Nederland werkt massaal thuis. Verplicht. Het is een van de maatregelen om de verdere verspreiding van het coronavirus een halt toe te roepen. Maar de eerste week (massaal) thuiswerken leidde direct al tot een flinke belasting van de netwerken van Nederlandse internetproviders. Professor Earl McCune is expert op het gebied van draadloze communicatie en vertelde, nog niet zo lang geleden, over de verschillende grote uitdagingen die ons te wachten staan. Want hoe kunnen we het maximaliseren van al die bits bijvoorbeeld op een energie-efficiënte manier doen?
Een vraag die, vanwege de coronacrisis, opeens wel heel relevant is. Zo liet een van de grote providers aan de NOS weten: ‘Waar we voorheen de piek meestal op zondagmiddag hadden met Formule 1 of voetbal, zien we nu dat deze hoeveelheid verkeer elke dag door het netwerk gaat.’ De toename van het internetverkeer is zelfs zo groot dat de Europese Commissie zich genoodzaakt voelde om met videodiensten als Netflix en YouTube in gesprek te gaan. Zij zullen nu, tijdelijk, op een andere manier gaan streamen om zo overbelasting te voorkomen.
Met deze ontwikkelingen in het achterhoofd is het daarom nóg interessanter om het verhaal Hoe geen energie te verspillen aan 5G te lezen. Over onze onstilbare honger naar mobiele data. En hoe daarmee om te gaan.
Vele kleine bitjes energie maken een groot probleem
Misschien sta je van blijdschap te springen als je mobiele telefoonaanbieder aankondigt je datategoed elk jaar te verviervoudigen, voor de komende vijf jaar. Duizend keer meer data klinkt nu eenmaal geweldig. ‘Maar er zijn altijd kosten,’ waarschuwt Earl McCune, professor in de Electronic Circuits and Architectures groep aan de TU Delft en gespecialiseerd in duurzame draadloze communicatiesystemen. ‘Alle systemen die benodigd zijn om deze diensten on-demand aan te bieden, verbruiken energie. Het basissysteem van het digitale netwerk, de elektronische systemen voor het verwerken en opbouwen van de signalen, de schakel- en datacentra en, als grootste verbruikers, de zenders en ontvangers.’ Drie procent van de globale energiebehoefte komt van draadloze communicatiediensten. En met een geschatte honderd- tot tienduizendvoudige toename in het mobiele dataverbruik, gedurende de komende vijf tot tien jaar, zitten we diep in de problemen. ‘Het probleem is dat de communicatie-industrie zich vooral heeft gericht op het maximaliseren van het aantal bits aan data dat per seconde kan worden doorgegeven,’ legt McCune uit. ‘Het was niet van belang of dit ook op een energie-efficiënte manier gebeurde. Ik wil dit veranderen.’
5G: Een oplossing waaraan gewerkt wordt
De grootste hype in draadloze communicatie draait om 5G – de vijfde generatie mobiele netwerktechnologie. ‘De uiteindelijke overstap naar 5G brengt twee belangrijke verbeteringen met zich mee,’ legt McCune uit. ‘Ten eerste zal het gebruik van millimeter-golflengte bundels voor gerichte communicatie een hoop energie besparen. De tweede verbetering staat een flinke verhoging in de communicatiesnelheid toe. Dit maakt, bijvoorbeeld, internet-of-things aangestuurde fabrieken mogelijk.’ De officiële doelstelling van de 5G communicatiestandaard is een tienduizendvoudige toename in het gegevensverkeer, zonder extra kosten en met gelijkblijvend energieverbruik. ‘Wat ze ons echter niet verteld hebben, is hoe we deze standaard moeten implementeren om dit ook echt mogelijk te maken,’ gaat McCune verder. ‘We hebben de wiskunde die aan 5G ten grondslag ligt onder de knie, maar het is er gewoon nog niet klaar voor om op grote schaal uitgerold te worden. Om de 5G energiedoelstelling te halen, moeten we alle schakels in de communicatieketen grondig herzien.’
De momenteel beschikbare 5G netwerken zijn ongeveer net zo energie-efficiënt als de ouderwetse gloeilamp.
Een krachtig signaal
Het huidige paradigma op het gebied van draadloze communicatie stamt uit 1915. Eerst wordt een signaal met een zeer gering vermogen opgebouwd. Dit bestaat uit de optelling van meerdere sinusgolven, tezamen goed voor enkele bytes aan informatie. Vervolgens wordt dit “rommelige” signaal versterkt tot een vermogen van enkele watt dat geschikt is voor communicatie. ‘Er bestaat zoiets als de wet van Ohm,’ legt McCune uit. ‘Deze wet zegt dat je een signaal met bepaalde kenmerken niet efficiënt kan versterken, en al helemaal niet als je lineariteit nastreeft.’ Lineariteit betekent dat het hoogvermogen uitgangssignaal een getrouwe weergave is van het laagvermogen ingangssignaal. Om deze lineariteit te waarborgen, opereren signaalversterkers de meeste tijd ver onder hun maximale vermogen, waardoor ze niet efficiënt zijn. De steeds hogere datasnelheid heeft zodoende geleid tot een voortdurende afname in de energie-efficiëntie. Van 2G naar 4G is deze efficiëntie gedaald van 60% naar 20%. Een efficiëntie van twintig procent betekent dat je vier watt aan warmte produceert voor elke watt aan nuttig signaal. ‘Bij 5G daalt deze efficiëntie nog verder, naar slechts 10%, en creëer je dus negen watt aan warmte,’ zegt McCune. ‘We betalen voor de energie, we betalen voor de enorme voeding, en we betalen ervoor om die warmte af te voeren in een gigantisch blok aluminium dat als koellichaam dienstdoet.’ De op dit moment beschikbare 5G, die nog gebruik maakt van 4G hardware, heeft een efficiëntie van slechts één procent. ‘Dat is nog slechter dan de ouderwetse gloeilamp,’ gaat McCune verder. ‘Het is tijd om het gebruik van een lineaire versterker, en te pogen deze op de een of andere manier efficiënt in te zetten, te laten varen. In ons digitale tijdperk biedt de fysica ons gelukkig een andere manier om een nauwkeurig overdraagbaar signaal te maken. Als je uitgaat van een systeem waarbij het signaal gesampled wordt, en dat dus gebruik maakt van vierkante signalen, dan zegt de wet van Ohm dat je zo efficiënt kunt zijn als je maar wilt. Een energie-efficiëntie van 70% is zeker haalbaar. Dat is een enorme verbetering, alleen maar door lineariteit los te laten en het schakelsysteem aan te passen. We hoeven hiervoor niet eens de 5G signaalstandaard te veranderen.’
Het handboek schrijven voor de volgende generatie signaalversterkers
Er schuilt echter een addertje onder het gras. ‘We moeten deze vierkante signalen direct opbouwen met een voor communicatie geschikt vermogen – meerdere watt in plaats van microwatt,’ legt McCune uit. Er is nog geen handboek voor het bouwen van een hoogvermogen sampling systeem. Dat gaan wij schrijven.’ Als deeltijdhoogleraar aan de TU Delft en deeltijd consultant en ondernemer in Californië is McCune betrokken bij twee verschillende strategieën voor het bouwen van zo’n onconventionele versterker. In Silicon Valley volgt hij het idee om een enkele grote schakelaar te bouwen waarbij het daaraan beschikbaar gestelde vermogen telkens varieert. Hier op de TU Delft werkt hij met twee andere groepen aan een oplossing die uit honderden kleinere transistors bestaat, van variabele grootte. ‘Het is alsof je een orgel bespeelt, waarbij de verschillende transistoren bij elkaar opgeteld het gewenste vermogen geven,’ licht McCune toe. ‘Om het benodigde signaal heel nauwkeurig en heel efficiënt te produceren, moeten de transistoren veel sneller aan- en uitschakelen dan de draaggolven die gesampled worden.’ Zulke vermogensschakelaars zijn al commercieel beschikbaar voor het lage 5G frequentiebereik, onder de 6 GHz. Maar de meeste beschikbare 5G bandbreedte bevindt zich juist in de kortere millimeter golflengtes, met frequenties van 24 GHz en hoger. ‘Hiervoor moet de voeding met een snelheid van tenminste 600 GHz kunnen schakelen,’ zegt McCune. ‘Zulke transistoren bestaan nog niet. We moeten deze nog met een factor drie of meer verbeteren.’
Om de energie-efficiëntie doelstelling van 5G te halen, moeten alle schakels in de communicatieketen grondig herzien worden.
Geen tijd om niks te doen
Niet alleen de voeding voor het versterken van de draadloze signalen moet herzien worden. ‘Als je computer aanstaat, is die gemiddeld genomen 96% van de tijd niets nuttigs aan het doen,’ zegt McCune. ‘De systemen die de kern vormen van het communicatienetwerk – de schakel- en datacentra – zijn 72% van de tijd inactief. De logica componenten in een computer schakelen zo’n miljoen keer sneller dan de voedingen die momenteel gebruikt worden. Om onmiddellijk over rekenkracht te beschikken, laten we de computer maar aanstaan.’ Zijn oplossing lijkt veel op de moderne auto’s die automatisch afslaan en weer starten als je bij een verkeerslicht staat. Dat kost zo weinig tijd dat je er als bestuurder geen last van hebt. ‘Voedingen die binnen een microseconde reageren, kunnen we al bouwen,’ gaat McCune verder. ‘Het probleem is dat de computerchip-gemeenschap ervoor heeft gekozen om de logica componenten met een deel van het computergeheugen te verstrengelen. Zet je computer uit en je wist een deel van het geheugen. Met kleine wijzigingen in de architectuur van computerchips kunnen we dit weer ongedaan maken. Dan kunnen we het energieverbruik van de kernsystemen van het communicatienetwerk met een factor vier terugbrengen, en zo miljoenen euro’s besparen.’
Gerichte communicatie
Het gebruik van gerichte bundels voor datacommunicatie is waarschijnlijk de meest gehypete belofte van 5G. Het komt erop neer dat de signalen voor communicatie alleen worden uitgezonden in de richting van de ontvanger. Bij het huidige 4G netwerk zenden de antennes hun signaal juist over grote gebieden uit. Terwijl je je over de campus verplaatst, vind je altijd overal hetzelfde signaal. ‘Vanuit de zendmast bekeken, is dit nogal onnozel,’ zegt McCune. ‘Op deze manier wordt bijna het gehele uitgestraalde vermogen gebruikt om het gras op te warmen. Met gebruik van gericht vermogen maakt de zendmast kleine bundels van radiosignalen met dezelfde intensiteit, maar zendt deze alleen uit naar waar jij als ontvanger op dat moment bent. Als je je verplaatst, dan volgt deze bundel je als een volgspot in het theater.’ Het onderliggende mechanisme lijkt op dat van de schotelantennes die gebruikt worden voor satellietcommunicatie. Maar in plaats van gebruik te maken van paraboolvormige schotels, bestaat een “spot” uit honderden kleine antennes die in een gecoördineerde samenwerking een nauwe bundel vormen. Deze belicht slechts een klein deel van de hemel. ‘Het is opgelost, maar alleen in computersimulaties,’ zegt McCune. ‘Het zal nog enkele jaren duren voordat het ook in real-time in de buitenwereld functioneert, met name voor 5G die gebruik maakt van de kortere millimetergolven. Het signaal zal afketsen op draaiende windmolens, voorbijrijdende auto’s en de gebouwen die gebruikers in- en uitgaan. En omdat millimetergolven niet in de huid doordringen, ben je zelf ook een reflector.’
De liefde om te bouwen
Op een avond, toen McCune twaalf jaar oud was, bracht zijn vader hem een paar maanden aan elektrische netwerktheorie bij. ‘Hij kon goed uitleggen, en het was allemaal zo logisch,’ zegt McCune. Nu heeft hij zelf meer dan 45 jaar ervaring in het ontwikkelen van technologie op het gebied van radiofrequenties en draadloos ontwerp. Het grootste deel van deze tijd bracht hij in de industrie door. ‘Ik hou er gewoon van om dingen te bouwen,’ zegt hij, ‘en ik heb veel gezien dat werkt, en dat niet werkt.’ Hij genoot in Californië al van zijn vervroegde pensioen, maar omdat hij nog steeds graag de problemen van de samenleving wilde oplossen, accepteerde hij een aanstelling als professor aan de TU Delft. ‘Alleen onder druk past de industrie zijn technologie aan. Een incrementele aanpassing, precies genoeg om geld te blijven verdienen. Volgens mij misten we iets, er is nog zo veel ruimte voor grote verbeteringen.’
Het Fly’s Eye project
‘Hier is een mooie uitdaging,’ zegt McCune. ‘Stel je de finale van het wereldkampioenschap voetbal voor, met tachtigduizend toeschouwers die allemaal tegelijk hun eigen hoge-resolutie video van het winnende doelpunt willen posten. Is dat haalbaar?’ Dit is de essentie van het Fly’s Eye project, een van de lopende TU Delft-projecten waarbij McCune nu betrokken is. ‘Het is een erg multidisciplinair project, onder leiding van Nuria Llombart-Juan van de Terahertz Sensing-groep,’ zegt hij. ‘In plaats van gerichte bundels die door het stadion bewegen, is het idee van Fly’s Eye om “gewoon een heleboel bundels te maken” die gezamenlijk het hele stadion dekken. Als een gebruiker zich te veel verplaatst dan dragen we het signaal over aan de volgende spot die zo’n bundel werpt.’ In het laboratorium testen ze momenteel een van deze spots. De spot, niet groter dan een paspoortfoto, bestaat uit een stel zenders met daaroverheen een lens van helder plastic voor het focussen van de millimeterradiogolven. De uiteindelijke constructie zal 1500 van deze spots hebben, die deels overlappende bundels werpen. De constructie is minder dan een meter in doorsnede en zal midden in het stadion worden opgehangen. Voor het verwerken van de enorme hoeveelheid draadloze data is de Fly’s Eye via een bundel glasvezelkabels met het internet verbonden, net zoals de oogzenuw de data-snelweg vormt tussen onze ogen en onze hersenen. ‘De oogmetafoor is gewoon zo toepasselijk,’ zegt McCune.
Slechts een paar minuten om een satelliet te downloaden
McCune is ook gefascineerd door de communicatieproblemen die zich bij cubesats voordoen. Deze minuscule satellieten bestaan uit een of meer 10-centimeter kubussen en zijn daarom goedkoop om te bouwen en in een baan om de aarde te brengen. Ze zijn vaak uitgerust met een of meerdere camera’s voor aardobservatiedoeleinden, en vergaren daarmee enorme hoeveelheden data. Hun baansnelheid op 500 kilometer hoogte beperkt de directe zichtlijn tussen satelliet en grondstation. ‘We hebben maar een paar minuten om gigabytes aan data te verzenden, onder zeer beperkende condities,’ legt McCune uit. ‘Je kan bijvoorbeeld maar weinig energie opslaan in een 10-centimeter kubus. De antenne kan ook niet heel groot zijn, waardoor we slechts gebruik kunnen maken van hoge radiofrequenties. En dan is er nog de zuurstof in de aardatmosfeer, die heel goed is in het absorberen van millimeterradiogolven.’ Zijn stem klinkt alleen maar enthousiaster met elke uitdaging die hij opnoemt. ‘Het is een 5G-achtig probleem,’ zegt hij. ‘Het gaat om energie, antennes, van alles. Om de efficiëntie te verhogen van twee procent naar vijftig procent, moeten we alles grondig herzien.’
Er is nog geen handboek voor het bouwen van een hoogvermogen sampling systeem. Dat gaan wij schrijven.
Related stories
