De bandbreedteparadox

De Wet van Nielsen stelt dat de snelheid van internetconnectiviteit met vijftig procent per jaar stijgt. Deze uit 1998 stammende wet liet duidelijk de logaritmische constante groei van een 330 bps modem lijn uit 1984 naar de toen nieuwe ISDN-lijnen zien. Het mooie is dat die groeilijn nog steeds, bijna twintig jaar, onveranderd is. Zoals Jacob Nielsen in dit artikel beschrijft.

We kennen ook de Wet van Moore die stelt dat computercapaciteit elke 18 maanden verdubbelt, hetgeen overeenkomt met een groei van zestig procent per jaar. Deze twee wetten maken duidelijk dat de groei van bandbreedte uiteindelijk achter zal blijven bij de groei van processing power. Over tien jaar bekeken levert de Wet van Moore een groei van een factor 100 op, maar de bandbreedte groeit ‘slechts’ een factor 57.

Nog tragere praktijk

Naast deze fundamenteel kleinere groei, zijn er nog andere redenen waarom de gemiddelde internetbandbreedte een tragere groei heeft. Allereerst zijn telecombedrijven conservatief als het gaat om het vernieuwen van kabels en apparatuur, omdat het een zeer kostbare aangelegenheid is. De gemiddelde netwerkinfrastructuur is vijf tot tien jaar ouder, omdat computersystemen veel sneller worden vervangen.
Een volgend aspect is dat gebruikers zuinig zijn wat betreft het aankopen van grootte bandbreedtes voor hun internetaansluiting. Immers als je de dubbele bandbreedte zou krijgen, werkt je computer niet tweemaal sneller. De downloadsnelheid is immers afhankelijk van het aantal gebruikers op jouw verbindingslijnen naar de provider toe. Bandbreedteverhoging gaat daarnaast heel geleidelijk omdat de provider in stappen zijn servers en systemen vernieuwt.

Grens aan de groei?

De voortdurende druk op grotere beschikbare bandbreedtes heeft geleid tot de verschuiving van het gebruiken van radiofrequenties via koper en coax naar glasvezel en fiber optics. Vandaag de dag is de wereldwijde backbone van het internet gebaseerd op glasvezel die de jaarlijkse onverzadigbare groei in vraag met moeite kan bijhouden. Naast de vaste lijn groeien ook draadloze verbindingen continue in capaciteit. Van de theoretische 0.1 Mbps aan het begin van deze eeuw is intussen 50 Mbps met LTE prima haalbaar.

Maar zou die in tien jaar kunnen uitgroeien tot 57 maal de huidige bandbreedte zoals de Wet van Nielsen stelt? Dit artikel over de bandbreedte-bottleneck stelt dat de limiet voor draadloze radiofrequenties over tien jaar tegen fysieke grenzen lijkt aan te lopen. De sprongen die we maakten van radiofrequenties, naar TV-frequenties naar cellulaire golflengtes werden gedreven door steeds nieuwe, technische toepassingen die ook vanuit politiek en overheid werden ondersteund. Maar het hele bestaande frequentiespectrum is intussen toegewezen aan c.q. gelicenseerd voor specifieke toepassingen.

De laatste kilometer

Natuurlijk zijn er nog mogelijkheden om glasvezel tot de voordeur van de gebruikers te brengen. Hoewel dit wel eenmalige hoge kosten met zich meebrengt, zien we toch dat hiermee de ‘gemiddelde’ internet-bandbreedte voor eindgebruikers nog steeds groeit. In ons dichtbevolkte land zijn die investeringen nog te overzien, maar wereldwijd zal het een onmogelijkheid blijken iedereen van een glasvezelverbinding te voorzien.
De stap naar 5G voor draadloze verbindingen zal ons een snelheid van 100 Mbps brengen, maar brengt risico’s met zich mee wat betreft de schaars beschikbare spectrumlicenties terwijl de ongelicenseerde steeds drukker bevolkt zijn. Eigenlijk wachten we weer op een revolutie in bandbreedte verhoging zoals we dat de afgelopen decennia ook steeds hebben gehad. Want we zijn nog lang niet verzadigd in onze dorst naar snellere en bredere internetverbindingen.

Antenne-innovaties

Een zender voor mobiele telefonie straalt gelijkmatig zijn signaal in een bundel naar de in de bundel ‘toevallig’ aanwezige gebruikers. Een idee is om wanneer een gebruiker een verbinding start, een antenne met een veel smallere bundel op die gebruiker te richten. Hierdoor kan de bandbreedte voor die gebruiker op dát moment een factor hoger worden. De beschikbare zendenergie bij de antenne is immers op die manier slechts voor een klein segment van de bundel nodig.

Het concept heet ook wel multi-user MIMO, waarbij MIMO staat voor Multi Input, Multi-Output, een techniek om met behulp van meer ontvangst- en zendantennes, data draadloos over te dragen. Een variant erop heet Massive MIMO en daarmee kan de bandbreedte in het straalgebied van de antenne enorm worden verbeterd. Het wordt pas recent toegepast door de complexiteit van de onderliggende berekeningen en het extra zend- en ontvangsttrappen vraagt.

Interessante tussenstap naar 5G

Afgelopen week verscheen het persbericht dat T-Mobile op het Leidseplein in Amsterdam zijn eerste mast voor Massive MIMO in zijn 4G-netwerk heeft ingeschakeld. De mast werkt met maar liefst 64 zend- en ontvangstantennes in een blok van 20 MHz binnen de 2,6 GHz-band. Volgens T-Mobile kan de mast een maximale download-snelheid van 600 Mbps bieden, daar waar een ‘normale mast slechts 100 Mbps zou leveren.

Deze massive mimo-techniek is noodzakelijk om het vijfde generatie draadloze netwerk te bouwen. Door echter deze techniek nu al voor de 4G-wereld in te zetten, is er snel een eerste stap te zetten naar hogere bandbreedtes. De techniek werkt op frequenties die T-Mobile nog niet eerder heeft gebruikt en wordt ingezet in drukke gebieden.

Het slimme is dat een smal frequentiegebied kan worden gebruikt omdat het uploaden en downloaden in dezelfde bundel plaatsvindt. Normaal wordt een bundel voor het uploaden en een andere voor het downloaden van data gebruikt. De techniek is minder geschikt voor snel bewegende telefoons zoals in auto’s of treinen, maar voor stilstaande of langzaam bewegende telefoons (fietsers of wandelaars) in de stad werkt het prima. Nieuwe smartphones ondersteunen deze nieuwe feature en ook KPN en Tele2 werken aan deze slimme snelheidsverhoging.

Uitrollen 5G netwerken

De komende jaren wordt in de wereld begonnen met het uitrollen van de 5G mobiele netwerken. Zuid Korea is intussen druk aan het experimenteren, omdat men bij de Olympische Spelen in 2018 al een deel in gebruik wil kunnen nemen. In Europa verwacht men pas in 2022 met de uitrol te kunnen starten. Elke telecomprovider wil immers op dit moment zoveel mogelijk terugverdienen van de huidige 4G-netwerken. Wie van de duizendmaal snellere 5G-verbinding droomt, moet dus nog even geduld hebben. Maar kan al wel profiteren van de kleine technische verbeteringen zoals T-Mobile die afgelopen weken heeft gerealiseerd.

Door: Hans Timmerman (foto), CTO Dell EMC Nederland