Draadloze technieken

Digitale communicatie-infrastructuur is de basis van de huidige digitalisering van de samenleving. De constante groeiende vraag naar bandbreedte drijft allerlei technologische vernieuwingen. Of het nu gaat om vaste verbindingen met glas, coax en koper of draadloos met Wifi, bluetooth of 4G, de technieken verbeteren continu.
12 september 2018

Draadloze communicatie maakt gebruik van radiogolven (radiofrequente straling) voor het versturen en ontvangen van informatie. Draadloze verbindingen zijn relatief eenvoudig te implementeren, twee antennes met zendinstallaties en informatie uitwisselen is mogelijk. Met draadloos zijn plekken te bereiken waar het leggen van een vaste verbinding niet mogelijk of onrendabel is. Omdat draadloze verbindingen gebruik maken van een frequentiespectrum dat beperkt is zijn er verschillende afspraken over de verdeling van het bestaand spectrum.

Spectrum

Het beschikbare frequentiespectrum is door de Nederlandse staat wettelijk ingedeeld, bepaalde delen zijn gereserveerd voor navigatiedoeleinden, AM of FM radio, mobiele telefonie, wifi etc. Wereldwijd zijn hierover standaarden afgesproken. Toestemming voor het gebruik van aangewezen frequenties door telecom operators wordt (in Nederland) geregeld via veilingen georganiseerd door het ministerie van Economische Zaken en Klimaat. De komende jaren zullen verschillende frequenties vrijkomen en (opnieuw) ter veiling worden aangeboden. De verwachting is dat begin 2020 verschillende frequenties worden geveild. Hogere delen van het frequentiespectrum kunnen in potentie meer bandbreedte leveren. Nadeel van de hogere frequenties is dat, hoe hoger de frequentie die gebruikt word hoe kleiner de afstand die draadloos overbrugt kan worden. UMTS gebruikte al een frequentieband in de 2Ghz range. Voor de komende generatie mobiele telecommunicatie (5G) zal een combinatie van verschillende delen van het spectrum gebruikt worden om aan de eisen, die in de toekomst aan het net worden gesteld, te kunnen voldoen. De 3.5Ghz wordt internationaal gezien als belangrijke frequentie voor de uitrol van 5G, dit is een bijzondere frequentie in die zin dat deze nu nog in gebruik is onder gunning die pas in 2022 en 2026 afloopt. Daarnaast is in delen van het land de frequentie in gebruik door de inlichtingendiensten.

1, 2, 3, 4g

De technieken voor mobiele communicatie worden geclassificeerd in generaties. De verschillende generaties volgen elkaar in snel tempo op. In de negentiger jaren was er de tweede generatie mobiele telefonie, dit was de eerste digitale implementatie, deze staat bekend onder de naam GSM. De voorgaande generaties waren nog analoog en werden gebruikt voor spraak, niet voor het transport van data. Momenteel wordt er vooral gebruik gemaakt van 3G (ook bekent als UMTS of HSDPA) of 4G (ook bekent als LTE). Deze latere generaties kenmerken zich door sterke toename van de dataoverdracht capaciteit. Dit maakt aanvullende functionaliteit mogelijks zoals voice-over Ip telefonie, online gamen, en video streamen. Waar de dataoverdracht van UMTS 2Mbps bedroeg is de max snelheid van LTE al ruim 300 Mbps. De overgang van generatie naar generatie is evolutionair, dat wil zeggen dat de technologie zich continu doorontwikkeld. Na de 3e Generatie is niet ineens de 4e uitgerold, het betreft telkens een geleidelijke upgrade van het netwerk.

5G

De vijfde generatie is op verschillende plekken in ontwikkeling. Internationaal zijn wel al eisen gesteld waaraan een netwerk moet voldoen om zich als 5G te mogen profileren maar de techniek is nog niet klaar. Er zijn enkele frequentiebanden benoemd waarvan word aangenomen dat deze nodig zijn om aan de eisen die aan het netwerk worden gesteld te kunnen voldoen. Over het algemeen zijn er drie trends die bepalend zijn voor de eisen aan het netwerk:

· groeiende capaciteit (meer bandbreedte)

· hogere reactiesnelheid (lagere latency)

· groeiende hoeveelheid verbonden apparaten

De weg naar 5G is net als de weg tussen 3G en 4G een evolutieproces. Doorontwikkelde 4G varianten zullen waarschijnlijk stapsgewijs en op specifieke locaties steeds meer gaan voldoen aan deze eisen. 5G zal zoals eerder gesteld opnieuw hoger frequentiebereik benutten om hogere dataoverdracht te realiseren. Voordat dit gebeurt echter zullen andere technieken gebruikt worden om de capaciteit te vergroten en het netwerk te verbeteren. Geavanceerde antennes bijvoorbeeld die veel gerichter stralen naar waar capaciteit nodig is (beamforming). Om in de toekomst echter aan alle eisen te kunnen voldoen zal een sterke verdichting van het netwerk nodig zijn. Er zullen veel meer draadloze netwerkpunten bijkomen.

Wifi

Met de term Wifi wordt in de volksmond een lokale draadloze verbinding bedoeld. Het is een label voor het gebruik van IEEE 802.11 standaard. Dit is de techniek voor draadloos LAN (wireless local area network), een lokaal draadloze netwerk. Een WLAN voorkomt dat je tussen allerlei computers, TVs en routers kabels hoeft te trekken. Deze 802.11 standaard maakt gebruik van een licentievrij deel van het frequentiespectrum (2,4GHz en/of 5GHz). In de loop van de jaren is de kwaliteit van de techniek (snelheid en bereik) in verschillende versies verbeterd. Omdat het een licentievrij spectrum betreft is het de standaard voor draadloze thuis en bedrijfsnetwerken geworden. Nadeel hiervan is dat er in stedelijke omgevingen veel kleine netwerken zijn die elkaar soms flink kunnen storen. De nieuwere Wifi technieken maken gebruik de hogere 5Ghz frequenties, hierover kan meer data verstuurd worden maar het bereik is lager. Wifi versie 802.11ac haalt momenteel in de praktijk snelheden rond de 2-300 Mbps.

Bluetooth

Bluetooth is ook een draadloze techniek om apparaten met elkaar te verbinden. Het is vooral bedoeld om draagbare apparaten, apparaten die op het lichaam worden gedragen met elkaar te verbinden. Dus zoals Wifi de kabels vervangt van het lokale netwerk (LAN) kan Bluetooth de kabels vervangen tussen bijvoorbeeld de headset en de telefoon. Het draadloze bereik is enkele meters, afhankelijk van de obstakels waar het signaal doorheen moet. De snelheid is met enkele Mbps voldoende voor digitale gesprekken. Het mooie van Bluetooth is het bijzonder lage voltage dat gebruikt wordt. Dit maakt het mogelijk om hele kleine apparaatjes te maken die lang op een batterij maar weinig opgeladen hoeven te worden.


Vast


Vaste digitale verbindingen naar huizen en bedrijven worden gelegd op drie soorten kabels, koper, coax en glasvezel. Op alle drie de kabels worden de technieken constant verbeterd. Om data te versturen over koper en coax maakt men gebruik van elektriciteit, voor de transport van data over glasvezel gebruikt men licht.

Koper

De koperkabel is oorspronkelijk, in de loop van de 20ste eeuw, aangelegd en gebruikt voor analoge verbale telecommunicatie. In de loop van de jaren zijn verschillende technieken gebruikt om data op een efficiënte manier over de koperlijn te versturen, eerst analoog en later digitaal. Momenteel worden vooral ADSL en VDSL(2) veel gebruikt in Nederland. Bij DSL technieken zijn de bandbreedtes afhankelijk van de kwaliteit van het signaal op de koperlijn, deze is mede afhankelijk van de afstand tot een wijkcentrale. De techniek is wat men noemt asynchroon, dat betekent dat de uploadsnelheid lager dan de downloadsnelheid ligt. Adsl heeft een maximale snelheid van 20 Mbps down en 1 Mb up. Bij VDSL ligt dit momenteel rond de 50 Mb down en 5 Mb up. Er zijn experimenten met VDSL Bonded supervectoring waarbij twee koperlijnen per abonnee worden gebruikt, dit kan potentieel snelheden tot max 400 Mbps opleveren.

Coax

De coaxkabel is grootschalig uitgelegd voor de uitrol van kabeltelevisie in de jaren 70 en 80. In de jaren 90 werd de coaxkabel aansluiting bij consumenten ook geschikt gemaakt voor internetverkeer. In de loop van de jaren hebben verschillende DOCSIS technieken (versies) echt breedband mogelijk gemaakt. Ook de DOCSIS technieken zijn momenteel asynchroon, de upload snelheden zijn lager dan de download snelheden. Momenteel is DOCSIS 3.0 de standaard, dit levert potentieel snelheden tot 400 Mbps down en 100Mbps up. Er zijn momenteel experimenten met DOCSIS 3.1, deze kan theoretisch een synchrone verbinding van max 10 Gbps verzorgen.

Glasvezel

Glasvezel is anders dan koper en coax, doordat er licht in plaats van elektriciteit wordt gebruikt voor de transport van informatie. Dit geeft glasvezel een aantal zeer positieve eigenschappen:

· grote hoeveelheid data die over een glasvezel kan,
· grote afstanden die over glasvezel kunnen worden afgelegd
· hoge reactiesnelheid (lage latency)
· zeer ongevoelig voor interferentie, door radiogolven en elektromagnetische straling van buitenaf.

Deze eigenschappen maken ook dat glasvezel gebruikt wordt als backbone van grote delen van de vaste en draadloze netwerken. De uitrol van glasvezel naar de consument (Fiber to the Home) vindt momenteel vooral plaats in de zogenaamde buitengebieden. Binnen de stedelijke gebieden leveren VDSL en kabel dusdanige snelheden dat er voor leveranciers geen motivatie is om de investering van glasvezel te rechtvaardigen. Buiten de bebouwde agglomeraties is de concurrentie van aansluitingen over koper of coax vaak minder. Hier zijn allerlei burger-, provincie-, lokale initiatieven ontstaan die vaak zonder de grote telecom leveranciers zelfstandig FTTH aanleggen. Kijk hiervoor ook elders op deze website. Bij de aanleg en beheer van een glasvezelnet wordt onderscheid gemaakt tussen drie lagen, laag 1 de eigenlijke glasvezel in de grond, laag 2 de belichting van de glasvezel en laag 3 de content die over het net wordt geleverd. Er worden inmiddels commercieel snelheden aangeboden van 10 Gbps, in testopstellingen zijn veel hogere snelheden bereikt (Tbps en zelf Pbps).


Hybride


Hybride vormen van telecommunicatie zijn die varianten die gebaseerd zijn op zowel vast als draadloos. Eigenlijk kan je zeggen dat het hele mobiele netwerk een hybride netwerk is. Naar elke antenne loopt tenslotte een vaste verbinding, een glasvezel. Om consumenten en bedrijven te bereiken in minder makkelijk bereikbare gebieden zijn verschillende hybride vormen ontwikkeld. Er zijn grofweg twee vormen. In de eerste vorm word de laatste afstand naar de cliënt draadloos afgelegd. Vanaf een antennepunt op een hooggelegen plek worden de consumenten modems aangestraald waardoor men toch een soort vaste aansluiting heeft. In de tweede variant vullen vaste en draadloze verbinding elkaar letterlijk aan. De consument krijgt internet over de koperdraad, maar dit wordt slim aangevuld met draadloos verkeer.