Wat betekent 5G nu eigenlijk in de wereld van IoT?

We kunnen er niet naast kijken. 5G is hot, vooral in de media. Als we de persberichten van begin april 2020 erbij halen dan komen we al heel snel bij het nieuws van Proximus, die het eerste (publieke) 5G netwerk lanceert. Er doen heel veel verhalen de ronde over 5G, maar ik heb het gevoel dat niet iedereen goed mee is wat 5G nu juist is.

In deze post heb ik geprobeerd een gestructureerd overzicht te bieden van de technologische kenmerken en uiteraard ook de link gemaakt met de wondere wereld van IoT. Let’s go! 😉

Wat is 5G?

Goed, om te beginnen eens uitleggen wat die magische 5G nu juist is. Wikipedia geeft naar mijn gevoel een goeie beschrijving:

5G (voluit 5e generatie mobiele netwerk of 5e generatie draadloze systemen) is een telecommunicatie-norm. Deze kenmerkt zich door een grotere gegevensdoorvoer en minder vertraging (latentie) in vergelijking met de voorganger 4G

Duidelijk! Ook nog wat “fluffy-marketing info”:

Volgens specialisten is 5G 100 tot 200 keer sneller dan het 4G-netwerk. Het huidige netwerk heeft een snelheid van 100 megabits (Mbps) per seconde. 5G kan snelheden aan tot 20.000 Mbps. Gigantische snelheden dus. Je kan met 5G een film in hoge resolutie in amper een paar seconden downloaden. Met 4G duurt dat ongeveer 10 minuten. Er is ook veel minder “latency” of vertraging op het 5G-netwerk. 5G heeft een vertraging van 4 milliseconden, bij 4G is die vier keer groter. 5G maakt operaties vanop afstand mogelijk. We weten dus dat het een opvolger is van 4G die sneller is en minder latency heeft.

Je zal ongetwijfeld al gehoord hebben over de “licenties” voor 5G, het verhaal van Citymesh, het feit dat we door onze regering (of het ontbreken ervan) geen verdeling van de licenties hebben tot op vandaag maar dat BIPT dit zelf zal doen, het feit dat proximus nu toch al zegt 5G uit te rollen in verschillende steden (onder de vorm 5G-light).

Het draait dus eigenlijk allemaal rond bepaalde radiofrequenties die toelaten dat 5G ten volle kan benut worden. De 5G band bevat de frequenties tussen 3,4GhZ en 3,8 GhZ. Momenteel heeft enkel Citymesh deze frequenties in handen. Zij zetten bv. al private netwerken op voor onder meer Brussels Airport. Ze doen dat op band 42 trouwens.

Naast die radiofrequenties waarop 5G (zal) werken hebben we ook de effectieve implementatie. De beschrijving van de “standaard” dus. 5G wordt in verschillende “waves” beschreven en uitgerold. Hieronder een duidelijke presentatie van Sierra Wireless:

Wat we vandaag zien zijn vooral toepassingen op de Wave 2: Consumer cellular. Dit is die update waar Proximus mee uitpakt voor mobiele gebruikers die nét iets meer snelheid en bandbreedte willen. Let wel, Proximus doet dit op de 4G band.

Check zeker eens de blogpost van Dailybits, hij schreef er ook enkele interessante dingen over!

Privaat vs publiek

De kracht van 5G is dat het ook als private netwerk kan worden aangeboden. Het is kosteneffectief en eenvoudig te implementeren (al is dat natuurlijk relatief, een LoRaWAN gateway installeren lijkt me een tikkeltje eenvoudiger en mag ook aangezien LoRaWAN op een ongelicentieerde radioband werkt 😉Ik zou persoonlijk de heren van Citymesh inroepen moest ik een private 5G netwerk willen opzetten)

Een private 5G netwerk bestaat uit enkele micro-towers die ervoor zorgen dat een specifiek geografisch gebied private dekking krijgt waarbij je dus zélf controle hebt maar misschien nog belangrijker ook zelf de beveiliging in handen hebt.

In tegenstelling tot het openbare netwerk is de toegang dus beperkt. Je moet “toegang” hebben tot het netwerk. Algemeen gezien kan het opzetten van een private netwerk de 5G-services dus garanderen en de beveiliging verhogen. Mij lijkt dat private 5G een echte game-changer is.

Is 5G interessant voor IoT?

De focus van 5G ligt nu vooral op cellular. Er zijn verschillende toepassingen waar IoT en cellular uiteraard hand in hand gaan. Denk maar aan (powered) Edge gateways waar informatie van machines en verschillende sensoren op kunnen geaggregeerd worden. Daar kan 5G nu al heel wat meerwaarde bieden als we denken aan de bandbreedte en latency voordelen. Er beginnen op de markt al verschillende “5G routers/modems/gateways” naar boven te komen. Wijzelf zijn bij Aptus enkele testen aan het doen met Fibocom (de FM150-AE om precies te zijn. Die ondersteunt band 42 = mid range 3.5GHz en kan gebruikt worden op o.a. private 5G netwerken in Vlaanderen. Ps: de 5G modems zijn écht niet goedkoop 🤑)

Ter info, de fabrikanten die nu al inzetten op 5G modems zijn Telit, Ublox, SimCom, Quectel, Sierra Wireless en Fibocom. Reken wel dat de modemprijzen in de “honderden Euro’s” regio liggen ipv bestaande 4G modems die maar enkele tientallen Euro’s kosten.

Belangrijk feit: in bovenstaande spreken we over powered IoT toepassingen. Maar een IoT-apparaat kan natuurlijk ook iets anders zijn zoals een sensor met laag vermogen die slechts af en toe kleine hoeveelheden gegevens verzendt.

Het is de bedoeling dat de 5G standaard wel enkele jaren dienst zal doen, dus de “standaard” anticipeert al op de toepassingen die tot op vandaag nog niet echt “productieklaar” zijn zoals zelfrijdende auto’s die communiceren met andere voertuigen en snelweginfrastructuur in realtime.

Om aan al deze verschillende vereisten te voldoen, dekt 5G drie categorieën communicatie, elk gericht op een andere set use-cases. In het algemeen hebben deze use-cases betrekking op (1) IoT-toepassingen met laag vermogen zijnde “Massive, Machine-Type Communication” (mMTC), (2) industriële en kritische IoT-toepassingen, aangeduid als “Ultra-Reliable, Low Latency Communications” (URLLC) en (3) de consumentenmarkt, aangeduid als Enhanced Mobile Broadband (eMBB). Onderstaande tabel legt het uit.

In de wereld van IoT zijn de eerste 2 het meest interessant.

Massive, Machine-Type Communication (mMTC)

Dit is de evolutie van Low-Power Wide-Area (LPWA) LTE-technologieën die we nu kennen voor toepassingen die goedkoop zijn, lage stroomsterkte vereisen en een hoge dekking hebben in bedrijfsomgevingen met een hoge dichtheid. 5G pakt deze use-case aan met geëvolueerde versies van de twee LPWA-standaarden die tegenwoordig het meest worden gebruikt in de IoT wereld, LTE-M (die werkt binnen de LTE-band) en NB-IoT (die werkt op 200 kHz). Deze technologieën zijn ontworpen voor apparaten met een laag energieverbruik zoals sensoren. Typisch voor gebruik in slimme steden, slimme logistiek, slimme meters en andere toepassingen.

Ultra-Reliable, Low Latency Communications (URLLC)

Deze is voornamelijk ontworpen voor de Industrial IoT (IIoT) of Industry 4.0, met toepassingen zoals fabrieksautomatisering, smart city 2.0 en in de toekomst autonome voertuigen. Ultra-low latency en zeer hoge betrouwbaarheid zijn belangrijke topics op dit gebied. Snelle overdrachten en hoge mobiliteit zijn ook belangrijk. 5G pakt deze categorie voornamelijk aan met de recent gedefinieerde radio-toegangstechnologie, genaamd New Radio of NR. De 5G NR-technologie ondersteunt die zeer hoge bandbreedte in het millimeter Wave (mmWave) -spectrum. Dit is één van de grootste verschillen tussen 4G en 5G. Maar om duidelijk te zijn, die is er nog niet tot op vandaag 😉

5G en Low-power IoT

5G voor mMTC (voor Low-power devices dus) is gebaseerd op verbeteringen aan de huidige LTE-M en NB-IoT (die wij bij Aptus trouwens gebruiken voor High-Five en andere projecten) en belooft om de dekking, apparaatdichtheid en batterijduur te vergroten. We spreken hier over Wave 3 wat verwacht wordt eind 2020, begin 2021.

Dekking

5G zal naar verwachting een dekkingsgraad van meer dan 164 dB Maximum Coupling Loss (MCL) bieden, dus transmissies zullen verder gaan en zullen eerder hun doel bereiken wanneer ze door betonmuren gaan of ondergronds reizen.

Apparaatdichtheid

5G belooft meer capaciteit, met ondersteuning voor maar liefst een miljoen apparaten of meer per vierkante kilometer. De mogelijkheid om meer apparaten te ondersteunen, komt van verschillende functies, waaronder flexibiliteit in planning, verbeterde multiplexing van frequentieverdeling, modulatie van hogere orde (64 QAM) en ondersteuning voor een eerder datatransmissieschema.

Batterijduur

5G zal ook verbeteringen in het huidige verbruik opleveren, dus toepassingen met een laag energieverbruik hebben nog minder energie nodig om te werken. Energiebesparende functies, zoals een nieuw synchronisatiesignaal, een weksignaal en een waarschuwingsvlag voor systeemwijziging, verlichten de stroombelasting en helpen de levensduur van de batterij te verlengen tot meer dan 15 jaar in het veld.

Al deze 5G mMTC-functies zijn beschikbaar in toekomstige firmwareversies, dus de reeds geïmplementeerde LTE-M- en NB-IoT-hardware van vandaag is toekomstbestendig voor 5G 🎉

LTE Release 15

LTE Release 15 wordt op de markt gebracht als 5G en behoudt backwards compatibility. Hoewel de 4G LTE-specificatie ondersteuning biedt voor snelle devices, die de 5G-vereiste van 20 Gbps zelfs kunnen overschrijden, is dit niet gecommercialiseerd.

LTE Release 15 voegt ook enkele functies toe, zoals verhoogde mobiliteit (500 km/uur), hogere betrouwbaarheid (99,999%) en lager netwerkvermogen (80% slaap). LTE Release 15 vergroot ook het bereik waardoor het mogelijk wordt om nieuwe applicaties te ontwikkelen waaronder interacties tussen apparaten (D2D), voertuig-naar-alles (V2X) communicatie, uiterst nauwkeurige positionering en verbeterde werking in niet-gelicentieerd spectrum (LAA).

Samengevat

Zoals je in deze post kan lezen zit er op vlak van 5G en IoT redelijk wat in de “pijplijn” (🤷‍♀️). Zowel voor low-power devices als voor devices die een ultra-snel betrouwbaar netwerk nodig hebben. Maar het is nog niet voor vandaag, zoveel is zeker. Wat wel kan is gebruik maken van het 5G Light netwerk van Proximus of in een B2B context kan je kiezen voor een private netwerk van Citymesh bijvoorbeeld.

Moest je nu, na het lezen van deze blogpost iets hebben van: interessant, ik wil meer weten over 5G of ik zoek een partij die kan ondersteunen in een mogelijke 5G project? Kijk niet verder. Wij van Aptus helpen je met plezier verder! 💪