Op naar 5G! Dit mogen we in de (nabije) toekomst verwachten van mobiele netwerken

52 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Plannen
  3. 3. 4.5G
  4. 4. Het échte 5G
  5. 5. 2019 het jaar van 5G?
  6. 6. Reacties

Inleiding

We zijn met 4G gewend geraakt aan hoge internetsnelheden, maar de tijd staat niet stil. De eerste 5G netwerken in de wereld zijn al functioneel en de komende jaren moet 5G langzaam gemeengoed worden. Wij zochten uit wat we mogen verwachten.


Bestaande netwerkarchitectuur moet volledig op de schop om de doelstellingen voor 5G te behalen.

Zo’n 20 jaar geleden was het hebben van een mobiele telefoon voorbehouden aan slechts een kleine groep Nederlanders. Tegenwoordig loopt vrijwel iedereen met een luxe smartphone rond en is bellen misschien wel de minst spannende functionaliteit van je toestel.

Het gebruik van internetdiensten via smartphones is de laatste jaren geëxplodeerd. Wat begon met simpelweg wat tekstberichtjes versturen, is inmiddels geëvolueerd tot waar je ook bent full hd (of zelfs 4K) video streamen via diensten als Netflix en YouTube. De katalysator die dit allemaal mogelijk maakt - naast snellere en krachtigere smartphones - zijn natuurlijk de steeds sneller wordende mobiele netwerken. De 4G lte-techniek heeft ervoor gezorgd dat je inmiddels op plekken met goede dekking tientallen Mbit/s aan internetsnelheid tot je beschikking hebt. Dankzij 4G is het mobiele netwerk eindelijk snel genoeg om onderweg met je laptop even efficiënt te werk te gaan als thuis of op kantoor met een vaste internetverbinding. 4G is echter niet het eindstation; bedrijven als Ericsson, Huawei, Qualcomm, Nokia, Intel en vele anderen werken hard aan de volgende generatie mobiele netwerken, 5G, waarvan de eerste (test)netwerken nu opgezet worden en wat de komende jaren langzaam gemeengoed moet worden.

Uiteraard mogen we opnieuw hogere snelheden verwachten, maar bovenal moet 5G ook beter geschikt zijn voor nieuwe toepassingen zoals connected cars, smart cities en in bredere zin the internet of things. Bij Ericsson spreekt men over de Networked Society, waarin alles wat kan profiteren van een netwerkaansluiting ook daadwerkelijk aangesloten wordt. Een hoop buzzwords, maar als je de plannen van de verschillende bedrijven op een rijtje zet, mag je concluderen dat er een mooie connected toekomst in het verschiet ligt.

Stand van zaken

Laten we om te beginnen eens wat getallen op een rijtje zetten. In 2016 werd er over de verschillende mobiele netwerken wereldwijd iedere maand al ruim 5 exabyte aan data verstuurd. Voor de duidelijkheid, een exabyte is 1000 petabyte en een petabyte is weer 1000 terabyte. Van die data is nog maar een fractie stemgeluid. Video is nu al zo’n 80% van het mobiele netwerkverkeer en dat zal naar verwachting alleen maar toenemen. Ericsson verwacht dat in 2021, wanneer de eerste landelijke 5G netwerken operationeel moeten zijn, de hoeveelheid data die dagelijks over mobiele netwerken wordt getransporteerd met een factor 11 is toegenomen ten opzichte van vijf jaar eerder. Bovendien zal het aantal op mobiele netwerken actieve smartphones/tablets zijn toegenomen tot 9,1 miljard wereldwijd en zullen er in 2021 al ruim 1,5 miljard IoT-apparaten verbonden zijn via mobiele netwerken. Die duizelingwekkende getallen maken duidelijk dat er behoefte is aan geavanceerdere technologie.


De hoeveelheid dataverkeer is de afgelopen jaren exponentieel gestegen. In 2021 moet het nog eens met factor 11 zijn toegenomen!

Plannen

Voor dit artikel gingen we in gesprek met vertegenwoordigers van onder meer Ericsson, Huawei, Qualcomm en Intel. Ericsson en Huawei zijn de grootste leveranciers van apparatuur voor mobiele netwerken en dus de partijen waar de Vodafones en KPN’s van deze wereld hun infrastructuur inkopen. Qualcomm en Intel zijn juist toonaangevende partijen als het gaat om chips om apparaten met deze netwerken te laten communiceren. Hoewel deze bedrijven natuurlijk onderling concurrenten zijn, worden nieuwe standaarden voor mobiele netwerken altijd in een consortium waar alle belangrijke partijen onderdeel van uitmaken ontwikkeld. Niemand zit immers te wachten op verschillende technologieën, die ervoor zouden zorgen dat bepaalde apparaten enkel werken in specifieke landen of bij specifieke netwerkaanbieders, zoals dat nu bijvoorbeeld het geval is bij de CDMA (Amerika) en GSM (rest van de wereld) 2G/3G-standaarden. Ook Wimax is als 4G alternatief in Amerika voor telecomprovider Sprint uitgelopen op een extreem duur fiasco.

Vanuit verschillende consortia, waaronder het ITU en het NGMN, zijn de doelstellingen voor 5G bepaald, waarna alle fabrikanten afzonderlijk of in groepjes aan de slag zijn gegaan om op een later moment hun ontwikkelingen aan te dragen voor de uiteindelijke standaard. Ook talloze universiteiten en onderzoeksinstellingen werken mee aan de ontwikkeling van 5G. Vanzelfsprekend is het de verschillende organisaties er veel aan gelegen dat juist hún voorstellen worden opgenomen in de uiteindelijke standaard, aangezien er dan immers goed kan worden verdiend aan patenten en royalty’s.

Omdat de 5G standaard niet enkel met smartphones en tablets in het achterhoofd wordt ontwikkeld, maar alles en iedereen moet kunnen worden verbonden – van smartphones tot auto’s, van robots tot beveiligingscamera’s en van slimme prullenbakken tot parkeermeters – is de lijst van doelstellingen voor 5G erg lang. Technisch laat het zich samenvatten in drie hoofddoelen: hogere snelheid, lagere latencies en geschiktheid voor het aansluiten van veel meer (IoT-achtige) apparaten met een lager stroomverbruik. En dat alles op een flexibele manier, zodat apparaten van de meest uiteenlopende soorten gelijktijdig verbonden kunnen zijn.


5G moet geschikt worden voor het aansluiten van allerhande apparaten, ofwel “internet-of-things”. Dit zijn twee robots waar Ericsson bij de ontwikkeling van 5G proeven mee doet.

Sneller en zuiniger

Al deze doelstellingen hebben zo hun redenen. Nu 4G in principe snel genoeg is om onderweg streaming full hd video te bekijken, kan je je  afvragen waarom er nóg hogere snelheden nodig zijn. Daar zijn echter voldoende redenen voor te bedenken. Video is steeds meer bandbreedte aan het gebruiken, dankzij ontwikkelingen als ultra hd en hdr. Voor vr moet video in nog veel hogere resolutie draadloos getransporteerd worden. Ook voor het doorsturen van meerdere videostreams tegelijkertijd (denk aan video-conferencing met een groep of het op afstand bekijken van meerdere bewakingscamera’s) zullen hogere snelheden nodig zijn. Voor het via een mobiele verbinding gebruiken van cloud-diensten om bijvoorbeeld een grote hoeveelheid foto’s te synchroniseren naar Dropbox of OneDrive, kan de verbinding bovendien natuurlijk niet snel genoeg zijn. Waar binnen de 4G standaard snelheden tot 1 à 2 Gbit/s zijn gedefinieerd - die de komende jaren ook daadwerkelijk gehaald moeten worden, waarover zo meer - moeten 5G netwerken minimaal 10 Gb/s kunnen bieden. Uiteindelijk moet 5G zelfs tot 100x sneller dan 4G worden. Mede daardoor spreken de verschillende bedrijven die werken aan de standaard de verwachting uit dat de hoeveelheid data die via mobiele netwerken wordt verstuurd de komende jaren explosief blijft stijgen, tot wel 1000x de huidige hoeveelheid over 10 jaar.

Lagere latencies, oftewel het reduceren van de vertraging bij het doorsturen, is voornamelijk van belang bij de steeds vaker voorkomende machine-to-machine communicatie. Het mooiste voorbeeld van toepassingen waarvoor de latencies niet laag genoeg kunnen zijn, zijn (zelf rijdende) connected auto’s. In de toekomst zullen auto via een ingebouwde netwerkverbinding andere auto’s op de weg kunnen waarschuwen voor ongelukken of andere gevaarlijke omstandigheden. Een aantal milliseconden meer of minder kan dan het verschil tussen leven en dood betekenen. Maar er zijn meer toepassingen, zoals bijvoorbeeld het op afstand bedienen van zware machinerie – denk aan op afstand te bedienen boren voor het graven van tunnels – waarbij een lagere latency belangrijker is dan hogere snelheden. Het plan is om latencies terug te brengen van minimaal zo’n 10 ms. bij 4G naar maximaal 1 ms. bij 5G. Dat vergt overigens veel meer verbeteringen aan de wereldwijde netwerkarchitectuur, niet enkel binnen het laatste stukje dat via de lucht gaat.

Ten slotte is er de trend van het internet-of-things, ofwel de meest uiteenlopende apparaten die verbonden worden met het internet. Wie denkt dat dat een hype is die vanzelf overwaait heeft het mis, want we zitten er al midden in! Wat begon met Tomtom-navigatiekastjes met een ingebouwde mobiele internetverbinding is nu al veel verder geëvolueerd. Een mooi voorbeeld zijn de slimme energiemeters die iedereen in Nederland krijgt aangeboden. Deze staan via een mobiel netwerk in verbinding met energieleveranciers om zo meterstanden uit te kunnen lezen. In de stad van de toekomst moet zo’n beetje alles verbonden zijn; van lantaarnpalen tot parkeermeters, van prullenbakken tot winkelwagentjes. Dat maakt dat 5G in staat moet zijn om véél meer apparaten aan te sluiten dan tot nu toe het geval is. Men voorziet in het 5G tijdperk een stijging van 10 tot zelfs 100 keer het aantal apparaten dat nu op mobiele netwerken is aangesloten en daar moet de nieuwste standaard natuurlijk op zijn voorbereid. Daar bovenop moet de standaard geschikt zijn om dit soort apparaten met een zeer laag energieverbruik te laten communiceren, zodat batterijwerktijden tot 10 jaar of langer mogelijk worden.


Een mooi voorbeeld van Internet-of-Things; de nieuwe slimme meters die via het mobiele netwerk meterstanden doorgeven aan het energiebedrijf.

4.5G

De eerste 5G netwerken zijn inmiddels in de lucht, bijvoorbeeld bij telecomaanbieder Verizon in Amerika. Het gaat echter nog steeds om kleinschalige tests: dekking in een handvol steden met puur het aansluiten van een 5G-router als alternatief voor bedrade internetverbinding als gebruiksmodel. Pas volgend jaar zullen de eerste 5G smartphones op de markt komen (getuige de recente aankondigingen van Qualcomm) en het wordt op z’n vroegst 2020 eer ergens ter wereld een landelijk dekkend 5G netwerk in de lucht zal zijn, terwijl er aan veel van de doelstellingen de afgelopen jaren al grote behoefte is. Vandaar dat er naast de ontwikkeling van 5G door verschillende bedrijven werd (en tot op zeker hoogte nog steeds wordt) gewerkt aan uitbreidingen voor de 4G-standaard. Onder meer Huawei en Ericsson spreken sinds 2016 over overgangstechnologieën die men 4.5G noemt, 5G-achtige toepassingen die zo goed mogelijk uitgevoerd worden met 4G technologie.

De getoonde nieuwe mogelijkheden zijn volgens zowel Ericsson als Huawei beschikbaar met bestaande netwerkinfrastructuur en vergen zodoende puur softwarematige updates van de 4G-apparatuur die telco’s al langer in gebruik hebben. We hebben het dan specifiek over snelheden tot 1 Gbps via 4G LTE en de nieuwe NB-IOT standaard voor het aansluiten van energiezuinige apparaten op het mobiele netwerk.


Om de tijd tot 5G te overbruggen werd hard gewerkt aan wat men noemt 4.5G: 5G achtige gebruiksdoelen over een 4G netwerk.

Al meer dan 1 Gbps

Snelheden van 1 Gbps of meer zijn inmiddels al mogelijk op verschillende 4G netwerken. Om de 1 Gbps of nog hoger te behalen worden drie technieken gecombineerd; het gebruiken van meerdere carriers, mimo en verbeterde 256-qam modulatie. Men spreekt over LTE Advanced plus.

Standaard werkt LTE met frequentiebanden van 20 MHz en met een enkele antenne kan over zo’n frequentieband binnen de LTE-standaard zo’n 75 Megabit/s verstuurd worden. Mimo, wat staat voor Multiple Input Multiple Output, is een technologie die we ook van wifi-routers kennen: door met meerdere antennes tegelijkertijd te zenden en te ontvangen, kan de snelheid verhoogd worden. Mimo met twee antennes (2x2) is al jaren gangbaar en 4x4 vinden we terug in veel high-end smartphone SoC’s. Een tweede manier om de snelheid te verhogen is het gelijktijdig gebruiken van meerdere frequentiebanden van 20 MHz, carrier aggregation in jargon. Ten slotte zorgt 256-qam modulatie dat het aantal bits dat binnen een frequentieband per seconde verstuurd wordt nog wat verhoogd wordt.

1 Gbps kan behaald worden door drie 20 MHz banden (60 MHz in totaal dus), waarvan twee met 4x4 mimo en één met 2x2 mimo. De nieuwste generatie smartphone SoC’s (de recent aangekondigde Qualcomm Snapdragon 855) kan in theorie zelfs 2 Gbps halen door vijf 20 MHz kanalen te combineren met 4x4 mimo. Saillant detail; wanneer je een 4 GB databundel hebt, zou je die dus in theorie al in 16 seconden kunnen verbruiken.


De nieuwste Qualcomm modems kunnen tot 2 Gbps data verwerken via 4G technologie door het combineren van meerdere carriers en het gebruiken van meerdere antennes.

NB-IOT

NB-IOT is een op LTE gebaseerde sub-standaard voor internet-of-things­ applicaties. De doelstelling hiervan is een veel lager stroomverbruik en betere reikwijdte. NB-IOT is bedoeld voor apparaten die slechts sporadisch een kleine hoeveelheid data hoeven door te zenden. Denk bijvoorbeeld aan de slimme energiemeter die maximaal één keer per uur een klein getalletje (je meterstand) hoeft door te sturen.

Bij NB-IOT wordt gewerkt met een frequentieband van 180 kHz in plaats van 20 MHz. Dat beperkt natuurlijk de snelheid, maar zorgt er ook voor dat het energieverbruik veel lager is. Door datapakketten veel vaker door te sturen dan gebruikelijk (128x is standaard binnen NB-IOT) kan ook bij matige ontvangst data goed gedecodeerd worden. Dat zorgt voor een omgerekend 20 dB hogere signaalsterkte. Daardoor moeten NB-IOT apparaten ook over veel langere afstanden en op lastige locaties zoals in diepe kelders kunnen communiceren met basisstations, ook in situaties waar smartphones geen bereik hebben.

In Valencia is met het plaatselijke waterbedrijf al een uitgebreide test gedaan met NB-IOT, waarbij via het mobiele netwerk niet alleen meterstanden worden uitgelezen, maar ook data van vele sensors in de verschillende pijpleidingen. Eventuele lekkages zijn op dit manier snel op te sporen. Als we te rade gaan bij Ericsson, Huawei, Intel en Vodafone vinden we nog veel meer mooie praktijkvoorbeelden. Huawei heeft een sensor met een batterijlevensduur van ruim 10 jaar, die in prullenbakken in het publieke domein geplaatst kan worden en kan doorgeven wanneer deze vol zijn. Op die manier hoeft de vuilophaaldienst enkel nog langs prullenbakken te rijden wanneer dat écht nodig is. Dat levert niet alleen tijdswinst en dus geldbesparing op, maar moet ook bijdragen aan een schonere straat.

Ericsson gaf ons een hele tijd geleden al een demonstratie van NB-IOT waarbij schapen op een grote boerderij los kunnen lopen in een omgeving van vele vierkante kilometers, maar wel altijd getraceerd kunnen worden. Van Intel kwam een praktijkvoorbeeld van fietsenverhuur: dankzij NB-IOT kan een sensor in een fiets met een levensduur van jaren indien nodig z’n locatie doorgeven, bijvoorbeeld wanneer een fiets wordt gestolen of niet teruggebracht. Vodafone biedt sensors die in een parkeergarage of langs de weg in de grond op parkeerplekken geïntegreerd kunnen worden en detecteren en rapporteren of de plek bezet is, zodat dat via een centraal systeem aan digitale verkeersborden of via apps aan automobilisten kan worden aangegeven waar de dichtstbijzijnde vrije plek is. Ook hier zorgt de NB-IOT standaard ervoor dat de betreffende sensors ruim 10 jaar op een batterij werken.


Vodafone test in Spanje dit soort sensors in parkeerplaatsen die naar een centraal systeem door kunnen geven welke plekken bezet of juist vrij zijn.

Het échte 5G

Met LTE Advanced plus en NB-IOT kunnen in de 4G wereld al belangrijke stappen worden gezet, maar het is dus wachten op de 5G standaard om nog hogere snelheden, lagere latencies en lager energieverbruik mogelijk te maken. Dat moet geen kleine stap worden: zo spreekt Ericsson expliciet over een revolutie in plaats van evolutie.

Wanneer we praten met de verschillende leveranciers van netwerkproducten, krijgen we mooie vergezichten: zo moet 5G vaste internetverbindingen thuis en op kantoor overbodig maken en moeten tientallen miljarden apparaten op mobiele netwerken wereldwijd kunnen worden aangesloten. Er zijn zelfs toekomstvisies waarbij in de transportsector iedere container voorzien wordt van een sensor, zodat containers waar dan ook – in de haven, onderweg op een vrachtwagen, aangekomen bij de klant – getraceerd kunnen worden.

Wat het doel van 5G is, is dus wel duidelijk. Over welke technologische vernieuwingen ingezet zouden moeten worden 5G zijn er jaren felle discussies geweest tussen de verschillende techreuzen en hoewel de eerste 5G netwerken in de lucht zijn is de standaard nog steeds volop in ontwikkeling. De ontwerpfase is voorbij zou je kunnen zeggen, maar we zijn nog (lang) niet op het punt dat het volledig uitgekristalliseerd is van welke technologieën de verschillende 5G netwerken in de wereld exact gebruik gaan maken.

Als we even wegblijven bij de échte details, zijn voldoende zaken wel duidelijk. Allereerst worden mimo en het combineren van meerdere frequentiebanden, nog veel meer dan bij 1/2 Gbps LTE, gebruikt voor het behalen van hogere snelheden. Daarnaast worden voor 5G optioneel hogere frequentiespectra gebruikt - (ver) boven de 6 GHz - waar eenvoudig grotere frequentiebanden (van honderden MHz in plaats van maximaal 20 MHz zoals bij 4G) gebruikt kunnen worden. Er wordt dan gesproken over mmWave, aangezien er op deze frequenties golflengtes in de orde grootte van een millimeter zijn. De zeer hoge frequenties maken het weliswaar eenvoudiger om hogere doorvoersnelheden te behalen, de reikwijdte van signalen wordt tegelijkertijd flink beperkt. Daarmee is mmWave vooral interessant voor in drukbevolkte gebieden waar zendmasten maximaal zo’n 100 meter uit elkaar staan. Vandaar ook dat je 5G fabrikanten altijd hoort praten over sub-6 (de traditionele radiofrequenties voor telefonie en data) en mmWave (de nieuwe, hogere frequenties).

Omdat hoge frequentiebanden alleen geschikt zijn voor plekken waar de zendmasten dicht bij elkaar staan en dat niet overal het geval is, biedt de 5G standaard ook de mogelijkheid om bij datacommunicatie naadloos over te schakelen van de ene frequentieband naar de andere. Sterker nog; de eerste 5G smartphones zullen zelfs naadloos kunnen schakelen tussen 4G en 5G, zoals recent aangekondigd door Qualcomm.

Een andere technologie die bij 5G toegepast wordt is beam forming, iets wat we bij de nieuwe generaties wifi-routers ook al zien: met geavanceerde antenne-technologie worden signalen daarmee zo goed mogelijk gericht afgestraald naar de ontvanger, waardoor efficiëntere communicatie mogelijk is. Daarnaast moet 5G gebruik gaan maken van complexere en dus efficiëntere codering, om zo het aantal bits per seconde per Hz te verhogen.


Een blik in één van de Ericsson labs waar gewerkt wordt aan 5G.

2019 het jaar van 5G?

Recent riep Qualcomm, marktleider op het gebied van chips voor smartphones, 2019 uit als “het jaar van 5G”. Hun nieuwe Snapdragon 855 smartphone SoC is in combinatie met Qualcoms X50 5G-modemchip helemaal klaar voor de nieuwe netwerken en in de eerste helft van 2019 mogen we toestellen op de markt verwachten. Onder meer OnePlus en Samsung hebben inmiddels al officieel aangegeven toestellen op basis van deze technologie uit te zullen brengen. Intel werkt ook hard aan een 5G-modemchip die op korte termijn beschikbaar moeten komen. Het lijkt een voor de hand liggende keuze voor bedrijven die wat minder graag met Qualcomm zaken doen (kuch, Apple, kuch).

Maar waar gaan we die 5G smartphones mee verbinden? In sommige landen van de wereld gaat het hard. Zo wil telecomprovider EE in het Verenigd Koninkrijk volgend jaar al een vrijwel landelijk dekkend 5G netwerk uitrollen en zal dat dus één van de landen zijn waar de 5G toestellen als eerste worden uitgebracht. In Amerika zijn onder meer Verizon en AT&T druk bezig; nu beide in een handvol steden, maar dat moet snel naar tientallen, honderden en daarna duizenden worden opgeschaald.

En in Nederland?

En in Nederland dan? Hier wordt 2019 absoluut nog niet het jaar van 5G. Uiteraard zijn alle telecomproviders (KPN, Vodafone en T-Mobile) druk in de weer met tests. Zo heeft KPN vier verschillende 5G testnetwerken in vier verschillende steden in Nederland: in Rotterdam met apparatuur van Huawei, in Amsterdam met apparatuur van Nokia, in Helmond met Ericsson en in Drenthe met ZTE. Een beslissing over met welke apparatuur men een landelijk dekkend 5G-netwerk wil gaan bouwen lijkt dus nog niet genomen, laat staan dat men er al mee begonnen is. Van Vodafone weten we dat men onderdeel uitmaakt van het project 5Groningen, waarbij diverse 5G-technieken worden getest in de noordelijke provincie. Dit project richt zich echter uitdrukkelijk niet op de smartphones. Over het onderwerp 5G en smartphones zwijgt Vodafone vooralsnog in alle talen. T-Mobile geeft aan dat men in 2020 in Nederland als eerste een landelijk dekkend 5G-netwerk wil hebben. Op dit moment doet men al tests in Amsterdam. Meer details wil men nog niet prijsgeven.

Ofwel: in het beste geval kunnen we in Nederland in 2020 onze smartphone met 5G verbinden, maar het zou ook zomaar 2021 of nog later kunnen worden. De wereld om ons heen staat gelukkig alles behalve stil; als volgend jaar de eerste 5G toestellen op de markt komen en de eerste grotere netwerken actief worden, zou het zomaar kunnen dat een en ander ook in Nederland in een stroomversnelling komt.

0
*