Zo zal 6G er (vermoedelijk) uitzien

De vraag naar mobiele bandbreedte verdubbelt ruwweg elke twee jaar. De telecomsector is dan ook voortdurend op zoek naar innovatieve technologieën om die groei te kunnen ondersteunen. 

Zo doken de voorbije twee decennia drie generaties ‘cellulaire’ netwerken (met hun typische antennemasten) op in ons straatbeeld. Te beginnen met de uitrol van 3G in 2001 en de commerciële introductie van 4G in 2009, tot de installatie van de eerste 5G-netwerken vandaag. En ondertussen hebben natuurlijk ook een aantal andere mobiele netwerkvarianten, zoals wifi, hun plaats opgeëist. 

Ondanks al die nieuwe ontwikkelingen en het toenemende aantal technologieopties blijft onze honger naar bandbreedte echter onverzadigbaar. Er wordt dan ook al volop nagedacht over de volgende stap, namelijk de introductie van de zesde generatie mobiele netwerken (6G).  

Uiteraard is het wat dat betreft nog vroeg dag: de internationale 6G-technologiestandaarden moeten immers nog in detail worden uitgewerkt. Wat echter wél al vaststaat, is dat 6G-netwerken hun voorgangers alweer mijlenver achter zich zullen laten – bijvoorbeeld wanneer het aankomt op (download)snelheid en signaalvertraging.

Voor de meeste consumenten zijn (mobiele) breedbandnetwerken vooral bedoeld om vlot films en series te streamen, of supersnel grote bestanden te downloaden. Met andere woorden: snelheid staat voor hen centraal.

En eigenlijk hoeft ons dat niet te verbazen. Snelheid is immers al twee decennia lang hét verkoopargument bij uitstek waarmee telecomoperatoren klanten proberen te verleiden. 

Het is nu eenmaal een feit dat we met zijn allen steeds meer – en steeds zwaardere – (video)bestanden over het internet sturen. Zo blijkt uit statistieken van YouTube dat er elke dag meer dan één miljard uur aan YouTube-video’s bekeken wordt. En driekwart van de YouTube-gebruikers doet dat met behulp van een mobiel toestel. 

Bovendien willen mensen onmiddellijk – en overal – over hun downloads kunnen beschikken, én video’s in de hoogst mogelijke resolutie bekijken. Om dat mogelijk te maken, zijn snelle mobiele breedbandverbindingen onontbeerlijk.

6G-netwerken zullen op die trend voortborduren. Ze stellen een downloadsnelheid voorop van maar liefst 100Gbps. Dat is alweer tien maal sneller dan de (theoretische) downloadsnelheid van een 5G-netwerk, en 300 maal sneller dan die van de meest geavanceerde 4G-netwerken.    

Het streven naar die hogere bandbreedtes is trouwens onlosmakelijk verbonden met het gebruik van hogere radiofrequenties: hoe hoger de frequentie, hoe meer bandbreedte beschikbaar is. 

Om je een idee te geven: 4G-netwerken zijn beperkt tot frequenties van maximaal 2.5GHz. 5G-netwerken daarentegen maken gebruik van de 28 en 39GHz-banden; en de volgende generaties mobiele netwerken – waaronder 6G – zullen hoogstwaarschijnlijk opereren in frequenties boven 100GHz.  

Een kwaliteitsvolle mobiele ervaring hangt uiteraard niet alleen af van de hoeveelheid data die je aan hoge snelheid kan downloaden. Voor heel wat applicaties is in toenemende mate ook de signaalvertraging (of latency) van belang – de tijd die verstrijkt tussen het versturen van data (door een sensor, of vanop een game- of videoserver bijvoorbeeld) en de ontvangst ervan. 

Wanneer je tv-programma’s in real time bekijkt, bijvoorbeeld, is de signaalvertraging erg belangrijk. Die cruciale strafschop tijdens de finale van het WK voetbal wil je immers niet met een halve minuut vertraging te zien krijgen.  

Toegegeven: zelfs met een 5G-netwerk (en zijn signaalvertraging van minder dan 1 milliseconde) zouden dat soort toestanden definitief tot het verleden moeten behoren. Maar toch stelt 6G een nog beperktere latency voorop: volgens experten zal die amper een paar microseconden (µs) bedragen.  

Dat is vooral nodig om het groeiende aantal Internet of Things (IoT)-toepassingen te ondersteunen. Denk aan closed-loop controlesystemen die zelfstandig machines en complexe industriële processen aansturen op basis van realtime sensordata. En hetzelfde geldt voor tijdgevoelige medische IoT-toepassingen, zoals de verwerking en interpretatie van elektrocardiogram- of elektro-encefalogramsignalen. 

De mogelijkheden van het IoT worden natuurlijk in grote mate bepaald door het aantal geconnecteerde toestellen en sensoren. Ook daar kijken we tegen een enorme groei aan. Zo voorspelt marktstudiebureau IDC dat – tegen 2025 – het IoT uit niet minder dan 55,7 miljard apparaatjes zal bestaan; met vooral toepassingen in de beveiligingssector en de industrie. Uiteraard komt het er daarbij op aan om zoveel mogelijk van die toestellen (per m² of per km²) te kunnen aansluiten. Die fijnmazigheid noemen we de aansluitingsdichtheid, of densiteit.

Met 4G halen we vandaag een densiteit van ongeveer 100.000 toestellen per km². 5G-netwerken doen het wat dat betreft al een stuk beter: zij laten immers toe om 1 miljoen apparaten per  te connecteren. En door gebruik te maken van 6G-netwerken zou het cijfer van 10 miljoen verbonden toestellen per km² binnen bereik komen.

Een belangrijke kanttekening is trouwens dat – met de introductie van 6G – die aansluitingsdichtheid idealiter niet langer in vierkante kilometer (km²) maar wel in kubieke kilometer (km³) wordt uitgedrukt. Ook de hoogte die bestreken wordt door toekomstige mobiele netwerken zal immers een differentiator worden. Vooral wanneer bijvoorbeeld meer geconnecteerde drones in het straatbeeld opduiken. Want ook zij maken fundamenteel deel uit van het Internet of Things van morgen.  

Zoals gezegd, zullen 6G-netwerken gebruik moeten maken van hogere radiofrequenties om een hogere bandbreedte te garanderen. Eén van de problemen is echter dat de onderliggende (chip)technologie (nog) niet in staat is om op een energie-efficiënte manier te opereren in die hogere frequenties. En dat terwijl energie-efficiëntie net één van de werkpunten van de telecomsector is.

Telecombedrijf Ericsson luidde onlangs nog de alarmbel door in een rapport te stellen dat het energieverbruik van mobiele netwerken drastisch dreigt toe te nemen – wat problematisch is, zowel voor het milieu als voor de totale kost van die netwerken.

Maar uiteraard blijft de industrie niet bij de pakken neerzitten. Volgens telecomoperator Orange kan de introductie van nieuwe technologieën en software er bijvoorbeeld alvast voor zorgen dat het energieverbruik van 5G-netwerken (per getransporteerde gigabit) tegen 2025 met een factor 10 daalt – in vergelijking met 4G. En tegen 2030 zou dat zelfs een factor 20 kunnen zijn.

Daartegenover staat dan weer dat we steeds meer data over die netwerken sturen, waardoor de toegenomen energie-efficiëntie grotendeels teniet wordt gedaan. Dat is trouwens een gevecht dat ook al jaren in onze datacenters wordt geleverd – met optische glasvezelverbindingen die zoveel mogelijk dataverkeer moeten kunnen verwerken en tegelijkertijd heel energie-efficiënt moeten zijn. Zo heeft glasvezeltechnologie in testopstellingen ondertussen een energie-efficiëntie behaald van enkele honderden femtojoules per bit (waarbij 1 femtojoule gelijk is aan 10^-15 joule). 

Voor alle duidelijkheid: zover staan draadloze netwerken vooralsnog niet. Maar ook 6G-netwerken zullen wat dat betreft dus veel beter moeten presteren dan hun voorgangers. Onderzoekers hebben zich daarom tot doel gesteld om hun energieconsumptie te beperken tot minder dan 1 nanojoule (10^-9 joule) per bit.