Waarom 5G zoveel sneller is

Momenteel haal je met 4G (LTE) een datasnelheid van meer dan 2 Gbit/s. Het nieuwe 5G mobiele netwerk belooft een gegevensoverdracht met snelheden tot 10 Gbit/s. Die snelheidswinst is alleen mogelijk dankzij nieuwe technieken.

De huidige mobiele netwerken zenden in Europa tussen de 800 en 2600 MHz. De techniek op die frequenties heeft zich inmiddels bewezen en werkt goed. De frequenties onder 1000 MHz dienen door het grote bereik voor grote oppervlaktes. De hogere frequenties maken een snellere dataoverdracht mogelijk, zoals in steden en bij hotspots van winkel­centra, treinstations, vliegvelden of stadions.

De datasnelheid is vooral afhankelijk van de bandbreedte. Een 4G-signaal kan op 10 MHz bandbreedte een datasnelheid halen van 75 Mbit/s. De hoogste snelheden die momenteel in Nederland in de praktijk worden gehaald, zitten gemiddeld rond 45 tot 55 Mbit/s. In België zit dit gemiddelde rond 30-40 Mbit/s.

Netwerkaanbieders hebben te kampen met capa­citeitsproblemen. Al nemen de verkopen van smartphones af, er wordt wel steeds meer data verbruikt. De frequenties waarin het mobiele netwerk opereert voldoen nauwelijks meer. De providers riepen steeds om meer bandbreedte en met 5G krijgen ze die nu ook. De implementatie van het nieuwe netwerk zal echter in stappen verlopen. In Nederland dreigde er nog vertraging omdat de inlichtingendienst die frequenties voor afluisterpraktijken in zijn station in Friesland gebruikt. Uiteindelijk is besloten die centrale naar het buitenland te verhuizen. De veiling van de frequenties in Nederland vindt waarschijnlijk dit jaar nog plaats. In België is er nog politiek gesteggel over de verdeling van de opbrengst van de veiling van de frequenties. Bij eerdere veilingen ging 80% van het geld naar de federale overheid, en 20% naar de deelstaten. Die laatste willen nu een hoger percentage ontvangen. De redenering is dat de consumptie van media zal stijgen vanwege de hogere datasnelheid, en media valt binnen de bevoegdheid van de deelstaten. Omdat beide partijen daar nog niet uit zijn, is de verdere veiling van frequenties voorlopig op de lange baan geschoven.

De nieuwe 5G-frequenties zitten rond de 3,5 GHz. Tijdens de opbouwfase zal de datasnelheid in de praktijk niet veel sneller zijn dan 4G en zal de beloofde 10 Gbit/s niet haalbaar zijn. Ook als op termijn de oude frequentie­banden voor 5G vrij worden gegeven, zal daarmee hooguit ongeveer 1 Gbit/s haalbaar zijn.

Risico’s blootstelling 5G

Geleerden zijn het nog niet eens over de risico’s van blootstelling aan de huidige mobiele radiogolven, terwijl 5G er al aankomt. Die discussie laait ook bij 5G weer op (letterlijk, met het in brand steken van 5G-zendmasten). In september 2018 al eisten 180 artsen uit 36 landen dat de ontwikkeling van 5G gestaakt werd tot de gezondheidseffecten duidelijk waren. Er is echter geen verschil tussen de elektromagnetische straling van de 5G-versie en 4G en 3G, zolang de geldende grenswaarden maar niet overschreden worden. Maar omdat er voor 5G meer masten nodig zijn, kan de belasting wel stijgen. Epidemiologisch onderzoek is echter lastig omdat controlegroepen ontbreken. Een aantal onderzoeken hebben we voor je verzameld.

Waar moet die bandbreedte dan vandaan komen? Gaten en nog beschikbare bereiken waren en zijn er alleen nog maar in hoogfrequente banden. Die zitten allemaal boven de 10 GHz. Dat zijn echter problematische banden, omdat ze niet bijzonder geschikt zijn voor mobiele netwerken.

Hoger dan 24 GHz zijn er nog gigantische, bijna ongebruikte frequentiebanden beschikbaar. Met name het bereik tussen 24,5 en 29,5 GHz, waarin wereldwijd al talrijke test- en pilotprojecten lopen, is interessant.

Die door de EU gereserveerde band met een breedte van bijna 3000 MHz net onder de 30 GHz-grens is vele malen breder dan alle mobiele zendbanden samen. Alleen daarmee zal de 5G-belofte van een veel grotere bandbreedte waargemaakt kunnen worden. Het probleem is alleen dat het bereik op die frequenties laag is, en hooguit enkele honderden meters haalt. Op plekken waar er een grote vraag is naar veel datadoorgifte, zullen er daarom veel basisstations nodig zijn.

Geplande mmWave-banden

Ook op de nieuwe banden tussen 24,5 en 29,5 GHz zal er verspreid over de wereld van verschillende banden gebruik worden gemaakt.

Vanaf 30 GHz heb je te maken met millemeter golven, ofwel ‘mmWave’. De overgang tussen centimeter- en millemetergolven is fluïde: de 24,5 GHz band gedraagt zich al grotendeels als de daarboven gelegen mmWave-­banden. Het bereik rond en boven 30 GHz werd tot nu toe met name gebruikt door satelliet- en richtzenders. Voor mobiele netwerken zouden echter nieuwe methoden nodig zijn om golven te bundelen en te focussen. Deze maken onderdeel uit van de 5G-norm.

Hoe hoger de frequentie is, des te korter het bereik wordt. Hindernissen tussen zender en ontvanger hebben een nog sterker storend effect. Gps-signalen, die op ongeveer 1,5 GHz zitten, worden in een bos onder de bladeren al merkbaar zwakker. Toegang tot meer satellieten, zoals van Galileo, vergroot hooguit de kans dat er ongehinderd zicht op een satelliet is. Bij 30 GHz werkt een struik die nat is van de regen al als een massief beton­blok. Signalen van 800 MHz worden merkbaar gedempt door muren, een signaal op 30 GHz komt niet door een muur of een dak met dakpannen heen.

Daarbij komt dat de natuurlijke trajectdemping hoger wordt. Die stijgt kwadratisch met de frequentie­stijging mee. Bij 24 GHz is hij een factor 100 hoger dan op 2,4 GHz. Dat zorgt ervoor dat de reikwijdte van een basisstation lager wordt. Bij stijgende frequenties treden er ook meer en sterkere reflecties op van oppervlaktes en sterkere buigingen en verstrooiingen op randen en hoeken. Op 10 en 24 GHz gebruiken zend­amateurs bijvoorbeeld grote onweerswolken om hun signalen sterker te verstrooien. Daarmee behalen ze vervolgens reikwijdten tot meerdere honderden kilometers.

Als er tussen de zender en de ontvanger een obstakel zit, wordt het signaal vaak via reflecties doorge­geven, bijvoorbeeld via een muur van een gebouw of het wegdek, tuinhekken of andere oppervlakten die het pad van de radiogolven kruisen. De golven van de reflecties zijn weliswaar stukken zwakker dan het directe signaal. Maar op korte afstand tussen zender en ontvanger en via verschillende zendpaden, is het alles bij elkaar toch genoeg voor een stabiele verbinding.

Demping bij mmWave-bereik

Op steeds hogere frequenties groeit de demping door de atmosfeer aanzienlijk. De maximale waarden worden bepaald door de zuurstof en water­damp in de lucht.

Met MIMO (meerdere antennes en zendpaden) en met beamforming kan er zeer efficiënt gebruik gemaakt worden van het mmWave-bereik. De structuur van de antennes is afgestemd op de golflengte en zit bij het mmWave-bereik op maar 1 tot 1,2 centimeter. Het klassieke dipoolelement van een halve golflengte is dan maar 5 tot 6 millimeter lang. Daardoor kun je op een relatief klein oppervlak een antennearray aanbrengen met zeer veel elementen. De hogere gain compenseert het verlies door de hogere trajectdemping.

Beamforming is een van de basisfuncties van 5G-­apparaten. Daar heb je een antennearray voor nodig, waarmee je door faseaansturing van de individuele antennes een straalverbinding kunt creëren. Het basis­station kan daarmee doelgericht individuele ontvangers een straalverbinding bieden, wat een beter signaal oplevert. Adaptieve mechanismen zorgen ervoor dat de beamforming continu wordt aangepast bij verplaatsing of obstakels. De straalverbinding is dus niet beperkt tot een vaste locatie. Daarvoor moet het basisstation wel over aanzienlijke rekenkracht beschikken – processorfabrikanten zoals Intel ruiken alweer nieuwe kansen in de markt voor mobiele apparatuur.

Dat geldt ook voor mobiele telefoons: door de steeds hogere frequenties en kortere golflengtes kunnen er ook meer antennes in de smartphones. Die communiceren op hun beurt met MIMO via meerdere signaalpaden met een basisstation. Dit gebeurt ook al bij 4G. Bij 5G wordt bovendien beamforming geïntroduceerd. Dat verhoogt verder de datasnelheid en de stabiliteit van het signaal, omdat de gain van de antenne in de smartphone zowel het ontvangen als het verzonden signaal versterkt. Dit is wel rekenintensief en betekent een hoger energieverbruik en kortere accuduur.

Een bijeffect is dat de locatie van een smart­phone met een 5G-verbinding tot op de meter nauwkeurig kan worden bepaald. In huidige mobiele netwerken – dus zonder wifi-ondersteuning – kan de locatie tot op 50 meter nauwkeurig worden bepaald. Met name voor M2M-toepassingen, dus de communicatie tussen machines, is dat een zeer belangrijke functie, omdat dit een exacte locatiebepaling zonder gps mogelijk maakt.

Massive MIMO

Een zogeheten massive MIMO-systeem gebruikt het beste zend­traject. Als er iets in de weg zit, kiest het systeem met minimale vertraging zelf een nieuw pad.

De drang naar steeds hogere frequenties en idem data­snelheden wordt beperkt door de grenzen van de fysica. Boven 300 GHz kunnen door de extreme demping signalen hooguit enkele meters worden verzonden.

De bandbreedtehonger zal op den duur niet meer door steeds hogere frequenties kunnen worden gestild. Maar het duurt sowieso nog jaren voordat de banden boven de 24 GHz gebruikt zullen worden die in de specificaties zijn opgenomen.

(Urs Marnsmann en Daniel Dupré, c’t magazine)