Nieuwe technologieën volgen vaak de klassieke hype-cyclus van Gartner, die zich ontwikkelt van aanvankelijke innovatie via overenthousiasme en desillusie tot verlichting en uiteindelijke productiviteit. 5G is geen uitzondering. Terwijl de gedurfde krantenkoppen en de hype rond 5G plaats maken voor de praktische realiteit, zijn zowel voorstanders als critici het erover eens dat een aantal technische problemen moeten worden opgelost voordat 5G zijn volledige potentieel bereikt. 5G-netwerken op basis van millimetergolffrequenties (mmWave) in het bereik van 24 GHz tot 40 GHz zijn het meest veelbelovend voor draadloze connectiviteit met hoge bandbreedte en lage latentie. Echter, mmWave technologie brengt ook aanzienlijke uitdagingen en obstakels op het gebied van RF-propagatie met zich mee voor het op grote schaal inzetten van supersnelle 5G-netwerken die ontwerpers moeten aanpakken om het potentieel van 5G overal te ontsluiten.
5G-transformatie: draadloze netwerken met glasvezelsnelheden
Er is geen einde aan de mobiele evolutie: sms-berichten met 2G-functionaliteit, 3G zorgde voor mobiele internetconnectiviteit en 4G introduceerde mobiele streaming-video. 5G New Radio, de vijfde generatie mobiele technologie, staat op het punt om de huidige 4G LTE op te volgen, met maximale datasnelheden die 100x sneller zijn dan 4G, samen met een aanzienlijk hogere bandbreedte, lagere latentie, grotere beschikbaarheid en consistentere dekking.
5G zal een katalysator zijn voor innovatie in hoe we leven, werken en verbinden, industrieën transformeren en ons leven verbeteren op manieren die we ons nog niet kunnen voorstellen. Net zoals de verspreiding van snelle glasvezelcommunicatie een revolutie teweegbracht in het internet, zullen 5G-netwerken overal mobiele connectiviteit een boost geven. Glasvezelachtige 5G-snelheden met 10× spectrumbeschikbaarheid zullen de grenzen tussen bekabelde en draadloze toegang in onze huizen, kantoren, fabrieken en stadsgezichten doen vervagen.
Toepassingen die profiteren van de ongeëvenaarde prestaties van 5G zijn onder meer volledig autonome voertuigen, voertuig-naar-voertuigcommunicatie, slimme gebouwen en slimme steden, telegeneeskunde, medische robotica, virtuele en augmented reality, mobiele cloudgebaseerde diensten. Een exponentiële toename van verbonden apparaten voor het internet der dingen en industriële IoT-slimme fabrieken, magazijnen en sportarena's zullen een van de eersten zijn die profiteren van particuliere 5G-netwerken.
mmWave: de 5G-technologie die we allemaal willen
Net zoals er meerdere smaken zijn van Wi-Fi en draadloze Bluetooth-technologieën met verschillende functies en prestatieniveaus, rollen mobiele providers verschillende soorten 5G uit met aanzienlijke verschillen in snelheden en latentie op basis van het gebruikte spectrum.
Er zijn twee primaire typen 5G-netwerken:
- Supersnelle mmWave 5G-netwerken zijn gebaseerd op ultrahoge frequentiebanden van 24 GHz tot 40 GHz en zelfs hoger, en leveren de razendsnelle prestaties, brede bandbreedte en "wow-factor" die de meeste mensen van 5G verwachten. Dit is het 5G-frequentiebereik dat volledige films in seconden in plaats van minuten mogelijk maakt.
- Sub-6-GHz 5G-netwerken - wat de meeste mensen momenteel ervaren in hun 5G-service - ondersteunen midden- en laagfrequente banden onder 6 GHz. Laagfrequente banden zijn minder dan 1 GHz en middenbanden variëren van 3.4 GHz tot 6 GHz.
Het begrijpen van de verschillen tussen elk type 5G-technologie is cruciaal om implementatie-uitdagingen aan te pakken en te voldoen aan de verwachtingen van eindgebruikers voor bandbreedte en latentie. Het type 5G dat de meeste gebruikers tegenwoordig op hun smartphones ontvangen, is niet de ultrasnelle, multi-gigabit 5G die ze meteen verwachten.
4G LTE-netwerken zijn aanzienlijk langzamer dan mmWave 5G-netwerken, met 4G-downloadsnelheden variërend van ongeveer 35 Mbits/s tot meer dan 50 Mbits/s. mmWave kan snelheden tot 5 Gbit/s leveren, aanzienlijk sneller dan wat mogelijk is met 4G LTE. Sub-6-GHz 5G-netwerksnelheden vallen ergens tussen mmWave- en LTE-snelheden. Terwijl sub-6-GHz-netwerken 4G LTE overtreffen in termen van doorvoer, latentie en bandbreedte, schieten ze tekort bij mmWave-prestaties.
De meeste consumenten en zakelijke gebruikers zullen de premie niet betalen om over te stappen van 4G naar 5G, tenzij ze dramatische verbeteringen zien in datasnelheden, latentie en bandbreedte. mmWave is de enige vorm van 5G-technologie die een merkbaar superieure gebruikerservaring biedt. Het is de 5G die we allemaal willen.
mmWave 5G-uitrol: uitdagingen en kansen
Het enorme potentieel van mmWave-technologie brengt grote uitdagingen met zich mee. Real-world mmWave-netwerksnelheden variëren sterk, afhankelijk van het bereik, signaalblokkers en de nabijheid van de dichtstbijzijnde 5G-toren of kleine cel. Hoewel mmWave 5G-netwerken ultrasnel zijn, hebben ze ook een zeer kort bereik. Om mmWave-signalen te ontvangen, moeten gebruikers zich binnen een of twee blokken van een 5G-toren bevinden zonder obstakels in de zichtlijn (LOS). Hoogfrequente mmWave-signalen worden gemakkelijk geblokkeerd door gebouwen, muren, ramen en gebladerte, waardoor het beschikbare 5G-bereik verder wordt verminderd (Figuur 1). Om de dekking te optimaliseren, worden vervoerders geconfronteerd met het installeren van talloze kleine cellen in hoge dichtheden, waardoor de kosten van het op grote schaal inzetten van mmWave-netwerken stijgen.
Afbeelding 1: Uitdagingen van serviceproviders voor snelle 5G mmWave-implementaties zijn onder meer een beperkt signaalbereik, zichtlijnvereisten, slechte penetratie van gebouwen en dekking en connectiviteit. (Bron: Movandi) Klik voor een grotere afbeelding.
Vanwege de dekking en LOS-beperkingen is mmWave-technologie beter geschikt voor dichte stedelijke omgevingen. Vanwege de beperking van het bereik is mmWave geen praktische keuze voor voorstedelijke en landelijke gebieden, die het best worden bediend door gemakkelijker te implementeren, meer betaalbare 4G LTE en sub-6-GHz 5G-netwerken. Wijdverbreide inzet van mmWave 5G-netwerken vereist uitgebreide ondergrondse installatie van glasvezelkabel. Totdat dit gebeurt, zullen carriers blijven vertrouwen op de bestaande netwerkinfrastructuur terwijl de markt overgaat naar 5G. Bovendien ondersteunen de huidige smartphones niet alle soorten 5G. Verwacht wordt echter dat Apple en Samsung in de nabije toekomst nieuwe 5G-smartphoneproducten zullen lanceren.
Hoewel bereik, signaalvoortplanting en LOS-beperkingen mmWave's "achilleshiel" zijn, kunnen geavanceerde technologieën zoals massale meervoudige invoer, meerdere uitvoer, geminiaturiseerde antenne-arrays, aanpasbare bundelvorming en slimme actieve repeaters deze uitdagingen effectief aanpakken.
Slimme actieve repeaters lossen uitdagingen op het gebied van 5G-signaalvoortplanting op door mmWave-signalen te versterken en het bereik en de dekking van op mmWave gebaseerde netwerken in buitenomgevingen en in gebouwen uit te breiden. Actieve repeaters werken door mmWave-signalen te versterken, waardoor ze muren en andere blokkers kunnen binnendringen en rond gebouwen kunnen buigen om LOS-problemen te overwinnen zonder de noodzaak van omvangrijke antenne-ontwerpen of dure glasvezel-backhaul (Figuur 2).
Wanneer ingezet in een gebouw, versterkt een slimme repeater een zwak straalsignaal en kan een hele kamer verlichten, waardoor de connectiviteit van eindgebruikers en applicaties wordt verbeterd. Door wijdverbreid gebruik van actieve repeaters in 5G-netwerken kunnen serviceproviders verbeterde 5G mmWave-diensten voor binnen, buiten en mobiel lanceren tegen 50% lagere kosten.
Afbeelding 2: Oplossingen zoals Movandi's BeamX-gebaseerde actieve repeaters kunnen de dekking van mmWave-basisstations met 90% vergroten voor minder dan 40% van de investeringskosten. (Bron: Movandi) Klik voor een grotere afbeelding.
Alle grote providers in de VS testen mmWave-netwerken en bieden beschikbaarheid in geselecteerde grote steden en buurten. Sub-6-GHz 5G is momenteel breder beschikbaar dan mmWave, waarbij grote providers 5G-netwerken met een lagere frequentie uitrollen voor veel klanten in stedelijke gebieden.
Tier 1-operators migreren naar mmWave-technologie om te voldoen aan de netwerkcapaciteitsvereisten, aangezien de vraag van klanten naar verwachting de sub-6-GHz-capaciteit in 2023 zal overschrijden, waarbij meerdere operators al mmWave-gebaseerde 5G-netwerken inzetten. Terwijl critici van mmWave beweren dat sub-6-GHz-netwerken een betere dekking bieden dan mmWave en minder radioknooppunten van de volgende generatie (gNB's) nodig hebben, zal een beperkt sub-6-GHz-spectrum uiteindelijk de inzet van meer gNB's vereisen. Bovendien zal mmWave met hoge bandbreedte de groeiende netwerkcongestie helpen verlichten in drukke stedelijke gebieden, zoals sportarena's, concertzalen en luchthavens.
Terwijl de overgang naar 5G-netwerken aan de gang is, is er nog een lange weg voorwaarts totdat 5G 4G LTE vervangt en de belofte van ultrasnelle mmWave-snelheden en lage latentie realiseert. mmWave-technologie is de sleutel tot het ontsluiten van het potentieel van 5G. Om de ambitieuze doelen van 5G van lage latentie, hoge bandbreedte, hogere snelheden en brede dekking te bereiken, werken grote providers en mmWave-oplossingsproviders samen om deze fundamentele uitdagingen te overwinnen.