Hoe verder na 5G?

Inleiding

Het is logisch, maar toch ook raar. Telkens als providers bezig zijn met het uitrollen van een nieuwe generatie mobiel netwerk, verschijnen de eerste berichten over wat erachteraan zal komen: een nieuwe, nieuwe generatie mobiel netwerk.

Dat is geen nieuws. Toen eind jaren negentig veel Nederlanders nog meenden dat een mobiele telefoon met 2G een overbodige luxe was, waren providers en leveranciers van netwerkapparatuur al bezig met het ontwikkelen van wat 3G zou worden, UMTS, bedoeld voor 'multimedia'. In Nederland kwamen 3G-netwerken rond 2004 en 2005 live; het eerste nieuwsbericht over LTE, wat de basis zou gaan vormen voor 4G, kwam in 2006 online. Providers boden 4G aan vanaf 2013 en dat was pas nadat we begonnen te schrijven over 5G.

Kortom, het is helemaal niet gek dat we nu schrijven over 6G en dat eerder ook al hebben gedaan. Dat we erover schrijven, betekent echter niet dat het bestaat, want officieel is er nog helemaal geen 6G-standaard. De sector zit nu in de eerste fase: ontdekken wat een volgende generatie mobiel netwerk moet kunnen.

Dit is wel het moment voor bedrijven en organisaties die een rol willen spelen bij de ontwikkeling van 6G, om alvast in te stappen. Het lijkt misschien allemaal vaag, maar dit is ook het moment waarop de kaarten worden geschud. Ieder bedrijf en ieder land wil natuurlijk de beste kaarten hebben om over tien tot twintig jaar vooraan te staan als het geld wordt verdiend. China, de VS en de EU willen niet achterlopen op elkaar op gebied van mobiel internet en stellen dus geld beschikbaar voor onderzoek naar 6G-technieken. Het gaat Nokia, Ericsson, Huawei en ZTE om de toekomstige verkoop van apparatuur, maar ook om inkomsten uit patenten. Smartphonemakers willen liefst ook vooraan staan, om een innovatief imago te krijgen en om deals met providers te kunnen sluiten voor de eerste telefoons die een nieuw netwerk ondersteunen. Makers van socs, zoals Qualcomm en MediaTek, willen graag de modems ontwikkelen om zo in de toekomst relevant te blijven.

Er is nog niet veel bekend, maar diverse onderzoekers en bedrijven hebben al hun ideeën op papier gezet. Aan de hand daarvan kunnen we kijken wat de plannen zijn en hoe 6G eruit gaat zien, wat het gaat bieden en wanneer het gaat komen.

5G / 6G

De fasen voordat 6G er is

Voordat we in 6G duiken, is het goed om eerst even te duiden welke fasen er zijn bij de ontwikkeling van een nieuw mobiel netwerk. Ook is het belangrijk om de beloften in context te plaatsen. Beloften zijn gratis en dus zijn er altijd grotere beloften dan kunnen worden waargemaakt, zeker bij de start van een nieuwe generatie mobiel netwerk.

Momenteel zit 6G in de eerste fase. Er worden ideeën uitgewisseld over wat dit netwerk moet bieden. Dat is een beetje een chaotische periode; elk bedrijf heeft eigen ideeën en brengt die in. De volgende fase betreft het bereiken van overeenstemming over wat de doelen van het nieuwe netwerk zijn. Vervolgens gaat het om het vaststellen van de standaard aan de hand van die doelen, terwijl tegelijk alle technieken in ontwikkeling zijn. Als de technieken zijn ontwikkeld, is het tijd voor de eerste hardware. Dat gebeurt eerst met prototypes, daarna met echte producten. Dat zijn in eerste instantie modems; die moeten in socs belanden, waarna ze in daadwerkelijke apparaten verschijnen.

Deze eerste fase lijkt chaotisch, maar is cruciaal. Nu, terwijl we nog nauwelijks 5G hebben, moeten de ideeën immers bedrijven en overheden al overtuigen van de noodzaak van de komst van 6G. Kijk maar terug naar 5G. Een van de doelen was het mogelijk maken van veel hogere overdrachtssnelheden en daarvoor was veel meer frequentieruimte nodig. Wie moeten die frequenties beschikbaar stellen? Juist, overheden.

Daarom is het zaak tijdig te weten wat nodig is voor een nieuwe generatie mobiel netwerk. Nederland heeft lang getwijfeld over de verhuizing van Inmarsat en daardoor komt de 3,5GHz-frequentie voor 5G nu veel later beschikbaar dan in andere landen. Dat is lastig, want waar 3G en 4G al direct beloften begonnen in te lossen, geldt dat voor 5G een stuk minder. Het ging bij 3G om mobiel internet en dat was direct mogelijk, zij het met veel beperkingen. Bij 4G ging het om meer capaciteit en bandbreedte voor mobiel internet, vooral om te kunnen streamen. Ook dat was vrijwel direct mogelijk.

Bovendien, betoogt de Europese 5G Infrastructure Assocation in zijn recente whitepaper, is 5G meer gericht op zakelijk gebruik dan op consumenten. In de whitepaper, geschreven onder leiding van hoogleraar Carlos Bernardos van de universiteit Carlos III in Madrid en Miko Uusitalo van onderzoeksinstituut Nokia Bell-Labs in Finland, betogen de auteurs dat alleen 2G en 4G echt voor consumenten waren en dat 6G dat dus ook zal moeten zijn. "Net zoals dat 1G en 3G gedomineerd werden door gebruik van de nieuwe diensten door zakelijke klanten, zo gebeurt dat nu ook met 5G. Met 2G kreeg de consument de mobiele telefoon, terwijl 4G samenviel met de doorbraak van smartphones. Om deze lijn door te zetten zal 6G de functionaliteit moeten hebben om de infrastructuur mogelijk te maken voor het gebruik van via het netwerk gestuurde persoonlijke robotica."

De beloftes bij 5G zijn niet meteen ingelost. Er was met 4G geen wezenlijk probleem op te lossen waar consumenten al tegenaan liepen, en dus ging het veel over beloften over opereren op afstand of communiceren met hologrammen. Dat is er nog niet. We hebben in plaats daarvan een ander icoontje boven in beeld bij om en nabij dezelfde internetsnelheden. Desondanks zijn er nu al problemen met 5G aan te duiden en daarvoor moet 6G in elk geval een oplossing gaan bieden.

De plannen voor 6G: snelheid en latency

Wat moet 6G gaan brengen? Om daar een beeld van te krijgen, hebben we whitepapers van relevante partijen doorgenomen. Daaruit komt een beeld naar voren dat in diverse factoren uiteenvalt. Een paar daarvan kun je wel raden, zoals hogere snelheden en lagere latency. Daarnaast gaat het veel over 'remote sensing', het op afstand waarnemen van de wereld. Dat heeft te maken met het mengen van de digitale en de fysieke realiteit, die door 6G dichter bij elkaar moeten komen. Oh, en geen verhaal over tech in 2021 is compleet zonder AI, dus ook dat moet diep in het systeem komen te zitten. Tot slot, maar zeker niet onbelangrijk, moeten mobiele netwerken zuiniger met energie gaan omspringen.

Laten we beginnen op het bekende terrein: snelheid en latency. Op dat gebied moet er natuurlijk een grote stap worden gezet; we moeten de maximale downloadsnelheid gaan meten in Tbit/s. Dat klinkt nu nog ver weg en die weg is inderdaad lang, maar als je kijkt naar de maximale snelheden van vorige generaties, is het niet zo gek.

Nu zit 5G nog op ongeveer 4Gbit/s, maar dat is wat nu haalbaar is op bepaalde netwerken. Dat gaat in de komende jaren vermoedelijk nog stijgen. Bovendien is dat doel voor 6G, 1000Gbit/s, een uiteindelijk doel, maar vermoedelijk niet wat bereikbaar is bij de komst van die netwerken.

Het probleem zit hem in die snelheden mogelijk maken. Daarvoor zijn verschillende elementen nodig: meer spectrum en meer spectrumefficiëntie. Met alleen meer spectrum is het immers lastig om 1Tbit/s voor elkaar te boksen. Daarvoor heb je frequentiebanden nodig die samen meer dan 100GHz breed zijn, schatten onderzoekers van de Finse universiteit in Oulu in. "Het is evident dat we nog ver te gaan hebben om Tbit/s-snelheden te bereiken, zelfs in testopstellingen. Voor consumentenproducten met massavolume ontbreken nog steeds bewezen technologieën op alle gebieden. Dat zal een uitdaging vormen voor de academische wereld en de sector in de komende jaren."

De onderdelen ontbreken dus nog op elk gebied. Er zijn nog geen antennes, geen modems en geen overdrachtstechnieken om dergelijke snelheden aan te kunnen. Zelfs als dat er allemaal is, is er nog een probleem. Op die hogere frequenties, van 100GHz tot 3THz, is het bereik prut. Een landelijk dekkend netwerk bouwen met hardware die een beperkt bereik heeft, is natuurlijk uitermate lastig.

Een ander punt is latency. Voor 5G is het doel, en ook dat is nog lang niet gehaald, om dat terug te krijgen tot 2-5ms. Voor 6G is het doel, zoals bijvoorbeeld 5G IA dat presenteert, om dat onder de 1ms te krijgen. Dat is nodig voor 'remote sensing'. Daaraan zit een natuurlijke barrière: de lichtsnelheid. In 1ms kan iets maximaal bijna driehonderd kilometer afleggen en niet meer. Als je ruim onder 1ms wilt zitten, moet de server waarmee je communiceert, dus veel dichterbij staan dan dat.

Voor 6G is er nog een punt dat veel terugkomt. De bedoeling is dat kunstmatige intelligentie een grotere rol gaat spelen. Met algoritmen moet het netwerkbeheer efficiënter worden. Onder meer smartphonemaker OPPO gelooft daar sterk in, getuige zijn whitepaper. Ook Samsung heeft het daarover. "De mogelijke voordelen van AI in draadloze communicatie zijn een belofte. Aan de andere kant is er een grens aan wat nu mogelijk is, omdat gebruik van AI in communicatienetwerken geen onderdeel was van de ontwikkeling van 5G."

De grote uitdaging: energie

Een van de grootste uitdagingen voor mobiele netwerken van de toekomst is energie-efficiëntie. Vrijwel alle partijen die een whitepaper hebben gepubliceerd, noemen dat als speerpunt van 6G. Wat is er nu dan mis met de energie-efficiëntie van netwerken? Professor Earl McCune van TU Delft legt het uit. Hoe hoger de datasnelheid, hoe lager de efficiëntie wordt. "Eerst wordt een signaal met een zeer gering vermogen opgebouwd. Dit bestaat uit de optelling van verschillende sinusgolven, tezamen goed voor enkele bytes aan informatie. Vervolgens wordt dit 'rommelige' signaal versterkt tot een vermogen van enkele watts, dat geschikt is voor communicatie."

Er zit groen in het logo van 5G,
voor de rest is er weinig groens aan.

Het probleem is dat het signaal lineair versterkt wordt; het versterkte signaal is daarbij een getrouwe weergave van het ingangssignaal. "Om deze lineariteit te waarborgen, opereren signaalversterkers de meeste tijd ver onder hun maximale vermogen, waardoor ze niet efficiënt zijn." Zo heeft 5G een efficiëntie van ongeveer tien procent; voor elke 10W die je erin stopt, krijg je dus maar 1W aan bruikbaar signaal terug. De rest is warmte, die wordt afgevoerd met een heatsink. Daardoor is de energierekening hoog. "We betalen voor de energie, we betalen voor de enorme voeding en we betalen ervoor om die warmte af te voeren in een gigantisch blok aluminium dat als koellichaam dienstdoet."

De oplossing? McCune: "Het is tijd om het gebruik van een lineaire versterker en pogingen om deze op de een of andere manier efficiënt in te zetten, te laten varen. In ons digitale tijdperk biedt de fysica ons gelukkig een andere manier om een nauwkeurig overdraagbaar signaal te maken. Als je uitgaat van een systeem waarbij het signaal gesampled wordt, en dat dus gebruikmaakt van vierkante signalen, dan zegt de wet van Ohm dat je zo efficiënt kunt zijn als je maar wilt. Een energie-efficiëntie van zeventig procent is zeker haalbaar. Dat is een enorme verbetering, alleen maar door lineariteit los te laten en het schakelsysteem aan te passen. We hoeven hiervoor niet eens de 5G-signaalstandaard te veranderen."

Dit zou een van de technieken kunnen zijn om mobiele netwerken energie-efficiënter te maken. Hexa-X, het Europese, gesubsideerde project voor 6G-ontwikkeling onder leiding van Nokia, heeft duurzaamheid als speerpunt voor 6G-ontwikkeling. Het rapport, een leidraad voor onderzoek, gaat daarin in op de doelen voor 6G waardoor het duurzamer kan worden dan voorgaande netwerkstandaarden.

Behalve het nog vage doel van energiebesparing over het geheel en uiteraard meer gebruikmaken van hernieuwbare energie gaat het daarbij over het energiegebruik als apparatuur niet in gebruik is. Dat zou moeten gaan naar 'zero consumption by zero load'. Dat kan een groot verschil maken, omdat veel apparatuur een groot deel van de tijd geen taak te vervullen heeft.

Ook bij de materiaalkeuze voor apparatuur moeten fabrikanten rekening gaan houden met duurzaamheid. Zo zou de productie minder energie moeten kosten en er moet minder verlies optreden als apparatuur aan het einde van de levenscyclus is gekomen. Ook bij consumentenproducten moet het afval geminimaliseerd worden.

Fairphone 3: telefoon gericht op duurzaamheid

Een belangrijke rol ziet Hexa-X voor makers van consumentenapparatuur. Als het aan dit consortium ligt, komt het tijdperk van de huidige aan elkaar gelijmde smartphone ten einde. "Diverse aspecten moeten daarbij in overweging worden genomen, zoals apparatuur die makkelijker repareerbaar is. Dat kan door een ontwerp dat gebaseerd is op clips die herbruikbaar zijn, in plaats van het aan elkaar lijmen van onderdelen. Ook kan apparatuur betere mogelijkheden krijgen om te worden geüpgraded met gestandaardiseerde connectors of voor een groter deel bestaan uit gerecycled materiaal."

OnePlus 3/3T Frankenstein en teardown — Deze telefoon van een jaar of vijf geleden is niet vastgelijmd, maar zit vast met klemmetjes.

Zoals ook met snelheid en latency is het ook met energie-efficiëntie nog een kwestie van uitvogelen hoe dat moet gebeuren. Dit nu als speerpunt benoemen is belangrijk, want dat opent de deur om onderzoek te doen naar energiebesparende technieken voor gebruik in 6G. Het laat zien welke kant de wind op waait, maar de details over hoe dat zal kunnen, zijn er nog niet.

Wat 6G moet bieden: robotica en waarnemen

Elke generatie mobiel netwerk belooft weer iets nieuws. Met 3G moest multimedia via internet mogelijk worden, 4G beloofde streaming en video goed mogelijk te maken en 5G zou zorgen voor weer nieuwe toepassingen: holografische communicatie en het tactiele internet.

De Jedi hadden duidelijk betere 5G dan wij. De bedoeling was dat vergaderingen waarbij mensen als hologram aanwezig zijn, werkelijkheid zouden worden. De Tweakers-redactie is tijdens de pandemie met videoverbindingen gaan overleggen, maar hologrammen ontbreken helaas.

Inmiddels is 5G er en vooralsnog zijn er weinig toepassingen voor consumenten. Videovergaderen via 5G kan prima, maar holografisch is dat vooralsnog niet en gezien de problemen die er zijn geweest met haperende verbindingen tijdens deze pandemie, zijn we nog lang niet zover. Voor holografische communicatie is bovendien hardware nodig die dat mogelijk maakt. Google toonde een paar maanden geleden wel StarLine en dat ligt in die lijn, maar is een prototype, vereist een grote opstelling aan hardware en is dus nog lang geen mainstreamproduct. Niet verwonderlijk dus dat holografische communicatie weer op de wensenlijst staat voor 6G.

Samsung: diensten voor 6G — Samsungs visie voor diensten over 6G

Samsung is een van de bedrijven die naast hologrammen nog andere diensten noemen. Het plaatje is natuurlijk niet compleet zonder VR en AR te namedroppen en dat gebeurt dan ook. Samsung noemt het Truly Immersive XR, een naam die een mix van virtual en augmented reality moet aangeven. Dit gaat er alleen over dat 6G de latency en snelheid moet bieden voor zulke apparaten, maar aansprekende apparaten die dit mogelijk maken, zijn er nog niet. Om het 'immersive' te maken zijn immers 16k-beelden nodig en die streamen kost 0,9Gbit/s. Over 5G is dat haalbaar, maar vaak niet realistisch.

Samsung heeft direct de rekenmachine erbij gepakt om te kijken hoe haalbaar hologrammen zijn. Zo'n jedi in een stoel loopt al snel op tot verscheidene Tbit/s, een snelheid die zelfs met 6G een uitdaging zal zijn. Een kleiner hologram kost natuurlijk minder data en is daardoor haalbaarder.

Samsung: 6G-hologrammen

Ook spreekt Samsung over digitale replica's. Dat moet een dienst worden waarbij sensors een object waarnemen en vervolgens een digitale replica in real time op een al dan niet holografisch scherm kunnen toveren. Dat zou handig zijn voor artsen, maar ook voor reparaties aan apparaten bijvoorbeeld. Dat kost al snel 0,8Tbit/s en is dus ook niet makkelijk te realiseren.

De digitale replica is mede mogelijk door een bijeffect van het gebruiken van hogere frequenties. Dat vereist opstelpunten met veel antennes. Uit de whitepaper van 5G IA: "Deze technieken zullen niet alleen gebruikt worden voor communicatie, maar ook voor het waarnemen van de omgeving en lokalisatie op de centimeter nauwkeurig. Lokalisatie en waarneming zullen samen bestaan met communicatie en zullen de tijd, frequenties en ruimte delen."

Daardoor kunnen 6G-netwerken meer van de context van een omgeving waarnemen. Het is bijvoorbeeld belangrijk om waar te nemen waar mensen zijn, want de hoge frequenties kunnen niet door het menselijk lichaam heen en verstoren dus het signaal.

Ook gaat het bij 6G over robotica die via 6G verbinding heeft met haar eigenaren. Het is nog onbekend in welke vorm dat precies gaat gebeuren en hoe dat er precies uit komt te zien.

Tot slot

Al die whitepapers zijn leuk, maar het gaat uiteindelijk om de standaarden. Daarbij zijn twee groepen belangrijk: de ITU-R, de internationale telecommunicatie-unie en de 3GPP, de samenwerking van bedrijven die ooit is opgericht voor de standaardisatie van 3G. De ITU-R bepaalt de grenzen en kiest de technieken, de 3GPP komt met releases die ondersteuning bieden voor die technieken, en die hardwaremakers en providers kunnen gebruiken om ze te implementeren in producten en netwerken.

Roadmap 6G

De roadmap werkt toe naar een release van eerste producten in 2030. Dat klinkt nog ver weg en is inderdaad het volgende decennium, maar aan de andere kant is het ook weer niet zó ver weg. 3G kwam immers in Nederland in 2004, 4G in 2013 en 5G in 2020. Daarna zal het nog een paar jaar duren voordat 6G het stokje van meestgebruikte techniek overneemt van 5G in apparaten voor consumenten, dus de kans bestaat dat het nog meer dan tien jaar duurt voordat je iets van deze ontwikkelingen merkt.

ITU-R ruimt tot 2023 in om een visie te ontwikkelen over wat 6G moet bieden, waarna het tot 2027 tijd heeft om de vereisten voor 6G op te stellen. De 3GPP stelt vervolgens de specificaties vast, waarna er producten moeten zijn vanaf 2030.

Daarbij zijn er nog veel hobbels te nemen. Veel van de ambities vereisen technologische doorbraken die er nog niet zijn en waarvan onbekend is of ze er komen. Bovendien is onbekend welke ambities in de standaard terechtkomen en welke niet. Over 6G is er, kortom, nog geen concrete informatie. Het is afwachten wanneer het komt, wat het gaat bieden en wat wij er uiteindelijk van gaan merken.