Transformation in die Cloud - welche Cloud darf es sein?
Thema: Future Networks

5G – Het netwerk der netwerken

14-jun-2018

5G wordt niet alleen een nieuwe standaard voor nog krachtiger mobiele communicatie, het wordt een geheel nieuw netwerk voor het Internet of Things.
​​​​​​​
5G wordt de nieuwe mobiele standaard en het nieuwe netwerk voor het Internet van Dingen.
Being “right there in the action and not just a spectator”, de leus van een Duitse tv-zender, is bij de winterspelen in PyeongChang werkelijkheid geworden. Wanneer de schansspringers zich van de schans storten of de bobsleeërs door de baan schieten, kunnen de toeschouwers de actie meemaken vanuit het perspectief van de atleten. De sportieve ervaring komt zo nog dichterbij, dankzij kleine camera’s in de helm van de sporters. En dankzij 5G.
De Zuid-Koreaanse mobiele communicatieprovider Korea Telecom en zijn partners Intel en Samsung hebben alle Olympische sites en andere hotspots verbonden met een 5G-netwerk. Iedereen die betrokken is bij de spelen, van de deelnemers tot de tv-zenders, kunnen hiermee verbinden. Deze nieuwe technologie maakt het mogelijk video’s in hoge resolutie te livestreamen, direct op het internet. Maar dat is niet alles. Dankzij 3600 camera’s kunnen kijkers met VR-brillen alles zien wat de sporter meemaakt, én in realtime.

Van 1G naar 5G: elke tien jaar een sprong in de technologie

PyeongChang vormt de media-introductie van de nieuwe 5G-technologie. Er worden regelmatig technologiesprongen gemaakt, en dat is zeker het geval bij mobiele communicatie. Zo verving in 1990 2G de eerste generatie standaard en luidde de introductie van sms in. In 2000 kwam met 3G het internet op de mobiele telefoon en in 2010 konden smartphone-gebruikers via 4G multimediatoepassingen gebruiken door middel van breedband internetverbindingen. De wereldwijde commerciële introductie van de 5e generatie mobiele communicatie staat gepland voor 2020. Maar 5G is meer dan een nieuwe stap in de technologie.
5G – het nieuwe toverwoord naast HD, 3D, 4K of IoT – is allereerst een nieuwe technologische standaard maar het is ook een nieuwe netwerkinfrastructuur. Er wordt hard gewerkt aan de nieuwe standaard. Op het Mobile World Congress in Barcelona in 2017, presenteerde de International Telecommunication Union (ITU) een aantal eerste specificaties en een tijdslijn voor 5G waarmee de leden van de VN-organisatie ingestemd hebben.

Torenhoge eisen aan het netwerk van de toekomst

5G gaat de prestaties van mobiele communicatie naar een volgend plan brengen. De strengste eisen worden gesteld door het Internet of Things. Volgens de prognose van IDC  worden de ruim 2 miljard smartphones die in 2020 mobiel internet gebruiken, aangesloten ruim 50 miljard verbonden apparaten, voertuigen en machines, die allemaal met elkaar  met de cloud en met gebruikers communiceren
Een communicatienetwerk dat in staat is alle huidige en vooral alle toekomstige scenario’s aan te kunnen, moet wel krachtig genoeg zijn. Neem bijvoorbeeld overdrachtssnelheden. De ITU wil uploadsnelheden voor data van 10 Gigabit/s en downloadsnelheden van 20 Gigabit/s als piekprestatie voor een mobiele communicatiemast in ideale omstandigheden. Ter vergelijking, met 4G LTE Advanced kunnen klanten zo’n 300 Mbit/s halen. In het proeflab en de pilots die uitgevoerd worden in een echt netwerk, gingen mobiele netwerkproviders in augustus 2016 voor het eerst over de 1 Gigabit/s heen. Met de 10 tot 20 keer hogere bandbreedtes die 5G biedt, worden voor het eerst scenario’s mogelijk zoals Virtual en Augmented Reality of het streamen van video in hoge resoluties in treinen en auto’s.

Minimale vertraging, maximale leveringsdichtheid

Neem bijvoorbeeld latency of vertragingstijd. Volgens de ITU mag in een 5G-netwerk de vertraging – de tijd die informatie erover doet om van de zender naar de ontvanger te reizen – niet meer zijn dan 1 milliseconde voor toepassingen waarvan de reactietijd kritiek is. Daarmee wordt de overdracht van signalen bijna in realtime mogelijk voor bijvoorbeeld belangrijke infrastructuren zoals stroomvoorzieningen en rampenbestrijding.
Een tweede belangrijk principe is de verbindingsdichtheid. Als mobiele communicatiecellen bij grote menigten aan hun grens zitten, dan ontstaat er een knelpunt voor draadloze communicatie als er 50 of 100 miljard dingen verbonden worden. Het plan is een 5G-netwerk dat QoS (Quality of Service) kan garanderen voor een miljoen apparaten per vierkante kilometer tegelijkertijd. Dat is 1000 keer de capaciteit van de huidige radiocellen.

Energiezuinig, betrouwbaar en overal

De specificaties van ITU voor 5G stellen ook strenge eisen aan de zuinigheid van energie, zowel aan het netwerk als aan de apparaten die verschillende stroombesparende functies moeten ondersteunen wanneer dataoverdracht inactief is. Betrouwbaarheid – de waarschijnlijkheid dat een datapakketje van een bepaalde grootte binnen een gespecificeerde tijd overgedragen wordt – wordt gereguleerd. Dat geldt ook voor de dekking en maximale datasnelheid met een uniforme QoS voor de verschillende snelheden waarmee een gebruiker beweegt: te voet (tot 10 km/u), per auto (tot 120 km/u), met de trein (tot 500 km/u) en in een vliegtuig (tot 1.000 km/u).
Naast deze technische randvoorwaarden heeft 5G een nieuwe netwerkinfrastructuur nodig. Het 5G-netwerk moet maximale flexibiliteit bieden om in alle mogelijke gebeurtenissen te voorzien. Providers gebruiken verschillende technologieën om hun netwerk voldoende intelligent te maken. Een combinatie van Software Defined Networking (SDN) en Network Functions Virtualization (NFV) zorgt ervoor dat datastromen in banen kunnen worden geleid en centraal beheerd kunnen worden in realtime, op basis van software en niet langer hardware.
Het is dus niet langer de hardware die bepaalt welke technologie en welk kanaal gebruikt wordt om data over te dragen. Dat doet software nu. Software, zoals we weten, is gemakkelijk bij te werken. Vroeger moesten apparaten vervangen worden, maar software heeft alleen updates nodig.

Het juiste netwerk voor iedere toepassing

Een 5G-netwerk kan bijvoorbeeld internet aanbieden evenals kritieke diensten met QoS en databeveiliging voor bepaalde toepassingen. Het draait om network slicing. Afhankelijk van de eisen voor dataverwerking, snelheid en capaciteit, biedt de infrastructuur van het 5G-netwerk voor iedere gebruiker en iedere applicatie de juiste verbinding – een op maat gesneden stukje van het netwerk.
Om dit te realiseren worden verschillende technologieën in de 5G-netwerken geïntegreerd. Dus niet alleen de meest recente standaard voor 5G maar ook het vaste net (glasvezel- en kopernetwerk), draadloze netwerken zoals WLAN, nieuwe mobiele standaarden zoals  NarrowBand IoT en natuurlijk de bestaande standaarden zoals LTE. Dit betekent dat netwerkproviders niet noodzakelijkerwijs nieuwe basisstations hoeven op te zetten om volledige dekking te bieden. Ze kunnen ook bestaande overdrachtsapparatuur updaten door middel van moderne technologie. Een van de mogelijke bandbreedtes voor 5G is echter meer dan 3GHz. En met elke gigahertz neemt het bereik rap af, waardoor er een evenredig aantal zendmasten bij moet komen. Dus om landelijke dekking te kunnen bieden, lijkt het erop dat netwerkproviders voor onbepaalde tijd terug moeten vallen op 4G en het échte 5G in eerste instantie beperkt wordt tot de grootstedelijke gebieden.

Kickoff in 2020 – en in de tussentijd: onderzoek

In december 2017 stelde standaardiseringsinstantie 3GPP de eerste fase van de 5G-standaard vast. Non-Standalone 5G New Radio (afgekort: NSA 5G NR) maakt het gebruik van de bestaande LTE-infrastructuur mogelijk. Technologieën zoals Enhanced Mobile Broadband (eMBB), hogere dataverwerking en lagere wachttijden zijn mogelijk op het LTE datakanaal. 3GPP wil de standaard voor Standalone 5G NR medio 2018 afgerond hebben.
De eerste proefnetwerken staan gepland voor eind 2018. De eerste bandbreedtes moeten in 2019 beschikbaar zijn. Goedkeuring door de ITU en 3GPP voor de uiteindelijke standaard staat gepland voor eind 2020, zo ook de eerste commerciële toepassingen. Ondertussen gaat het onderzoek door en 5G-projecten stomen wereldwijd verder.

De strijd om technologisch leiderschap

Zoals valt te verwachten, loopt Azië voorop en hadden, net zoals bij voorgaande technologische innovaties, de Winterspelen een sleutelrol. Naar voorbeeld van Zuid Korea, gaat Japan zich bij de 2020 Zomerspelen in Tokio volledig richten op 5G als communicatiebasis. En China doet hetzelfde bij de Winterspelen in Beijing in 2022. De grootste Amerikaanse providers zetten deze innovatie door, evenals hun Europese tegenhangers. De EU heeft bijvoorbeeld het 5G for Europe Action Plan geïntroduceerd om de ontwikkelingen te reguleren en coördineren, en wil dat beter te doen dan de uitrol van LTE over Europa die niet zo succesvol was.
Ook Duitsland is van plan een belangrijke rol te spelen in 5G, met Berlijn aan het hoofd. Zo biedt o.a. het Fraunhofer Instituut voor Telecommunicatie in het 5G-Testfeld, een initiatief van de Berlijnse Senaat, netwerkproviders en bedrijven, de mogelijkheid om netwerken en diensten met 5G uit te proberen. Om 5G live te testen, gebruiken onderzoekers Software-Defined Radio (SDR) zendontvangers. Die SDR-hardware bestaat uit een zender, een ontvanger en een analoge/digitale omvormer. De verwerking van signalen wordt bestuurd door software zodat een draadloze module verschillende frequenties kan ondersteunen en kan schakelen tussen LTE, WLAN of 5G zonder dat de hardware vervangen hoeft te worden. 
Netwerkleveranciers Nokia en Deutsche Telekom hebben een testveld opgezet in de haven van Hamburg. Daar staat een 150m hoge 5G-antenne op de Hamburg TV Toren die het havengebied van 8.000 vierkante kilometer voorziet van mobiele communicatie met 5G. 5G wordt ook gebruikt om de verkeerslichten te regelen en om omgevingsdata te verzamelen, terwijl VR-applicaties gebruikt worden om bouwplaatsen en sluizen te controleren. De deelnemende bedrijven testen of een enkel netwerk aan deze uiteenlopende eisen kan voldoen door middel van network slicing technologie.