Capaciteit van LTE-netwerken is eindig

LTE-netwerken hebben een hoge capaciteit en kunnen veel mobiel dataverkeer verwerken. Uit de testen van P3 blijkt dat de dekking en snelheid van de Nederlandse 4G-netwerken prima in orde zijn. De scores zijn in vergelijking met andere Europese landen erg goed. Toch zal over enkele jaren het dataverkeer de grens van de netwerkcapaciteit bereiken. Dit zal gebeuren voordat 5G een oplossing kan bieden.

Dataverkeer is de afgelopen jaren sterk gegroeid door de komst van 4G. Bij KPN heeft dit voor een groei gezorgd van gemiddeld 500MB aan data per gebruiker per maand eind 2014 naar 1,3GB per gebruiker per maand eind 2015. Ook Vodafone en T-Mobile geven aan met een enorme groei te maken.
Eind 2013 (net voor de komst van 4G) was het 3G-netwerk op veel plekken overbelast. 4G heeft veel meer capaciteit, waardoor er meer ruimte is voor al het dataverkeer. Maar 4G heeft geen onbeperkte capaciteit en operators hebben geen onbeperkte frequentieruimte.

Groei

Op basis van gegevens van operators wordt duidelijk dat het mobiel dataverkeer met de komst van 4G sterk is gegroeid. Naar verwachting zal deze groei voorlopig blijven. De grafiek geeft een eenvoudige voorspelling op basis van 50-60 procent groei per jaar. Door de komst van grotere databundels (Tele2: 24GB, Vodafone: 25GB per maand) en steeds meer videogebruik lijkt het erg waarschijnlijk dat de groei van het mobiel dataverkeer de komende jaren door zal gaan. Een paar jaar geleden had ik ruim voldoende aan 500MB, vorig jaar kwam ik niet boven de 1GB, maar dit jaar kom ik gemiddeld op 2GB per maand uit.

Deze groei van het verkeer levert voor de mobiele operators een behoorlijke uitdaging op. De huidige architectuur van de 4G-netwerken kan ongeveer 5GB data per maand per gebruiker leveren. Op plekken met veel gebruikers zal het netwerk naar verwachting eind 2018 / begin 2019 tegen deze capaciteitsgrens aanlopen.

Snelheid

De maximale snelheid die operators op dit moment bieden op 4G is 225Mbit/s. Met behulp van een derde frequentieband en een hogere modulatietechniek (256QAM) verwacht KPN eind 2016 op bepaalde plekken zelfs 400Mbit/s te kunnen bieden. De maximale snelheid is alleen beschikbaar voor gebruikers die op korte afstand van de zendmast zijn en alleen beschikbaar als er weinig andere gebruikers zijn. In de praktijk zijn telefoons verdeeld over het bereik van een zendmast. De meeste zendmasten hebben drie antennes, waarbij elke antenne ongeveer 120 graden (1/3 van een cirkel) aanstuurt. De snelheid daalt naarmate de afstand tot de zendmast toeneemt. Het maximaal bereik in het buitengebied is normaal ongeveer 4-5 km. Een verdeling van de snelheid gerelateerd aan de afstand wordt in de figuur weergegeven:

De maximale snelheid van 225Mbit/s is daarom ook maar voor een beperkt aantal telefoons beschikbaar. Uit de test van P3 blijkt dat de tijdens het downloaden van een groot bestand (10 seconden meting) de snelste 10 procent van de metingen boven de 100Mbit/s uitkomen, terwijl de gemiddelden ongeveer 30-60Mbit/s zijn. Dit is voldoende snel voor heel veel applicaties, zelfs HD Video van Youtube of Netflix heeft meestal genoeg aan 5Mbit/s.

Het probleem zit uiteindelijk niet in de maximale snelheid, maar in het aantal gebruikers dat tegelijkertijd Netflix wil kijken. Af en toe een app sturen of buienradar raadplegen vraagt veel minder capaciteit dan een complete aflevering kijken op Netflix. Het is vooral de groei van video die de huidige netwerkuitbreidingen noodzakelijk maakt. Het verhogen van de snelheid voor gebruikers op korte afstand is maar beperkt zinvol, het beste is om de snelheid voor alle gebruikers te verhogen.

Capaciteit verhogen
Er zijn verschillende mogelijkheden voor operators om de capaciteit van netwerk te verhogen. De meest voor de hand liggende zijn:

1. Extra frequenties toevoegen
2. Hergebruik van bestaande 2G/3G-frequenties
3. Hogere modulatie (256QAM i.p.v. 54QAM)
4. Extra antennes toevoegen (4×4 MIMO)
5. Extra sites bouwen, zoals small cells
6. LTE-LAA, extra capaciteit in 5GHz-spectrum
7. Wifi offloading

De oplossingen worden vervolgens kort besproken.

1. Extra frequenties toevoegen
Extra frequenties toevoegen aan een zendmast is een mogelijkheid, maar dit kan niet onbeperkt. Op dit moment zijn operators begonnen om de 2600MHz meer toe te passen. Hiervoor moeten wel hardwarematige aanpassingen worden gedaan en vaak een andere antenne worden toegepast. Het nadeel van de 2600MHz-band is het beperkte bereik (zie figuur Frequentiespectrum), waarbij de 800MHz ongeveer drie keer groter bereik heeft dan de 2600MHz-band.

2. Hergebruik van bestaande frequenties
De mobiele operators hebben de afgelopen jaren vooral de 1800MHz-frequentie al opnieuw ingezet voor LTE. Maar operators hebben op dit moment ook nog gsm (2G) en umts (3G) diensten, die beide nog moeten blijven draaien. Wel wordt de capaciteit van de 2G- en 3G-netwerken behoorlijk beperkt ten gunste van LTE. Operators zoals KPN, Vodafone en T-Mobile hebben elk 70MHz voor hun mobiele netwerken. Daarvan gebruiken ze nog 5-10MHz voor gsm en 15-20MHz voor umts. Voor LTE is daarom nog ongeveer 40-50MHz beschikbaar, verdeeld over vier of vijf frequentiebanden. KPN heeft aangekondigd om de 2100MHz-band nu ook te gaan hergebruiken voor 4G.

3. Hogere Modulatie (256QAM ipv 64QAM)
Dit jaar komen de eerste toestellen op de markt die een hogere modulatietechniek ondersteunen. Hiermee kunnen per tijdseenheid nog meer databits worden verstuurd. Hiervoor is het wel heel belangrijk dat het radiosignaal zo zuiver mogelijk moet worden ontvangen. De hoogste snelheid wordt nu nog gehaald met 64QAM, waarbij elke radiosymbool 64 verschillende waarden kan weergeven. De nieuwe modulatietechniek voor LTE is 256QAM, waarbij elk radiosymbool 256 verschillende waarden heeft. Per radiosymbool worden dan geen 6 bits (26=64), maar 8 bits (28=256) doorgegeven. 256QAM wordt al langer gebruikt in bijvoorbeeld kabelmodems van Ziggo. De toename van de radiosnelheid in een LTE-netwerk is slechts 33 procent en alleen op korte afstand van de zendmast.

4. Extra antennes toevoegen (4×4 MIMO)
Op dit moment wordt in LTE gebruik gemaakt van 2×2 MIMO, waarbij er twee zendantennes en twee ontvangstantennes parallel werken. Door gebruik te maken van antennes met vier antenne-elementen en toestellen met vier ingebouwde LTE-antennes is het mogelijk om op een frequentie de snelheid ongeveer te verdubbelen. De trend naar grotere toestellen maakt het leveranciers mogelijk om de extra antennes ook in te bouwen, maar voorlopig zullen de 4×4-toestellen (het lijkt wel offroad!) nog maar een beperkte rol spelen. Voor operators is het een kostbare operatie, waarbij de zendapparatuur, de bekabeling in de mast en de antennes allemaal vervangen moeten worden. In 4G zal men het waarschijnlijk niet veel toepassen. Voor 5G is men bijvoorbeeld 64×64 MIMO aan het ontwikkelen. MIMO zal in de toekomst wel een belangrijke rol spelen.

5. Extra sites bouwen, zoals small cells
Op dit moment neemt een operator als KPN juist afscheid van een aantal sites, om de operationele kosten van zijn netwerk te beperken. Het bouwen van extra sites is voor operators niet altijd een mogelijkheid of gewenst. Er zijn vaak veel kosten mee gemoeid. Wel wordt door operators gekeken naar nieuwe oplossingen, zoals het plaatsen van een kleine LTE-unit boven in een bushokje. Het bereik van zo’n site is beperkt (50-200 meter), maar dat is op drukke plaatsen in de stad een prima oplossing. Vodafone heeft een paar jaar geleden al aangekondigd honderden ‘small cells’ te gaan plaatsen en ook KPN is dit jaar begonnen met het plaatsen van antennes in bushokjes.

6. LTE-LAA, extra capaciteit in 5GHz-spectrum
Een goede optie om extra capaciteit voor LTE-netwerken te creëren, is het gebruik van het 5GHz-spectrum. Aan de bovenkant van de 5GHz-band, is het toegestaan om buiten uit te zenden met grotere vermogens (1 Watt ipv 200 mWatt). In dit deel van de 5GHz-band zijn er nog bijna geen wifi-netwerken. Toch wordt door de wifi-leveranciers met argusogen gekeken naar de plannen van mobiele operators. Operators die hiermee in de pers komen, proberen dit meteen af te zwakken. Men is bang om de woede van de wifi-community op te wekken. Toch is de 5GHz-band voor ieder gebruik toegestaan, mits men zich houdt aan de regels (zoals een laag zendvermogen). De 5GHz-band kan een operator gemakkelijk 20 of 40MHz extra capaciteit bieden in drukke gebieden op korte afstanden (50-100 meter). De eerste toestellen die dit ondersteunen komen dit jaar op de markt.

7. Wifi offloading
Een ander alternatief is om verkeer via wifi af te handelen in plaats van LTE. Op drukke plaatsen is het wifi helaas ook zwaar belast, voor sommige netwerken zijn er ook nog inlogprocedures. Veel gebruikers nemen niet de moeite om buitenshuis wifi te gebruiken, tenzij men in het buitenland zit. Jonge mensen en mensen met een beperkte databundel (daar zit een overlap) maken wel veel gebruik van wifi. Operators kijken wel naar wifi, maar passen het nog maar weinig toe, onder andere vanwege de moeilijke controle van de kwaliteit.

5G komt niet op tijd

Belangrijk is dat operators hun maximale capaciteit blijven uitbreiden, want het verkeer groeit nog steeds sterk. Verhoging van de maximale snelheid zegt niet zoveel, belangrijker is dat veel gebruikers tegelijkertijd veel data kunnen ontvangen en versturen. Vooral de bouw van veel small cells op drukke locaties en de toepassen van LTE-LAA op de 5GHz-band kunnen de operators helpen om voldoende capaciteit te bouwen. Of de uitrol van nieuwe oplossingen snel genoeg gaat, is nog maar de vraag; we raken steeds meer gewend aan supersnel internet, altijd en overal. Opvolger 5G komt naar verwachting in Nederland pas in 2022 of 2023, terwijl voor die tijd al congestie wordt verwacht in 4G.