5G: wat kunnen we ermee?

Door Liam van Koert

Volgens een recent internationaal rapport van Capgemini beschouwt driekwart van de industriële bedrijven 5G als de grootste aanjager voor de digitale transformatie voor de komende vijf jaar. Het zijn met name de lage latency en de hoge bandbreedte die deze verwachtingen voeden. Voor wat betreft de latency- winst spreekt het rapport over het mogelijk maken van met elkaar communicerende autonome voertuigen en de draadloze aansturing van hoogprecieze robotica. Komt de bandbreedte in het vizier, dan zijn het vooral data-intensieve toepassingen zoals remote vision en augmented reality die als grote winnaars worden genoemd. Ook die grotere capaciteit voor wat betreft dichtheid van netwerkdeelnemers wordt als belangrijk voordeel genoemd.

Meer bandbreedte noodzakelijk?

Wat zijn dan die bandbreedte, latency en dichtheidswinst van deze vijfde-generatie-technologie? Op digitaal papier belooft echt 5G – gebruikmakend van de 3,5 GHz-band dus – een bandbreedte van 1 Gbit per seconde met een latency van 1 milliseconde met een betrouwbaarheid van 99,999 procent. Ook kunnen miljoenen apparaten per vierkante kilometer onderdeel van het 5G-netwerk uitmaken.

Vergeleken met de vierde generatie is dit inderdaad flinke winst. En op sommige gebieden zou je die zelfs cruciaal kunnen noemen. Zit hem die – voor de industriële automatisering – in een snelheid die tot honderdmaal hoger ligt dan 4G? Voor een groot aantal IoT-achtige toepassingen valt dat wel mee. De 10 Mbit per seconde die je nu met een simkaartje kunt verstouwen is voor heel wat toepassingen, waarbij je temperaturen, posities, versnellingen, geleidbaarheid of andere grootheden periodiek richting de cloud wilt sturen, meer dan voldoende. En zelfs video is best te doen – getuige het probleemloos Netflix streamen via 4G op elke plek in Nederland. Enige punt daar is wellicht het energieverbruik, maar dat wordt met 5G alleen maar hoger. Des te hoger de frequentie, des te lager de permeabiliteit van een signaal. Dus tenzij er een zender heel dichtbij is – en die gaan er heel wat in onze lantarenpalen en op onze daken bijkomen – red je dat niet op een zonnecelletje en ben je toch weer aangewezen op een stroomkabel.

Slechte drummer

Voor wat betreft latency is er wel wat aan de hand. Die verbetert ‘slechts’ met een factor 10 en komt daarmee in het 1 millisecondebereik. Hoewel de AB-lezer de microseconde een betere aanduiding van ‘realtime’ zal vinden, blijkt het voor heel wat toepassingen voldoende om het samenwerken van netwerkdeelnemers in elk geval ‘synchroon’ te noemen. Zelf smacht ik als muzikant in een tijd van lockdowns en fysieke isolatie bijvoorbeeld al een jaar naar het samen spelen met mijn band. Helaas blijkt ‘in de maat’ spelen via het internet een ding. Niet omdat we een slechte drummer hebben. Integendeel. Maar latency gooit steevast roet in het ritme. Chirurgen die een op afstand willen opereren klagen er ook over. Terecht. Ik kan me goed voorstellen dat het uit de pas lopen van hand en mes voor zowel chirurg als patiënt een ding is.

Deelnemersdichtheid en dekking

Tot slot de dichtheidsbelofte van 5G: 1 miljoen simkaarten in 1 vierkante kilometer. Dat zijn er inderdaad best wel wat. Ter vergelijking: in Sint-Joost- Ten-Node in België dat 1,14 vierkante kilometer groot is, wonen ongeveer 25.000 mensen. Die net iets meer dan een vierkante kilometer staat daarmee op de 18-de plek in dichtstbevolkte gebieden ter wereld in een lijst die wordt aangevoerd door Manilla. Daar wonen er – weliswaar gemiddeld – zo’n 40.000 per vierkante kilometer. Overigens kunnen zowel Manilla als Sint-Joost-Ten-Node ook best met 4G uit de voeten. Dat ondersteunt namelijk 100.000 simkaarten per vierkante kilometer.

Natuurlijk gaan dit soort dichtheidsgetallen uit van een volledige dekking. Geen probleem, zou je kunnen denken. Leg je de kaartjes van T-Mobile, Vodafone en KPN over elkaar heen, dan lijkt Nederland inmiddels een volledig dekkend 5G-netwerk te hebben. Maar hoe kan dat als de frequenties pas in 2022 onder de hamer gaan? Feitelijk wordt er door de providers gebruik gemaakt van het huidige 4G netwerk waardoor met 700 MHz een maximale bandbreedte van 500 Mbit per seconde beschikbaar is. Een ander opvallend detail: T-Mobile en Vodafone hebben hun 4G-netwerk bijna landelijk voor de 5G-voorloper opengesteld. KPN lijkt zich vooralsnog vooral te richten op de Randstad en Brabant, met grote uitschieters in de kuststreek waarin zich onder andere de Botlek, Rotterdamse haven en windmolenparken op zee bevinden. Toeval?

Een ‘aanvaring’ tussen gereedschap en werkstuk in een gereedschapmachine kan kostbare gevolgen hebben, bijvoorbeeld voor de spil. Fraunhofer IPT en Ericsson hebben in 2019 succesvol draadloze 5G-sensortechnlogie getest, die bij een botsing de machine razendsnel uitschakelt (Foto: Fraunhofer IPT/Paperplane Productions)

Energie en cyberoverwegingen

Een veel gehoord argument als het om draadloos automatiseren gaat is de kostenbesparing die het met zich meebrengt. Je hoeft immers niet kilometers duur koper of glas onder de grond te stoppen. Maar wordt hiermee wel het hele verhaal verteld?

Nee. Mislukte slogans als ‘Bringing power to digital manufacturing’ legt de vinger pijnlijk onbedoeld op in elk geval op één zere plek: energie. Met het verhogen van de frequentie naar 3,5 GHz winnen we aan bandbreedte en latency, maar is er ook meer energie nodig. In de praktijk zal je voor veldtoepassingen dus toch die stroomkabel moeten trekken, of de sensor met simkaart veelvuldig in ‘slaapmodus’ moeten brengen en alleen maar wakker maken als hij er iets te vertellen is.

Nu is die stroomkabel op de fabrieksvloer niet zo’n punt. Maar waarom zou je, als die kabel er toch al ligt, geen beproefde technologie als IO-Link gebruiken? Daar hoef je immers ook geen datakosten voor te betalen. De 3,5 GHz-band, die in de grotendeels metalen fabriekshal overigens een vergelijkbare ‘storingsgevoeligheid’ kent als wifi (hier kan je in elk geval nog wisselen tussen het 2,4- en 5 GHz-kanaal en zijn snelheden tot 600 Mbps haalbaar) is niet licentievrij.

Cybergaranties

In het Capgemini-rapport wordt gesteld dat een groot deel van de industriële producenten daarom overweegt zelf licenties te kopen. Voor de grote onder hen is dit aantal 47 procent. Naast lagere kosten verwacht men meer autonomie, betere prestaties van hun netwerk én een betere beveiliging.

Wellicht hebben ze hier een punt, maar cybergaranties zijn er bij draadloos niet. Elk signaal valt te jammen of kan worden onderschept. Wat dat betreft geldt voor elke draadloze technologie het spreekwoordelijke ‘gelijke monniken gelijke kappen’. Gedegen end-to-end encryptie is geen overbodige luxe – iets wat bij het snel opkomende MQTT-protocol nog wel een dingetje is. En ook de hele cybersecurity-en-Huawei-kwestie met wat wel en niet tot kerntechnologie van het aanstaande landelijke 5G-netwerk behoort, wil ik hier gemakshalve buiten beschouwing laten.

Een overzicht van de belangrijkste verschillen tussen 5G, 4G en WiFi.(Tabel: Capgemini)

Vision

Een belangrijkere vraag is natuurlijk: 5G wat kan je er mee? Kijken we naar de grotere bandbreedte die beschikbaar komt dan ligt het antwoord voor de hand: data-intensief communiceren. Een van de toepassingen die grote datastromen op gang brengt is vision. Helemaal als de resoluties of de frames per seconde omhoog gaan, is er een flinke digitale snelweg nodig. Dit is de reden dat er voor veeleisende visiontoepassingen ooit frame-grabbers zijn bedacht. Of wat te denken van een protocol als Coaxpress waarbij je via een coaxkabel van 200 meter snelheden van 1,25 Gbit per seconde haalt. Wanneer je de lengte verkort naar 30 meter, dan is zelfs 12,5 Gbit per seconde haalbaar. Tel daar bij op dat de meeste camera’s op de fabrieksvloer ook stroom nodig hebben en dus aan de kabel hangen en het wordt onwaarschijnlijk dat machine-vision over 5G een ding is. Anders wordt dat buiten de fabrieksmuren in de bewakings- of verkeerssystemen. Dan gaan de lengtes tellen en heb je ook bij gebruik van PoE (Power over Ethernet) op den duur versterkers nodig. Zonde als de lantarenpaal al is uitgerust met een 5G-zender zou je zeggen.

Augmented reality

Een andere toepassing die van 5G kan profiteren is augmented reality. Wil die tot zijn recht komen, dan ben je per definitie draadloos en zal je video moeten streamen. En als gewicht en energieverbruik onder controle zijn, geldt dat ook voor drones en de mobiele robotica. Bij deze laatste toepassing is er nog een voordeel. Mocht de robot namelijk niet volledig autonoom zijn en wil je hem op afstand besturen, dan wil je een zo laag mogelijke latency.

  Augmented reality maakt vaak gebruik van het draadloos streamen van beeld. En als je dan dankzij 5G-gegevensoverdracht ook alle productie- en sensorgegevens in een ‘digitale twin’ met de volledige productiegeschiedenis kan opslaan. (Foto: Ericsson)

Telepresence

De op afstand bestuurbare chirurgische robotarm met haptische feedback werd hier al even benoemd, maar vergelijkbare voordelen zijn er voro reddingsrobots of op afstand bestuurbare robots voor gevaarlijke taken in dito omgevingen. Telepresence noemen we deze tak van sport. Hier komen echter ook aanvullende technologieën als Time Sensitive Networking om de hoek kijken die niet alleen voorbehouden zijn aan 5G, getuige ook de industrie breed gedragen persconferentie over OPC UA TSN in Neurenberg twee jaar geleden. Hier spraken toen alle grote automatiseringsaanbieders hun commitment richting determinisme middels TSN uit. Fraunhofer is in elk geval alvast gestart – ook hier in een groot consortium verband – met de eerste onderzoeken naar TSN in combinatie met 5G. Hun idee? Robots laten samenwerken door ze synchroon aan te sturen via de cloud.

Beginvraag

Of dat lukt krijgen kunnen we – als de coronagoden ons eindelijk gunstig gestemd zijn – in de nabije toekomst misschien in Hannover zien. Daar zijn ze op het Messe-terrein alvast begonnen met het uitrollen van een stevig 5G-netwerk, wat de basis gaat vormen voor de naar eigen zeggen grootste 5G-campus van Europa. Dus om op de beginvraag van dit artikel terug te komen: 5G wat kunnen we er mee? Een hele hoop. Maar dat betekent niet dat we al die dingen ook met 5G moeten en zullen doen.

PS Ten tijde van dit schrijven was er een internetstoring. Gelukkig kon ik dit artikel via 4G toch vanuit huis naar de redactie sturen. Is redundantie ook een valide 5G-argument?