, jakie daje internet.

W odległych miejscach, przede wszystkim w Afryce, Azji i Oceanii, brakuje dostępu do sieci szkieletowej, gdyż jej budowa jest nieopłacalna. Jedyną szansą na udostępnienie internetu na tych terenach jest dostarczenie go z pominięciem infrastruktury naziemnej. Stworzenie takiej technologii nie tylko zmieni życie ludzi na odległych kontynentach, ale także poprawi dostęp do sieci mieszkańcom lepiej rozwiniętych regionów globu. Mimo rozbudowanej infrastruktury teleinformatycznej nadal łatwo natrafić na miejsca, w których brakuje zasięgu albo sygnał jest zbyt słaby, by podtrzymać transmisję danych. Trudności w korzystaniu z sieci mają pasażerowie samolotów, marynarze, żołnierze uczestniczący w misjach zagranicznych czy ratownicy, którzy niosą pomoc ofiarom kataklizmów takich jak tegoroczne trzęsienie ziemi w Nepalu.

Jest szansa, że te problemy znikną w ciągu najbliższych kilku lat. Duże zapotrzebowanie na globalne usługi internetowe przyspieszyło inwestycje w innowacyjne technologie, dzięki którym bezprzewodowy internet dotrze do najodleglejszych zakątków planety.

Najbardziej zaawansowane są prace nad dostępem satelitarnym. Transmisja danych jest już możliwa dzięki telefonom satelitarnym, niestety przepustowość tych łączy wystarcza co najwyżej do wysyłania wiadomości tekstowych. Od 2014 roku działa też bardziej nowoczesna usługa firmy O3b, która utrzymuje konstelację ośmiu satelitów krążących nad równikiem na wysokości 8000 km. Niestety niewielka liczba punktów dostępowych ogranicza przepustowość całej sieci do ok. 4 Gbps, a duża odległość od satelity do użytkownika powoduje znaczące opóźnienie sygnału (ping wynosi ok. 250 ms). Poza tym położenie satelitów sprawia, że tereny wysunięte na południe i na północ, w tym Polska, są już poza zasięgiem.

Prawdziwym przełomem w dziedzinie globalnego dostępu do internetu stanie się usługa OneWeb, która ma wystartować w 2018 roku. Konstelacja będzie składała się nie z kilku, a z aż 700 satelitów, z których 648 będzie aktywnych, a reszta – zapasowych. Zostaną one rozmieszczone na pułapie 800 km na 20 różnych orbitach. Będą znajdowały się relatywnie blisko powierzchni Ziemi, dzięki czemu opóźnienie sygnału będzie niewielkie, porównywalne z pingiem uzyskiwanym w sieci 3G (ok. 50 ms). Do przesyłania danych będzie wykorzystywane pasmo mikrofalowe 12–18 GHz stosowane obecnie do transmisji cyfrowej telewizji satelitarnej. Gotowa konstelacja będzie miała przepustowość aż 4,2 Tbps (jeden satelita – 6 Gbps), porównywalną ze światłowodowymi sieciami szkieletowymi.

Największym wyzwaniem jest zbudowanie tak dużej liczby satelitów. Kontrakt na realizację projektu wygrał w czerwcu 2015 roku francuski Airbus, który dla potrzeb OneWeb stworzy pierwszą w historii linię montażową do masowej produkcji satelitów. Zamówienie obejmuje 900 urządzeń, z których 200 pozostanie na Ziemi jako zapas, by uzupełniać konstelację w przyszłości. Dzięki miniaturyzacji satelity będą ważyły zaledwie 150 kg przy rozmiarach ok. 1 m. Urządzenia zostaną wyniesione na orbitę za pomocą rosyjskich rakiet Sojuz, które pomieszczą kilkanaście urządzeń, oraz lekkich i tanich rakiet LauncherOne, które opracowała firma Virgin Galactic należąca do miliardera Richarda Bransona. Ten biznesmen znany z zaangażowania w innowacyjne projekty kosmiczne jest, obok firmy Qualcomm, głównym inwestorem w OneWeb.

Gotowa konstelacja OneWeb będzie pełniła rolę kosmicznej sieci szkieletowej. Sprzęt będzie dzierżawiony przez operatorów telekomunikacyjnych, którzy w oparciu o satelity będą uruchamiali usługi pod własną marką.

OneWeb nie jest jedynym projektem zapewnienia globalnego dostępu do internetu. Nad własnymi rozwiązaniami pracują także giganci usług internetowych: Facebook i Google. Firmom zależy nie tyle na świadczeniu usług przesyłania danych, co na jak najszerszym otworzeniu drzwi do internetu potencjalnym użytkownikom sieci społecznościowych i wyszukiwarek. W szczególności dotyczy to klientów z Afryki, gdzie znajdują się najszybciej rozwijające się obecnie gospodarki świata, a infrastruktura naziemna, w tym sieci szkieletowe, jest szczątkowa. Ze względu na olbrzymią powierzchnię Afryki i słabo rozwiniętą linię brzegową większa część populacji żyje z dala od oceanu, gdzie biegną kable światłowodowe. Dlatego dostarczanie internetu „z nieba” jest jedyną technologią, która daje szansę na doprowadzenie nowoczesnych usług do serca kontynentu.

Facebook jako sposób umieszczenia na niebie infrastruktury dostępowej do internetu wybrał drony. Nie są to typowe roboty latające, jakich np. używa wojsko. Słynne Predatory mogą przebywać w powietrzu zaledwie 24 godziny, po czym wymagają tankowania i serwisu – to za krótko, by służyć jako punkt dostępowy. Dlatego Facebook sięgnął po innowacyjne drony zasilane energią słoneczną, które mogą krążyć na niebie miesiącami, przez co są nazywane satelitami atmosferycznymi. Dron Aquila, kupiony przez Facebooka razem z firmą Ascenta, która go zaprojektowała, wygląda jak gigantyczny szybowiec. Ma rozpiętość skrzydeł większą niż Boeing 737, dzięki czemu może unosić się popychany silnikiem elektrycznym o niewielkiej mocy. Cała powierzchnia skrzydeł jest pokryta ultralekkimi ogniwami słonecznymi. Mimo swoich olbrzymich rozmiarów wykonany z materiałów kompozytowych płatowiec waży tyle, co samochód osobowy.

Taki dron jest dość delikatnym urządzeniem, dlatego aby mógł funkcjonować długie miesiące, nie będąc narażonym na zniszczenie np. przez burze, których w Afryce nie brakuje, musi latać wysoko, w stratosferze. Na wysokości 20–25 km nad Ziemią zjawiska pogodowe nie występują. Powietrze, choć rzadkie, jest stabilne, więc dronowi nie grozi tam żadne niebezpieczeństwo. Co ważne, na tej wysokości nie latają już samoloty pasażerskie (maksymalny pułap ich lotu to 13 km), więc dron nie stanowi zagrożenia dla cywilnego ruchu lotniczego.

Dron w stratosferze będzie musiał dostarczać sygnał do wielu lokalizacji oddalonych o kilkadziesiąt kilometrów od nadajnika, a także odbierać transmisję z ziemi – jest to duże wyzwanie dla twórców technologii. Podczas transmisji danych niezbędne jest zastosowanie wyższych częstotliwości. Może zostać użyte promieniowanie mikrofalowe, fale milimetrowe EHF lub technologia Free Space Optics (FSO, ang. optyka wolnej przestrzeni), czyli przesyłanie sygnału laserowego podobnego do używanego w światłowodach, ale w powietrzu. Z dostępnych informacji wynika, że Facebook przychyla się do zastosowania technologii laserowej FSO, gdyż jest najbardziej odporna na zakłócenia i zapewnia największą przepustowość.

W zaawansowanych implementacjach FSO zakłócenia udało się ograniczyć m.in. poprzez wykorzystanie ruchomych luster, które kompensują zakłócenia sygnału związane z deszczem lub zjawiskiem drgającego powietrza. W projektach wojskowych udało się osiągnąć przepustowość rzędu 10–80 Gbps między stacjami naziemnymi a oddalonymi o 200 km samolotami bojowymi. Jako że nie da się wyeliminować wszystkich zakłóceń, zwłaszcza wywoływanych przez chmury, prawdopodobnym rozwiązaniem będzie połączenie dwóch lub więcej kanałów transmisji – szybkiego FSO i mikrofal, za pomocą których będzie zestawione łącze zapasowe.

Dron Aquila jest obecnie testowany nad Wielką Brytanią. Po umieszczeniu na nim platformy komunikacyjnej trafi zapewne do jednej z 21 lokalizacji w Afryce, Azji lub Ameryce Południowej, które zostały wytypowane do programu pilotażowego. Wszystkie wybrane miejsca mają otrzymać powietrzne punkty dostępowe do końca dekady.

Google na nosiciela urządzeń dostępowych wybrał balony stratosferyczne, które mogą osiągnąć pułap 18–25 km i przebywać w atmosferze nawet pół roku (obecny rekord uzyskany w testach wynosi 187 dni). Zaletą balonów jest ich niższa cena, wadą zaś brak możliwości sterowania, a więc utrzymania punktu dostępowego we wskazanej lokalizacji. Google chce poradzić sobie z tym problemem, wypuszczając do stratosfery setki balonów – zostaną one umieszczone w pasach wiejących tam wiatrów strumieniowych o prędkości 10–30 km/h, które okrążają całą planetę. Razem z wiatrami będzie krążył pierścień balonów, więc w każdym momencie jeden z nich będzie w zasięgu odbiorców internetu.

Pierwsze testy tego rozwiązania zostały przeprowadzone już w 2013 roku w Nowej Zelandii, gdzie wypuszczono balon, z którego z powodzeniem serwowano internet do gospodarstw rolnych w pobliżu miasta Christchurch. Kolejnym sprawdzianem będzie rozmieszczenie 300 balonów w płaszczyźnie 40. równoleżnika południowego, co pozwoli dostarczać internet na obszarach Nowej Zelandii, Australii, Argentnyny i Chile.

Google wybrał także inną niż Facebook metodę zestawiania połączenia. Nie zostaną wykorzystane łącza laserowe – balony będą przenosiły nadajniki fal centymetrowych (od 2,4 do 5,8 GHz) pracujące w paśmie zbliżonym do niekoncesjowanego pasma używanego w sieciach Wi-Fi. Jako że nie pozwala ono na osiągnięcie dużych prędkości przesyłania danych, internet z balonów Google ma mieć przepustowość zbliżoną do tej znanej z telefonicznych łącz 3G, o ile użyje się stacjonarnej anteny zamontowanej na dachu budynku.

Wciąż nie wiadomo, kiedy i czy w ogóle Projekt Google Loon doczeka się komercyjnej implementacji. Do 2015 roku udało się pozyskać cennych partnerów do projektu, w tym francuski odpowiednik agencji NASA. Testy trwają, o czym świadczą doniesienia rolników, którzy znajdują na swoich polach balony z logiem Google. Monopolista na rynku wyszukiwarek ma także plan B. Równolegle firma inwestuje w projekt konstelacji satelitów podobny do opisanego wcześniej przedsięwzięcia firmy OneWeb. Konstelacja projektowana przez prywatną firmę kosmiczną SpaceX, która zajmuje się m.in. dostawami zaopatrzenia na Międzynarodową Stację Kosmiczną, ma liczyć nawet 4000 satelitów, które mają zostać wyniesione na orbitę w 2020 roku.