Scenario’s voor toekomstige draadloze netwerkvoorzieningen binnen kennisinstellingen

Als je de voorspellingen moet geloven, wordt 5G dé oplossing voor alle connectiviteitsvraagstukken van de toekomst waar gebruikers van kennisinstellingen mee te maken krijgen. Toegegeven: met wifi is al veel mogelijk. Voor het raadplegen van websites, videoconferencing en andere reguliere internettoepassingen is het prima geschikt. Deze technologie wordt ook doorontwikkeld, waardoor de mogelijkheden en waarschijnlijk ook de transportcapaciteit zal blijven toenemen.

Maar wifi schiet vooralsnog tekort bij communicatie die hoge eisen stelt voor betrouwbaarheid en beschikbaarheid, bijvoorbeeld waar mensenlevens in het geding zijn, bijvoorbeeld in ziekenhuizen of telefonie tijdens calamiteiten. Daarvoor mist wifi de benodigde controle over de apparatuur van de gebruiker om netwerkkeuzes af te dwingen.

Ook voor het internet of things (IoT) is wifi minder geschikt. Hier is de eis dat kleine hoeveelheden data verstuurd kunnen worden over langere afstand met een minimaal energieverbruik: dan kan een sensor die bijvoorbeeld CO2-gehalte meet in een collegezaal of een proefgebied jarenlang op één batterijtje draaien. Weliswaar is daar een specifieke variant van de wifi-standaard voor ontwikkeld (Wi-Fi HaLow- 802.11ah), maar die is nooit echt aangeslagen en daardoor is er weinig apparatuur voor op de markt (en is het niet geintegreerd in wifi-access points). Voor IoT moeten instellingen dus aanvullende netwerken installeren, op basis van protocollen zoals BLE, LoRaWAN of Sigfox.

Beloftes en vragen

5G belooft al deze toepassingen in één technologie te verenigen. 5G krijgt op termijn tevens forsere transportcapaciteit dan 4G, doordat het grotere delen van het radiospectrum kan benutten.

De volgende vraag is dan of instellingen zo snel mogelijk op deze mogelijkheden moeten inspelen. Wat is daarvoor nodig? Of kunnen ze het aan telecomoperators overlaten?

Om te beginnen: 5G is nog heel pril. Om alle beloftes waar te maken, vereist het afstemming tussen diverse schakels in een keten: fabrikanten, telecom operators, leveranciers van randapparatuur en applicatiemakers.

Los van de vraag of en wanneer telecom operators de investeringen voor 5G kunnen terugverdienen, rijst de vraag of instellingen van hen afhankelijk willen zijn voor het campusnetwerk? En hoe regel je de technische – en financiële – toegang tot de netwerken van meerdere telecomaanbieders?

5G in eigen beheer

Op de achtergrond van dit alles speelt een probleem waar instellingen steeds meer last van zullen krijgen. De toenemende isolatie van gebouwen houdt niet alleen warmte- maar ook radiostraling tegen. Met name de hogere frequenties waar 5G straks gebruik van zal maken. Instellingen zullen dus zelf inpandige 5G-netwerken moeten installeren om straks optimaal gebruik te kunnen maken van de 5G dienstverlening.

SURF heeft de mogelijkheden onderzocht. Er blijken nu al schaalbare inpandige netwerksystemen te koop, waarop -technisch gezien- meerdere telecomoperators kunnen worden aangesloten en die met een minimum aan nieuwe apparatuur uitgebreid kunnen worden naar de schaal van een groot campusterrein.

Uit consultatie van SURF bij het ministerie van Economische Zaken blijkt dat er plannen zijn om straks een deel van de 5G-frequenties (3700-3800 Mhz) beschikbaar te stellen voor bedrijfsspecifiek gebruik. Dit biedt kansen voor de onderwijs- en onderzoeksgemeenschap. Een deel van het 4G-frequentiespectrum is ook al licentievrij, maar dit deel is zo beperkt (2x5Mhz) dat instellingen er weinig mee kunnen. SURF heeft eerder bijgedragen aan het frequentiebeleid in Nederland en dringt er bij EZ op aan dat bij 5G meer prioriteit wordt gegeven aan het beschikbaar stellen van frequenties voor inpandig gebruik.

3 mogelijke scenario’s voor netwerkvoorzieningen op de campus

SURF heeft 3 scenario’s bekeken voor de toekomstige netwerkvoorzieningen op Nederlandse campussen.

• Scenario 1 is conservatief: blijf gebruikmaken van wifi en breid dit uit met licentievrije technologie voor IoT met BLE/LoRaWAN/Sigfox t.b.v het ontsluiten van machines en/of het faciliteren van Internet of Things. Hiermee behouden kennisinstellingen volledige controle over het communicatienetwerk binnen alle onderwijsgebouwen.
• Scenario 2 is veelomvattend: scenario 1 wordt aangevuld met een indoor-5G-voorziening.
• Scenario 3 kiest exclusief 5G als technologie voor alle inpandige netwerktoepassingen.

Deze 3 scenario’s zijn getoetst op geschiktheid, qua kosten en baten, voor een aantal toepassingen waar veel instellingen gebruik van maken. De uitkomst is te zien in Tabel 1. Iedere oplossing heeft voor- en nadelen.

Iedere optie heeft zijn goede en minder goede eigenschappen. Opties 2 en 3 vereisen het aanleggen van eigen infrastructuur t.b.v. 5G. Die infrastructuur kan gebruikt worden om een eigen LTE-dienst met eigen SIMs aan te bieden. De ontwikkelingen van de eSIM bieden hiervoor kansen. Het biedt tevens de mogelijkheid de drie mobiele operators aan te sluiten waarmee de beschikbaarheid van publieke mobiele netwerken binnen gebouwen wordt opgelost.

Hoger controle over de verbinding zorgen ervoor dat 4G-netwerken (en 5G-netwerken in de toekomst) betrouwbaarder zijn dan wifi-netwerken. Dat geldt ook voor telefonie. Things ondersteunen veelal maar één netwerkprotocol. De mogelijkheid om die apparatuur en toepassing zowel binnen als buiten te gebruiken, heeft geleid tot een hogere waardering bij scenario 2.

Bedrijfskritische toepassingen (zoals digitaal toetsen en in toenemende mate deelnamen aan video conferentie) die niet mogen falen, rechtvaardigen hoge investeringen. Dit heeft geleid tot positievere waardering voor scenario’s 2 en 3. Dat geldt ook voor het geval er mensenlevens op het spel staan en dus voor kritische communicatie. De overige toepassingen (internet browsing, streaming) doen er ook toe maar zij kunnen enig uitstel verdragen en vereisen geen hoge beschikbaarheid die met 5G-netwerken wordt bereikt. Tezamen met de hogere investeringen voor 5G t.o.v. wifi verklaart dit de lagere waardering voor scenario’s 2 en 3 voor deze toepassingen.

Randvoorwaarden voor scenario’s 2 en 3

Het aanleggen van 2 draadloze toegangsnetwerken vergt momenteel hoge investeringen die moeilijk kunnen worden gerechtvaardigd. Dit kan veranderen als de 5G beloftes waar worden gemaakt. Scenario 2 zou dan als een doorgroeipad naar scenario 3 kunnen fungeren. Om scenario’s 2 en 3 realistisch te maken, zullen voor 5G een aantal randvoorwaarden moeten veranderen ten opzichte van de huidige situatie:

1. Reductie van de hoeveelheid apparatuur die bij een instelling moet worden opgesteld om een 5G-netwerk te ontsluiten via alle Nederlandse mobiele operators. Instellingen moeten zelfstandig 5G-apparatuur (gNodeB’s) kunnen kopen en installeren waar naast een eigen mobile core meerdere operators tegelijk op kunnen worden aangesloten en die zelfstandig of door een onafhankelijke partij kunnen worden beheerd.
2. Er zijn geen extra fibers nodig om de 5G-apparatuur die bij een instelling staat opgesteld te ontsluiten met de mobile core van operators. SURF is een pilot gestart om te verkennen of dit kan worden gerealiseerd via het netwerk van SURF.
3. Een gestandaardiseerde modulaire 5G-infrastructuur waarvan de componenten met elkaar communiceren via UTP-bekabeling en die gemakkelijk kan worden uitgebreid om alle (nieuwe) gebouwen op een campusterrein te voorzien van draadloze communicatiefaciliteiten.
4. Een private 5G-infrastructuur die naadloos samenwerkt met de opstelpunten van operators (ten behoeve van handovers) en waarvoor weinig afstemming nodig is met operators.
5.  Betaalbare abonnementsvormen die rekening houden met lokaal gebruik.
6. Beschikbaarheid van laptops met 5G-radio en voldoende frequenties om alle telefoons/tablets/laptops/sensoren met elkaar en met het internet te verbinden.
7. Goede ontsluiting van de bestaande IT-infrastructuur (inclusief video- en spraakoplossingen, zoals bijvoorbeeld Skype-for-Business) via een eigen LTE-omgeving.

Conclusie

Om de vraag te beantwoorden of 5G een mogelijke kandidaat is voor inpandige draadloze netwerkvoorzieningen op de campus, hebben we 3 scenario’s getoetst op geschiktheid. Om de geschiktheid te bepalen, spelen de verwachte kosten en baten van zowel 5G als wifi een belangrijke rol. Die verschillen per gebruikte ICT-toepassingen. Daarbij hebben we enkele randvoorwaarden opgesomd die van belang zijn voor het succes van de scenario’s met een indoor 5G-netwerk. De keuze van het meest geschikte scenario hangt af van de weging die je als instelling toekent aan het optimaal functioneren van de toepassing. Een voorbeeld van een kwantitatief onderbouwde keuze is als volgt: ken 5 punten, 0 punten en -5 punten toe aan respectievelijk iedere ‘+’, ‘0’ en ‘-‘ in Tabel 1. Als iedere ICT-toepassing in Tabel 1 wordt gewaardeerd met 1/10 en de toepassingen ‘telefonie’ en ‘kritische communicatie’ met 2/10 wordt gewogen dan is de som van de producten van de weging met de waardering per scenario het hoogst voor scenario 1 (zie Tabel 2) die daarmee in dit voorbeeld de voorkeur heeft.