De strijd om (radio)frequenties
Niemand staat er ooit echt bij stil, maar telkens wanneer we met onze smartphone aan de slag zijn – om te telefoneren, te whatsappen of video’s te streamen – maken we gebruik van een deeltje van het elektromagnetisch spectrum om data te verzenden en te ontvangen.
Vooral in de frequentieband tussen 100kHz en 300GHz wordt het steeds drukker. Het zijn immers niet alleen telecomtoepassingen die van (de radiogolven in) die band gebruik maken; hetzelfde geldt voor radarinstallaties die lucht- en scheepvaartbewegingen in de gaten houden, satellietcommunicatiesystemen, en analoge radio en tv.
Figuur 1 – Het elektromagnetisch spectrum. Bron: FOD Economie.
Om conflicten (of ‘interferentie’) tussen al die signalen te vermijden, wordt elke frequentie in een bepaald gebied meestal exclusief aan één technologie/operator toegekend. Maar die strategie botst stilaan op haar limieten. De 100kHz – 300GHz frequentieband is nu eenmaal beperkt, en wordt door de exclusieve toewijzing van frequenties inefficiënt gebruikt: zelfs als een operator even niet op een bepaalde frequentie actief is, dan nog kan niemand anders er gebruik van maken.
Het gebrek aan beschikbare radiofrequenties belooft bovendien een nog groter probleem te worden van zodra de volgende generaties mobiele netwerken (te beginnen met 5G-technologie) hun intrede doen. Ook zij zullen immers van diezelfde frequenties gebruik moeten maken.
Zitten mobiele operatoren in de problemen?
Betekent dit dat mobiele operatoren binnenkort zonder bandbreedte komen te zitten, en dat een onbelemmerd smartphonegebruik (om maar één toepassing te noemen) onder druk komt te staan? Niet noodzakelijk. De mobiele applicaties die de meeste bandbreedte verslinden, worden immers nog heel vaak gewoon thuis gebruikt – waar er verbinding kan worden gemaakt met het wifinetwerk, en waardoor mobiele netwerken significant ontlast worden. Bovendien zijn een korte hapering (of een beperkte signaalvertraging) vandaag misschien wel vervelend, maar eigenlijk ook niet meer dan dat.
Dat dreigt echter te veranderen met de komst van 5G-technologie, en een hele reeks applicaties die veel striktere kwaliteitsvereisten hebben. Denk aan AR- en VR-toepassingen, of aan een voetbalstadion waar duizenden toeschouwers tegelijkertijd op een (hogedefinitie)cameranetwerk willen inloggen om live in te zoomen op de actie op het veld.
Vooral het laatste voorbeeld is sprekend. Elke operator die vandaag de gebeurtenissen in en rond zo’n stadion in beeld wil brengen, moet daarvoor zijn eigen netwerkinfrastructuur uitrollen. Bovendien moet dat netwerk piekbelastingen van (tien)duizenden gebruikers tegelijk aankunnen – zelfs als het maar één of twee keer per maand wordt gebruikt. In combinatie met het probleem van spectrumschaarste is de installatie van 5G-netwerken dus zowel technologisch als commercieel een hele uitdaging. Het dwingt de telecomwereld om creatief met de beschikbare frequenties om te springen en het idee van een intensere samenwerking tussen operatoren te omarmen.
De rol van de regulator: spectrum delen of opnieuw toewijzen
Regulatoren zoals het Belgische BIPT, die toezicht houden op de verdeling en het gebruik van het spectrum binnen hun landsgrenzen, hebben twee opties om de dreigende spectrumschaarste aan te pakken.
Ten eerste kunnen ze frequenties opnieuw toewijzen. Een mooi voorbeeld daarvan – in België – is wat er recent gebeurde met de 3400-3800MHz band. Oorspronkelijk werd die frequentieband gebruikt voor het aanbieden van analoge televisie, een dienst die de laatste jaren echter grotendeels werd vervangen door kabel-, internet- en satelliettelevisie. Het BIPT vond het daarom opportuun om die frequentie voortaan voor te behouden voor 5G-communicatie.
“Om op een efficiëntere en grootschaligere manier aan spectrumdeling te kunnen doen, is geautomatiseerde coördinatie essentieel. Collaboratieve intelligente radionetwerken (CIRNs) maken dat mogelijk.”
De tweede aanpak, het delen van spectrum, is een tikkeltje complexer. Hoewel de theorie al tientallen jaren bestaat, is ze pas onlangs voor het eerst in de praktijk gebracht. Het idee is dat verschillende toepassingen (of operatoren) een frequentie kunnen delen, zolang de speler aan wie die frequentie origineel was toegekend (de zogenaamde primaire gebruiker) daar niet onder lijdt. Voorbeelden ervan zijn het CBRS-systeem (Citizens Broadband Radio Service) in de VS en het LSA-model (Licensed Spectrum Access) in Europa. Zij maken gebruik van cognitieve radio’s die het spectrum scannen, de primaire gebruikers identificeren, en vervolgens controleren of een transmissie door een andere gebruiker zou kunnen leiden tot interferentie.
Het nadeel van dat soort systemen is dat ze centraal gemanaged worden en onderhevig zijn aan strikte regels. Zo moet elk apparaat dat binnen de CBRS-band wil uitzenden vooraf (manueel) geregistreerd worden, en kan het zelfs uitgeschakeld worden als er een risico op interferentie bestaat. Het is dus een aanpak die sterk inboet aan flexibiliteit en schaalbaarheid, en eigenlijk alleen geschikt is voor kleinere netwerken en minder kritische toepassingen.
“SCATTER slaagt erin om radiotransmissies in minder dan 300ms en met een nauwkeurigheid van meer dan 95% te herkennen en te voorspellen.”
Om efficiënter en op grotere schaal aan spectrumdelen te kunnen doen, is geautomatiseerde coördinatie een must. En dat is wat collaboratieve intelligente radionetwerken (CIRNs) toelaten. CIRNs zijn uitgerust met radio’s die voortdurend het spectrum afspeuren en slimme, autonome beslissingen kunnen nemen. Ze maken daarvoor gebruik van geavanceerde AI-algoritmes die de zendpatronen van primaire gebruikers leren te voorspellen. Met CIRNs slaan we een nieuwe bladzijde open in het verhaal over spectrumdelen.
Gedeeld spectrum, gedeeld succes?
Hoewel serviceproviders initieel misschien terughoudend zijn om frequenties actief te delen, is het een aanpak waarmee ze op termijn wel degelijk hun voordeel kunnen doen.
Stel je bijvoorbeeld een druk winkelcentrum voor waarin drie mobiele operatoren actief zijn die, door hun onderlinge concurrentie, geen van allen ooit hun maximale netwerkcapaciteit moeten aanboren. In plaats van drie parallelle netwerken uit te rollen die allemaal een maximale piekbelasting kunnen opvangen (en bovendien met elkaar concurreren om spectrum), zouden ze ook kunnen samenwerken en de beschikbare frequenties efficiënter benutten. Zo verbeteren ze de kwaliteit van hun dienstverlening én wordt een stabiele bandbreedte gegarandeerd zonder dat er aparte frequenties voor elke operator nodig zijn. En ten slotte sparen ze er ook nog eens kosten mee uit. Maar om dat vlot te coördineren, heb je dus CIRNs nodig.
Een CIRN met de naam ‘SCATTER’
Onderzoekers van IDLab – een imec-onderzoeksgroep verbonden aan de UGent en de Universiteit Antwerpen – hebben recent zo’n innovatieve CIRN-architectuur ontworpen én experimenteel gevalideerd. De architectuur, met de naam ‘SCATTER’, bevat radio's die zijn uitgerust met geavanceerde, zelflerende AI.
In een eerste stap verzamelen en delen ze locatiegegevens, interferentiemetingen en frequentieparameters om de samenwerking tussen toepassingen/operatoren te vergemakkelijken. Vervolgens leren de AI-algoritmes bestaande transmissies te herkennen en hen met hoge nauwkeurigheid en quasi in real time te voorspellen. Het is een aanpak die heel effectief blijkt om interferentie te vermijden en te voorkomen dat radio’s helemaal moeten worden uitgeschakeld (zoals bij CBRS het geval is).
Figuur 2 – Een vereenvoudigde illustratie van de SCATTER-architectuur en haar bouwblokken. Bron: imec.
SCATTERs geheime ingrediënt: een op-maat-gemaakt computermodel
Om telecomtransmissies te kunnen identificeren, hun zendpatronen te begrijpen en te kunnen reageren op veranderingen, is snelheid van handelen uiteraard een must.
Uit eerder onderzoek bleek echter dat bestaande computermodellen – ook al werden zij specifiek ontworpen om patronen in radiosignalen te herkennen en te classificeren – niet in staat zijn om die taak in real time (in minder dan één seconde) uit te voeren. Daarom ontwikkelde het SCATTER-team een model dat minder complex is én betere prestaties levert.
Zo slaagt SCATTER erin om radiotransmissies in minder dan 300ms en met een nauwkeurigheid van meer dan 95% te herkennen en te voorspellen. Dat betekent dat operatoren die van eenzelfde frequentie gebruik zouden maken gedurende 95% van de tijd zonder enig conflict hun klanten van voldoende bandbreedte kunnen voorzien – wat een prima startpunt is.
De rol van 3GPP en de O-RAN ALLIANCE
Wat brengt de toekomst voor SCATTER en andere AI-gebaseerde CIRNs? De O-RAN ALLIANCE is goed op weg om de drijvende kracht achter dat verhaal te worden – met de steun van onderzoeksinstellingen, operatoren (zoals AT&T, BT, Deutsche Telekom en Orange) en telecomleveranciers (waaronder Ericsson, Nokia en Siemens). De alliantie wil mobiele netwerken intelligenter en meer open en schaalbaar maken, en stelt volledige interoperabiliteit voorop. Het is een visie die voortbouwt op het werk van de 3GPP-standaardisatieorganisatie, maar die daarnaast ook de nood benadrukt aan nieuwe (intelligente) functies en open interfaces – waardoor operatoren een betere gebruikservaring kunnen aanbieden terwijl ze niet langer van één leverancier afhankelijk zijn.
Dankzij initiatieven zoals O-RAN kunnen recente doorbraken in intelligent netwerkonderzoek, zoals SCATTER, daadwerkelijk worden benut. We zien zelfs dat 3GPP al begonnen is met het integreren van intelligente radiocomponenten en -functies in zijn volgende releases. En dat hoeft geen verrassing te zijn, want het inbouwen van meer intelligentie in het netwerk – onder meer op basis van AI-gebaseerde CIRNs – is uiteindelijk in het beste belang van mobiele operatoren.
Waarom zouden operatoren zich beperken tot het delen van spectrum?
Zelfs wanneer operatoren de tools in handen krijgen om op een efficiënte manier spectrum te delen, dan nog blijft de uitrol van de volgende generaties mobiele telecomnetwerken een zware investering. In drukke steden – met duizenden betalende gebruikers – is die businesscase op (langere) termijn weliswaar positief. Maar in landelijke regio’s (eenzelfde investering voor slechts een fractie van dat aantal gebruikers) staat het terugverdienmodel onder druk. We kunnen ons dan ook de vraag stellen of het überhaupt zin heeft om over het hele land die infrastructuur dubbel – of zelfs driedubbel – uit te rollen.
In het kader van het onlangs afgeronde imec.icon ‘5GECO’-project werd daarom onderzocht of ook andere netwerkassets op een intelligente manier gedeeld kunnen worden – gaande van de antennemasten en basisstations dicht bij de gebruikers, tot en met elementen dieper in het netwerk.
Miguel Camelo: “Door hun infrastructuur actief te delen, kunnen operatoren een betere balans vinden tussen kosten en opbrengsten, en worden middelen een stuk efficiënter ingezet. Netwerkdelen kan op verschillende niveaus, maar tijdens het ‘5GECO’-project hebben we gefocust op twee specifieke invullingen ervan: een eerste benadering waarbij één radio- en transportnetwerk door meerdere providers wordt gebruikt, en een tweede case waarbij een zogenaamde neutral host centraal staat. Die neutrale speler is dan verantwoordelijk voor het uitrollen, het uitbaten en het onderhouden van (delen van) het netwerk, en stelt het – tegen betaling – ter beschikking van de verschillende mobiele operatoren in een bepaalde regio.”
Het spreekt voor zich dat zoiets in goede banen leiden – waarbij iedere operator krijgt wat hem toekomt – een enorm complexe oefening is. Ze houdt onder meer in dat netwerken op een volledig nieuwe manier worden gebouwd (meer open en software-gebaseerd), en vereist bovendien extra intelligentie doorheen het netwerk – zodat de verschillende componenten continu informatie met elkaar kunnen uitwisselen. Technologieën zoals SCATTER en de inbreng van organisaties zoals O-RAN zullen dus fundamenteel zijn om het principe van netwerkdelen succesvol in de praktijk te brengen.
Miguel Camelo: “We zijn dan ook ongelooflijk enthousiast over het feit dat we tijdens het ‘5GECO’-project samen met onze commerciële partners Accelleran, Citymesh en Nokia Bell Labs hebben kunnen aantonen dat netwerkdelen – in zijn verschillende vormen – effectief een werkbare oplossing is. Dat we op dat vlak in Vlaanderen het voortouw kunnen nemen, is toch wel uniek. Het getuigt van de telecomexpertise die hier verankerd is, en geeft het lokale ecosysteem heel wat materiaal en inzichten waarmee het verder aan de slag kan.”
Toch is netwerkdelen – ondanks de positieve projectresultaten – nog niet voor morgen. Er kwamen immers ook een aantal aandachtspunten bovendrijven.
“De nood aan aangepaste bedrijfsmodellen is er daar één van. Zonder een duidelijke businesscase (wie betaalt wat?) krijgt immers geen enkele technologie voet aan de grond. En ook het gebrek aan een regelgevend kader is op dit moment een belemmering: dankzij 5GECO weten we alvast wat er technisch mogelijk is op het vlak van netwerkdelen, maar nu moet ook de regulator dringend gaan nadenken over hoe zoiets praktisch geïmplementeerd kan worden. Alleen zo kunnen we de brug slaan tussen onderzoek en de praktijk”, besluit hij.
Dit artikel verscheen eerder als bijdrage in Engineeringnet.
