5G neemt een vlucht
De vijfde generatie van het mobiele netwerk heeft al een aardige hype gegenereerd. De techniek komt niet ineens beschikbaar, maar in fases gedurende de komende jaren. 5G gaat een behoorlijke impact hebben, op meerdere gebieden. Ondertussen zijn experts alweer verder aan het kijken en zien ze 6G al voorzichtig opdoemen.
Terwijl 2G en 3G aardig aan het verstoffen zijn, viert 4G nu zijn hoogtijdagen. Die techniek is echter uitontwikkeld. 4G is daarbij geschikt voor Internet of Things, het aansturen van machines en het connected maken van auto’s. En het biedt gigabit-snelheden: waarom hebben we dan 5G eigenlijk nodig?
Een voor de hand liggende reden is dat mobiel dataverkeer zo’n populair gemeengoed is, dat 4G tegen zijn grenzen aan begint te lopen. En er zijn compleet nieuwe toepassingsgebieden ontdekt waar 4G niet of niet goed genoeg geschikt voor is.
Als je de capaciteit wilt opschroeven, moet je wel binnen vastgestelde stralingswaarden en ook binnen de beschikbare performance van de aanbieder blijven. Een 4G-basisstation mag volgens de 3GPP-norm ‘Release 13’ 25 Gbit/s leveren (4G apparaatcategorie 17, Cat-17). Maar dat is specifiek bedoeld voor vaste routers. Een provider heeft daar 640 MHz 4G-spectrum (32 bundels van 20 MHz) voor nodig. Zo veel heeft echter geen enkele mobiele aanbieder wereldwijd tot zijn beschikking.
De normen voor mobiel gebruik zijn voor de praktijk relevanter. Dat is op dit moment 2,5 Gbit/s volgens Cat-22. Die bandbreedte moet worden verdeeld onder alle gebruikers die bij het basisstation aangemeld zijn. Een 5G-basisstation moet uiteindelijk op volle sterkte pieksnelheden van 10 Gbit/s aan mobiele gebruikers kunnen bieden.
Om dat voor elkaar te krijgen kunnen technici allerlei parameters aanpassen. De brandbreedte voor het zenden verhogen levert het meeste op. Om het simpel te houden: hoe meer Hz, hoe meer bits per seconde. 4G-basisstations gebruiken voor snelheden rond een gigabit per seconde 60 MHz, voor 10 Gbit/s hebben 5G-netwerken ongeveer 800 MHz nodig.
De frequentiebanden die de echte topsnelheden moeten gaan bieden, liggen boven de 20 GHz (mmWave) Die kunnen niet door gewone objecten doordringen. Normale antennes voor een mobiel netwerk gaan dus niet werken, maar met gerichte antennes krijg je dan wel veel voor elkaar. Meer daarover op pagina 90.
EERSTE 5G-MODEMS
De eerste 5G-chips voor de nieuwe techniek zijn al beschikbaar. De Qualcomm X50 die in 2016 werd aangekondigd is al in bulkaantallen te verkrijgen en zit bijvoorbeeld al in de 5G Moto Mod (zie de afbeelding op paginar 89). Die chip is niet alleen geschikt voor smartphones, maar ook voor vaste routers (Fixed Wireless Access, FWA). Alleen al op de 28GHz-band kan die tot 8 carriers van 100 MHz breed bundelen. Daar komen nog meer banden onder de 6 Ghz bij. Als de provider er het maximale uit perst, haalt de X50 tot 5 Gbit/s, toch alweer de helft van wat 5G bij maximale performance zou moeten gaan bieden.
VOOR 10 DOLLAR MEER
De eerste 5G-netwerken op basis van de in de zomer van 2018 aangenomen 3GPP-norm zijn al actief. In Zuid-Korea zijn er twee providers die 5G voor smartphones aanbieden. De Amerikaanse provider Verizon Wireless biedt 5G aan in delen van Chicago en Minneapolis. 5G is beschikbaar voor een meerprijs van 10 dollar. Alleen met een Moto Z3 met 5G Moto Mod (met X50-chip) kun je er gebruik van maken. Die addon biedt Verizon aan voor 50 dollar. De provider biedt sinds oktober 2018 ook 5G op basis van FWA in de Amerikaanse plaatsen Los Angeles, Houston, Indianapolis en Sacramento.
In België en Nederland is het nog even wachten. T-Mobile wil in 2020 samen met Tele2 beginnen met 5G op de 700MHz-band. In België gaat Orange zoals het er nu naar uitziet volgend jaar starten met het aanbieden van 5G.
HEETHOOFDEN
Of je een eerste generatie 5G-smartphone in huis wilt halen is even de vraag. Als ze nieuwe en weinig gebruikte banden gebruiken (bijvoorbeeld de 3,6GHz- of 28GHz-band), dan heb je flinke snelheden tot je beschikking. Zelfs tijdens drukke tijden heb je dan hoge kwaliteit videostreams in no-time binnengehaald: het 5G-model deelt de bandbreedte immers niet met 4G-gebruikers. Afhankelijk van de beschikbaarheid schakelt het modem terug naar 4G, 3G of 2G (MultiMode).
Voor 5G-snelheid gebruiken de apparaten beamforming en extra, ruimtelijk onafhankelijke streams (MIMO-techniek zoals bij wifi). Dit vereist wel meer rekenkracht. Vergeleken met 4G-chips met hetzelfde productieprocedé betekent dat echter meer hitteontwikkeling. Dit vervelende straalkachel-effect zal bij de volgende generatie chips verdwijnen doordat het productieproces verder geminiaturiseerd gaat worden. Zo heeft Qualcomm het X50-modem nog met het 10nm-procedé in elkaar gezet. Een aantal modembouwers is echter al overgeschakeld op een energieefficiënter 7nm-procedé.
Bij de keuze voor je smartphone moet je nog meer (deels nieuwe) kenmerken goed nalopen. Het X50-modem is met tot aan 4 mmWave-antennes te
gebruiken (4×4 MIMO) maar het kunnen er ook slechts twee zijn. Dit houdt in dat niet elke smartphone met een X50-modem de 5 Gbit/s gaat halen.
ALLES OP Z’N TIJD
De vraag naar 5G voor smartphones zal in de lage landen niet bijzonder groot zijn. Sowieso moeten we nog een tijdje wachten voordat de frequenties zijn geveild, providers het aanbieden en geschikte smartphones verkrijgbaar worden. Vooral de industrie zal een goede melkkoe zijn. Die geven niet veel om de hogere snelheid, wel om weinig latentie, zeer hoge betrouwbaarheid en een laag verbruik.
De mobiele branche is al jaren bezig zich daarop voor te bereiden, maar gaat niet meteen op volle kracht van start. Dit ligt aan de ontwikkelingen zelf. 5G wordt in twee fases uitgerold. De eerste fase zijn 5G-cellen die als backbone nog 4G gebruiken (Non-Standalone 5G systems, Non-SA). Bij deze stap worden gangbare mobiele banden onder de 6 GHz ingezet voor een duidelijke performanceboost.
Pas in de tweede fase werken 5G-systemen volledig op eigen houtje (Standalone, SA). Dat is dan het moment dat 5G zodra alles maximaal is uitgebouwd de beloofde topsnelheid kan bieden. Op dit moment zijn er echter nauwelijks chips voor SA-systemen. En zolang de chips er niet zijn, zijn de mmWave-banden die de benodigde systeembandbreedte bieden nog niet bruikbaar. Eind dit jaar of begin 2020 wordt in Nederland het eerste deel van de frequenties voor 5G geveild (de 700MHz-, 1500MHz- en 2100MHz-band). Het ziet er naar uit dat de 3,5GHz-band pas eind 2021 of begin 2022 wordt geveild. Boven de denkbeeldige lijn tussen Amsterdam en Zwolle is de 3,5GHz-band volledig in gebruik door het satellietcommunicatie-interceptiestation in het Friese Burum, een station van de inlichtingendiensten. Gezamenlijk gebruik van de 3,5GHz-band is niet mogelijk, dus dat interceptiestation wordt naar het buitenland verhuisd.
De ACM (Autoriteit Consument & Markt) heeft nog wel wat adviezen uitgebracht voordat het veilen van start gaat. Een provider mag maximaal veertig procent van de beschikbare frequenties in handen krijgen. Daardoor moet er nog ruimte overblijven voor concurrentie op de mobiele markt. De limiet van veertig procent moet gaan gelden op het totale frequentiegebied, op frequenties lager dan 1 GHz, en de frequenties binnen de 3,5GHz-band.
In België is de 5G-veiling op de lange baan geschoven. De federale overheid en deelstaten kunnen het niet eens worden over de verdeling van de inkomsten uit de veiling. Dat geruzie over euro’s zorgt dat de uitrol jaren vertraging op kan lopen.
Twee Belgische mobiele providers hebben al wel toegang tot 5G verkregen via band 42 op 3,5 GHz. Dat deel kwam een aantal jaar geleden vrij omdat WiMax niet doorbrak. Gridmax biedt toegang tot 5G in een aantal landelijke gebieden in Wallonië, en Citymesh biedt toegang tot 5G aan de kust in Brugge, Gent, Antwerpen en aangrenzende gemeenten. Citymesh levert overigens geen diensten aan consumenten, maar aan bedrijven die met 5G processen aansturen. Denk aan robots, zelfrijdende heftrucks en het tracken van containers.
5G OP EIGEN TERREIN
5G gaat vooral voor de industrie een grote impact hebben. Productie- en transportprocessen hebben veel te winnen bij 5G doordat de efficiëntie toeneemt. Voorwaarden zijn het toekennen van vaste netwerkresources (Network Slicing) en edge-computing, waarbij rekenperformance vanuit de cloud uit een basisstation om de hoek komt in plaats van ergens in een datacentrum ver weg.
Op die manier kunnen bedrijven op eigen terrein een eigen mobiel zendstation met lokale servers beheren. Via 5G-infrastructuur heb je dan een latentie van 1 ms. Tussen de client en server zitten dan niet meer meerdere tussenstations (routers) met bij elke tussenstop een paar milliseconden vertraging omdat het pakket wordt doorgestuurd. De data gaan daarbij slechts een paar honderd meter door de lucht.
Eigen servers zorgen ervoor dat voertuigen op het eigen terrein aangestuurd kunnen worden of ingenieurs de monteurs kunnen helpen met het in gebruik nemen van apparatuur met behulp van virtual reality. Verdere voorbeelden (en de huidige tests die binnen Nederland plaatsvinden op dit gebied) staan in het volgende artikel.
5G EN IOT
5G gaat niet meteen heel veel impact hebben op Internet of Things. Een groot voordeel tegenover de traditionele IoT-zendtechnieken zoals Sigfox, LoRAWAN en Bluetooth is dat een enkel 4G- of 5G-basistation al tot 200.000 apparaten met elkaar kan verbinden. Per huishouden is dat omgerekend maximaal 160 IoTapparaten. De ontvangers hebben genoeg aan een minder sterk signaal. Je watermeter diep in de kelder kan ook netjes worden uitgelezen.
IoT-apparaten die data via mobiele netwerken versturen, babbelen onderling via eigen frequenties en hebben daardoor minder last van storing. De kosten voor het gebruik zijn prima te behappen. De tarieven gelden vaak voor meerdere jaren en bevatten genoeg data voor IoT-doeleinden (enkele MB’s). Per apparaat gaat het om een paar euro. Het is aan de ontwikkelaars om het programmeren van de modules onder de knie te krijgen.
Daarbij moet erop gelet worden dat de specificaties van IoT maar een deel van de mobiele datafuncties afdekken. Het bij 4G ingevoerde en populaire NB-IoT is niet geschikt voor handover-gebruik. Een NB-IoTmodule kan niet zonder onderbrekingen van cel naar cel bewegen, maar moet steeds opnieuw aanmelden. Dat neemt een paar seconden in beslag. Daarom zijn NB-IoT-modules nauwelijks geschikt voor het tracken van bewegende objecten. Voor dat doel moet gewacht worden op de Cat-M1-specificatie. Deze is in een aantal landen al actief.
CONNECTED AUTO’S
Automobilisten krijgen met de grootste revolutie te maken. Anders dan in de industrie, waar 5G enkel het pad effent voor optimalisatie en concurrentie, is het mobiel connected maken van auto’s in veel landen een gewenste optie of zelfs verplicht: ten dele omwille van veiligheidsredenen, maar ook om de verkeersstroom te beïnvloeden.
Daar zijn een fiks aantal normen voor vastgelegd, afhankelijk van of een auto met een andere auto communiceert (Vehicle-to-Vehicle), met verkeerslichten en borden langs de weg (Verhicle-to-Infrastructure), met voetgangers of fietsers (Verhicle-to-Pedestrian), met het netwerk (Verhicle-to-Network) of met je eigen huis (Verhicle-to-Home). Alle specificaties samen vallen onder Verhicle-to-Everything (V2X).
V2X-toepassingen zijn in theorie wel met het wifiachtige 802.11p te implementeren. De V2V-communicatie maakt veiligheidssystemen mogelijk zoals het waarschuwen voor ongelukken, botsbescherming, lane-assist, het monitoren van de dode hoek, intersection-assist, melding van naderende hulpdiensten, melden van werkzaamheden en filevorming en nog veel meer.
Om dat mogelijk te maken, heb je een 11p-infrastructuur langs wegen nodig. Dat is niet nodig als je V2X met mobiele netwerken gebruikt. Om daar onderscheid tussen te maken, wordt dat Cellular-V2X genoemd (C-V2X). De EU heeft een voorkeur voor 802.11pm, maar veel autofabrikanten hebben gekozen voor C-V2X. Een van de redenen voor die keuze is dat auto’s dan via 4G onderling te verbinden zijn zonder dat daar een basisstation voor nodig is (LTE-Device-toDevice).
Dat houdt ook in dat het verkeer op de middellange termijn er heel anders uit kan gaan zien. En het onderling verbonden zijn kan ook invloed hebben op de rijstijl van weggebruikers. Waarom dat zo is, leggen we uit in het volgende artikel.
VOORBIJ 5G
Als 5G al zo revolutionair is en zulke hoge snelheden haalt, komt er dan nog 6G? Dat is zo goed als zeker, maar dan hebben we het over meer dan 10 jaar in de toekomst. En ook dan gaat het om meer capaciteit.
Als we de ontwikkelingen tot dusver bekijken, gaan de signalen steeds minder ver dragen, terwijl er hogere frequenties worden gebruikt. Maar dat geldt alleen voor antennes die een oppervlakte omnidirectioneel (of iets daarvan afgeleid) per sector afdekken. Dat is nog de oude manier van denken over mobiele netwerken van 10 of 20 jaar terug. Als je richtantennes inzet, wordt het een heel ander verhaal. Het signaal wordt bij een identieke zendkracht en idem antenne bij een hogere frequentie juist beter, als er maar wordt gefocust.
Onderzoekers in het Finse Oulu willen dat gegeven gebruiken om het terahertz-zendbereik onder de loep te nemen. En de Amerikaanse overheidsinstantie FCC heeft recent licenties uitgedeeld voor experimentele toepassingen met een looptijd tot 10 jaar. Maar waar is die extra bandbreedte dan voor te gebruiken? Dat is nog wat vaag. Er wordt gesproken over realtime aansturing van drones of robots en inzet bij camera’s met een zeer hoge resolutie.
Een periode van 10 jaar klinkt als genoeg tijd om alle randvoorwaarden te onderzoeken, en niet zoals bij 5G pas na het invoeren nog over allerlei dingen in discussie te gaan.