De technische feiten achter de 5G uitrol


In de laatste week zijn in Nederland zeven zendmasten in brand gestoken. Ook in het verenigd koninkrijk worden veel zendmasten in brand gestoken. Dit is een zorgelijke ontwikkeling. Er gaan rond 5G veel verhalen in de ronde. Sommige van deze verhalen kloppen, maar er zijn ook genoeg verhalen die niet kloppen.

In dit artikel ga ik zo veel mogelijk in op de technische feiten achter het 5G-netwerk en daarmee op de punten welke bij de uitrol van 5G zullen veranderen ten opzichte van nu. In Nederland is nog geen 5G netwerk wat aan staat, op een stuk of twintig testlocaties na. Een groot deel van de bestande zendmasten ondersteunt wel een vorm van 5G, maar dit staat allemaal nog uit.

Om goed uit te kunnen leggen wat er allemaal gaat veranderen bij de 5G-uitrol is het nodig om een stukje achtergrond te geven over de geschiedenis van de eerdere generaties van de mobiele netwerken. In het speciaal over de geschiedenis en werking van 4G.

De eerste generaties van het mobiele netwerk (1G/2G) werkten grotendeels met analoge technologie of oudere digitale modulatie. Modulatie is de manier waarop een signaal door de lucht wordt verstuurd. Denk hierbij aan je FM-radio of wifi-verbinding thuis, maar dus ook je mobiele telefoon. Deze technologie is veel gevoeliger voor storingen dan digitale technologie. Daardoor werd op erg hoog vermogen gezonden. Dit werd nog versterkt doordat er veel minder zendmasten waren dan tegenwoordig. Ook daarom moesten de zendmasten veel harder zenden om je telefoon te bereiken, maar ook andersom. Je telefoon moest ook erg hard zenden om goed bij de zendmast aan te kunnen komen.

De vraag naar bandbreedte is sinds die tijd enorm toegenomen en we zijn overgeschakeld van oudere technologie naar nieuwe digitale technieken. Door betrouwbare digitale modulatie en de plaatsing van meer zendmasten kon het totale zendvermogen van de zendmasten en telefoons flink verlaagd worden.

De werking van 4G

Het 4G-netwerk wordt uitgezonden op meerdere verschillende frequentiebanden. Dit is een mix van lage frequenties die ver reiken en hoge frequenties voor lokalere dekking. Deze frequentiebanden heten in netwerktermen een 'Carrier'. De frequentieruimte wat bij zo'n carrier hoort is maximaal 20MHz groot.

Om efficient meerdere telefoons te kunnen ondersteunen wordt zo'n carrier van 20MHz opgesplitst in 100 subkanalen. Een telefoon kan meerdere van deze subkanalen tegelijk gebruiken. De hoeveelheid is afhankelijk van hoe druk het is op het netwerk. Daarnaast kan de toewijzing van elk subkanaal per milliseconde veranderen. Voor het gemak noemen we één subkanaal in één milliseconde een 'stukje data'.

Omdat er 1000 milliseconden in een seconde zitten en 100 subkanalen in een carrier heb je in één seconde tijd 100000 'stukjes data' om uit te delen aan telefoons. Als het druk is op het netwerk krijgt elke telefoon weinig, als het rustig is krijgt elke telefoon veel. Binnen deze 'stukjes data' wordt QAM-modulatie gebruikt om de data door de lucht te versturen. Voor dit artikel gaan we niet in op de werking van QAM omdat het redelijk ingewikkeld is. Als je hier meer over wilt weten is er op het internet veel over deze techniek te vinden, of neem contact op.

Deze QAM-modulatie is zo efficient dat met dezelfde hoeveelheid frequentieruimte het bijna onmogelijk is om een hogere snelheid te behalen. Dat betekent dat om de snelheid te verhogen de hoeveelheid frequentieruimte moet kunnen worden vergroot. Dat brengt ons bij 5G.

De werking van 5G

De zendtechniek van 4G, zoals hierboven beschreven, werkt zo efficient dat er bij 5G weinig veranderingen nodig bleken. Daarom gebruikt 5G exact dezelfde uitzendtechniek als bij 4G. Doordat een 4G- en 5G-signaal er in de lucht hetzelfde uitzien kan per subkanaal en zelfs per milliseconde (het 'stukje data' van hierboven) dynamisch worden gewisseld tussen 4G en 5G op dezelfde frequentiebanden. Dit betekent dat zonder nieuwe frequentieruimte toe te voegen 5G kan worden uitgezonden op het overgrote deel van de bestaande zendmasten. Hiermee kunnen dus bijna alle zendmasten die momenteel 4G ondersteunen ook 5G uitzenden. Dit betekent dus ook dat áls er negatieve gezondheidseffecten zouden zijn bij 5G op deze frequentiebanden, deze zelfde negatieve gezondheidseffecten ook aanwezig moeten zijn bij het 4G-netwerk, waarvoor nog geen concreet wetenschappelijk bewijs is.

Het dynamisch wisselen tussen 4G en 5G op dezelfde frequentieruimte is een techniek die ook in Nederland gebruikt gaat worden voor de eerste versie van 5G, halverwege 2020. De eerste versies van 5G-netwerken kunnen zelfs niet functioneren zonder 4G. Nu is een logische vraag, als 5G practisch hetzelfde is als 4G, waar zitten dan de verschillen, en is er dan uberhaupt wel snelheidswinst? Dat brengt ons bij de verschillen van 5G. Er zijn een aantal belangrijke verschillen en toevoegingen:

  1. Het corenetwerk: De eerste belangrijke ontwikkeling bij het 5G-netwerk vindt zich volledig plaats in het glasvezelnetwerk achter de zendmasten. Hier ontstaat de mogelijkheid om subnetwerken te creëren met verschillende eigenschappen. Bijvoorbeeld een IoT-netwerk voor berichten met een laag zendvermogen, of een netwerk voor communicatie waarbij latency zo laag mogelijk moet zijn.
  2. MIMO: De ondersteuning voor MIMO is verbeterd bij 5G. Hierdoor kan door een signaal via meerdere paden te laten reflecteren (bijvoorbeeld tussen gebouwen) een hogere snelheid behaald worden.
  3. Ondersteuning van mmWave spectrum: Bij 5G wordt mmWave spectrum ondersteund. Dat zijn draadloze frequenties van 26GHz en hoger. Het inzetten hiervan is een enorm grote uitdaging omdat de demping van deze frequenties erg hoog is. Een aantal velletjes papier tussen je telefoon en de zendmast kunnen het signaal al onbruikbaar maken. Over mmWave spectrum hieronder meer.

Bij de aankomende frequentieveiling in Nederland komende Juni zullen de vergunningen voor de 700MHz, 1400MHz en 2100MHz banden worden verkocht. Het toevoegen van dit spectrum zal niet meteen zorgen voor een grote toename in snelheid. Daarnaast zullen deze frequenties waarschijnlijk ook worden ingezet voor 4G naast 5G, met eventueel dezelfde dynamische verdeling zoals hierboven beschreven.

Pas bij de toevoeging van de 3400MHz tot 3700MHz frequentieband in Nederland zal de snelheid met flinke stappen toenemen. Dat komt doordat er in deze band veel frequentieruimte beschikbaar is. Signalen in deze frequentieband zullen qua karakteristieken zich grotendeels hetzelfde gedragen als bestaande frequentiebanden.

mmWave spectrum

Een veelbesproken toevoeging aan 5G is de ondersteuning voor mmWave spectrum op frequenties van 28GHz en hoger. Er zijn specifiek 2 frequentiebanden die door 5G worden ondersteund. 26.5GHz-29.5GHz en 37GHz-40GHz. De eerste band, de 26GHz band gaat in Nederland in ieder geval gebruikt worden in de toekomst. Er zijn echter nog geen concrete plannen hiervoor en de veiling voor deze frequentieband is nog niet gepland. In ieder geval gaan we deze band voor 2022 nog niet in actie zien in Nederland.

Een paar voorbeelden van huidig gebruik van de 26GHz frequentieband zijn militaire radarsystemen, communicatie tussen de grond en sattelieten, en bodyscanners op vliegvelden, waarmee wordt gescand of er verboden objecten onder de kleding zitten. Het is hiermee niet mogelijk om door het lichaam heen te zenden.

De inzet van mmWave spectrum bij 5G is een grote uitdaging omdat de signalen in deze band heel erg gedempt worden. Als je je hand tussen je telefoon en de zendmast houdt valt het signaal al weg. Zelfs als je je telefoon in je broekzak hebt zal in de meeste situaties dit spectrum al onbruikbaar zijn. Je telefoon verbindt altijd met een lage frequentieband en zal daar voornamelijk ook verbonden mee blijven. Pas als een mmWave signaal aanwezig is zal een deel van het dataverkeer over deze verbinding verlopen, maar je telefoon blijft ten alle tijden verbonden met een zendmast op een lage frequentie.

Vaak wordt gezegd dat het voor 5G nodig is om op elke straathoek antennes te plaatsen. Dit is niet per se het geval. Pas als we goede dekking willen behalen met mmWave spectrum zouden er meer kleine antennes moeten worden geplaatst. Aangezien er nog geen concrete plannen zijn voor de inzet van mmWave spectrum in Nederland zal het zeker nog jaren duren voordat we dat hier gaan zien. Daarnaast wordt de voornaamste dekking dan nog steeds met grote antennes op gebouwen of op zendmasten gedaan. De kleine antennes zenden op een erg laag vermogen, vergelijkbaar met WiFi in huis. Doordat dit zendvermogen veel lager is is de dekking hiervan ook maar enkele tientallen tot enkele honderden meters.

Omdat het zo lastig is om goede dekking te realiseren met mmWave spectrum zullen we dit in Nederland ook alleen op de extreem drukke locaties gaan zien. Het verkeer zal voornamelijk via de lagere frequentiebanden worden afgehandeld, waar 4G ook op gebaseerd is. Daarnaast zal de 3500MHz band ruimte geven voor veel snelheid en capaciteit. Alleen op de extreem drukke plekken zoals grote steden, evenementenlocaties, vliegvelden en treinstations zullen we mmWave spectrum gaan zien.

Op den duur zal bij 5G gebruikt worden gemaakt van beamforming technologie om lokaal dekking te kunnen creëren. Hierbij zenden antennes een aantal stralen uit om gerichter dekking te kunnen realiseren. Deze stralen hebben een omvang van enkele tientallen tot honderd meter en kunnen erg handig zijn om minder grote zendlocaties nodig te hebben. Door het inzetten van gerichte stralen kan de totale draadloze veldsterkte in de omgeving potentieel afnemen.

In Nederland zullen deze beamforming antennes voorlopig alleen op 2600MHz gebruikt gaan worden. Na de veiling van de 3500MHz band in 2022 zal ook daar op drukke plekken gebruik worden gemaakt van beamforming technologie.

Slot

Ik hoop hiermee een aantal vaakvoorkomende vragen over 4G en 5G te hebben beantwoord. Heb je na aanleiding van dit artikel vragen of opmerkingen? Neem gerust contact op. Bij voorkeur op Twitter, maar e-mail is ook een optie. Ik zal dan mijn best doen om je vraag te beantwoorden. 5G is een mooie techniek die doorbouwt op de basis van 4G. De uitrol ervan zal jaren gaan duren en de echte grote voordelen van 5G zullen we in Nederland in de komende jaren zeker niet gaan zien.