Hoe je telefoon via 4G en 5G internet krijgt
Je telefoon haalt de hele dag internet binnen via 4G en 5G. Ondertussen verdeelt een zendmast zijn radiokanaal per milliseconde over alle telefoons in de buurt, en in de trein wordt je verbinding ongemerkt van mast naar mast doorgegeven. En waarom is 5G buiten zo snel en binnen soms ineens niet?
Ik volg de 5G-specificaties van 3GPP, de groep achter zowel 4G (LTE) als 5G (NR). 4G volgt hetzelfde basisidee, maar de getallen hieronder komen uit de 5G-documenten. Je ziet hoe een mast zijn capaciteit in blokjes verdeelt en welke regel bepaalt wanneer je telefoon van mast wisselt. Met twee ITU-modellen reken ik uit hoeveel signaal een muur kost.
Een cel is vooral een radio met een kabel erachter
Alleen het laatste stukje is draadloos. De antenne op het dak hoort bij een basisstation, bij 5G een gNB, en het gebied dat hij bedient is een cel. Achter het basisstation zit een vaste verbinding naar het kernnetwerk van de provider. In de handover-procedure uit TS 38.300 komen twee onderdelen van dat kernnetwerk voor. De AMF regelt de toegang en de mobiliteit, en de UPF is het punt waar je datapakketten het internet op gaan. Je telefoon praat dus met een cel, en die stuurt alles door.
Frequentiebanden in Nederland: bereik of capaciteit
De Rijksinspectie Digitale Infrastructuur (RDI) verdeelt de frequenties via veilingen en beschrijft de afweging zo: lage frequenties zoals 700 MHz hebben een groot bereik, terwijl 3,5 GHz meer bandbreedte biedt maar het signaal "sneller tegengehouden door muren en ramen" wordt. De 3,5 GHz-veiling werd op 1 juli 2024 afgerond: KPN, Odido en VodafoneZiggo kregen ruimte in de band van 3450 tot 3750 MHz, met vergunningen tot en met 31 december 2040.
In de 3GPP-norm TS 38.104 hebben die banden een nummer, en zie je een tweede verschil:
| Band | Uplink (MHz) | Downlink (MHz) | Methode | Breedste kanaal in de norm |
|---|---|---|---|---|
| n28 (700 MHz) | 703–748 | 758–803 | FDD | 40 MHz |
| n3 (1800 MHz) | 1710–1785 | 1805–1880 | FDD | 50 MHz |
| n78 (3,5 GHz) | 3300–3800 | 3300–3800 | TDD | 100 MHz |
Bij FDD (frequency division duplex) zenden telefoon en mast tegelijk, elk op een eigen stuk spectrum. Bij TDD (time division duplex) delen ze dezelfde frequenties en wisselen ze elkaar in de tijd af. Van deze drie past alleen in de 3,5 GHz-band een kanaal van 100 MHz, en die breedte levert de snelheid.
Hoe een 5G-mast zijn capaciteit verdeelt
5G gebruikt OFDM: een kanaal wordt opgedeeld in duizenden smalle draaggolven naast elkaar, de subcarriers. Volgens TS 38.211 liggen die 15, 30, 60 kHz of meer uit elkaar, tot 960 kHz. Twaalf naast elkaar vormen een resource block, het kleinste blokje dat de mast aan iemand toewijst.
In de tijd is het net zo strak ingedeeld: een frame duurt 10 ms en bestaat uit tien subframes van 1 ms. Een slot bevat normaal 14 OFDM-symbolen. Bij 15 kHz past er één slot in een milliseconde, bij 30 kHz twee. Een kanaal van 100 MHz met 30 kHz-afstand telt volgens TS 38.104 precies 273 resource blocks. Samen is dat 273 × 12 × 30 kHz = 98,28 MHz; de rest is marge naar de buurband.
Wie welk blokje krijgt, beslist de scheduler in het basisstation. Volgens TS 38.300 kijkt die naar hoeveel data er per telefoon klaarstaat, naar de kwaliteitseisen van die data en naar de radio-omstandigheden die de telefoon meldt. Zolang je telefoon ontvangt, luistert hij naar een stuurkanaal (PDCCH) om te zien of er een toewijzing voor hem bij zit. Anders dan bij wifi, waar apparaten zelf om een beurt vechten, deelt hier één partij de beurten uit. Gedeeld blijft het wel: met veel mensen in één cel krijgt ieder minder blokjes.
Waarom het binnenshuis slechter is
Twee effecten stapelen zich op. Het eerste staat in ITU-R P.525, de formule voor verlies in vrije ruimte:
L = 32,4 + 20·log10(f in MHz) + 20·log10(d in km) dB
Hoger in frequentie betekent meer verlies, ook in lege ruimte. Dat zit in de ontvanger: een antenne die in alle richtingen gelijk ontvangt, vangt een oppervlak van λ²/4π op, en bij een kortere golflengte is dat kleiner. Op 1 km afstand is het verlies 89,3 dB bij 700 MHz en 103,3 dB bij 3500 MHz. Dat verschil van 14 dB is een factor 25 minder vermogen. In een echte stad komt daar nog verlies door gebouwen en bomen bij.
Het tweede effect is het gebouw zelf. ITU-R P.2109 geeft een statistisch model voor dat extra verlies, met twee soorten gebouwen: "traditioneel" en "thermisch efficiënt". De laatste groep herkent het model aan gemetalliseerd glas, geïsoleerde spouwmuren en folie in de gevel. Ik heb de formules in Python nagebouwd. De mediaan voor een horizontaal pad:
| Frequentie | Traditioneel | Goed geïsoleerd |
|---|---|---|
| 700 MHz | 14,1 dB | 31,6 dB |
| 1800 MHz | 14,8 dB | 30,6 dB |
| 3500 MHz | 15,7 dB | 30,9 dB |
Tussen 700 en 3500 MHz verandert het gebouwverlies in dit model nauwelijks. Het soort gebouw maakt ruim 15 dB verschil. Het model is niet bedoeld voor één specifiek huis: de ITU noemt de spreiding binnen en tussen gebouwen groot.
Handover: de telefoon meet, het netwerk beslist
Tijdens een verbinding vertelt het netwerk je telefoon welke cellen hij meet en wanneer hij rapporteert. Een van die regels is Event A3 uit TS 38.331: "Neighbour becomes offset better than SpCell". Vereenvoudigd, zonder de offsets per cel:
Mn − Hys > Mp + Off
Mn is de gemeten sterkte van de buurcel, Mp die van je huidige cel, bijvoorbeeld als RSRP in dBm. Off is een marge die de provider kiest. Hys is de hysterese, in te stellen in stappen van 0,5 dB tot 15 dB. De buurcel moet dus duidelijk beter zijn, en dat ook blijven gedurende een timeToTrigger van 0 tot 5120 ms. De voorwaarde om de melding weer in te trekken gebruikt +Hys in plaats van −Hys. Daardoor springt een telefoon op de grens tussen twee cellen niet steeds heen en weer.
Is aan de voorwaarde voldaan, dan stuurt de telefoon een meetrapport. Daarna volgt de procedure uit TS 38.300:
- De huidige gNB besluit tot een handover en vraagt de nieuwe gNB rechtstreeks, zonder kernnetwerk, of er plek is.
- De nieuwe gNB bevestigt.
- De oude gNB stuurt de telefoon een RRCReconfiguration met onder meer het ID van de nieuwe cel en een nieuw tijdelijk adres (C-RNTI).
- De telefoon synchroniseert met de nieuwe cel en meldt zich daar met RRCReconfigurationComplete. Data die nog onderweg was, kan de oude gNB doorsturen naar de nieuwe.
- De nieuwe gNB vraagt het kernnetwerk het datapad om te leggen en laat de oude cel daarna je gegevens vergeten.
In dit basisscenario blijven AMF en UPF dezelfde. Alleen het stuk tussen UPF en mast wordt omgelegd, dus voor de rest van het internet verandert er niets. Zonder actieve verbinding kiest je telefoon zelf een cel; dat heet cell reselection.
Zelf proberen
De twee ITU-formules passen in een kort Python-script. Het rekent het verlies op 1 km uit, in vrije ruimte en met het mediane gebouwverlies erbij:
from math import log10
from statistics import NormalDist
# ITU-R P.2109-2, tabel 1: r s t u v w x y z
COEF = {"traditioneel": (12.64, 3.72, 0.96, 9.6, 2.0, 9.1, -3.0, 4.5, -2.0),
"isolerend": (28.19, -3.00, 8.48, 13.5, 3.8, 27.8, -2.9, 9.4, -2.1)}
def vrije_ruimte(f_mhz, d_km): # ITU-R P.525-5, formule 6
return 32.4 + 20*log10(f_mhz) + 20*log10(d_km)
def gebouw(f_mhz, soort, p=0.5): # ITU-R P.2109-2, horizontaal pad
r, s, t, u, v, w, x, y, z = COEF[soort]
lf = log10(f_mhz / 1000)
q = NormalDist().inv_cdf(p)
a = q*(u + v*lf) + r + s*lf + t*lf**2
b = q*(y + z*lf) + w + x*lf
return 10*log10(10**(a/10) + 10**(b/10) + 10**(-0.3))
print("MHz vrije ruimte 1 km +traditioneel +isolerend")
for f in (700, 1800, 3500):
fs = vrije_ruimte(f, 1)
print(f"{f:<5} {fs:8.1f} dB {fs+gebouw(f,'traditioneel'):13.1f} dB {fs+gebouw(f,'isolerend'):11.1f} dB")
Uitvoer:
MHz vrije ruimte 1 km +traditioneel +isolerend
700 89.3 dB 103.4 dB 120.9 dB
1800 97.5 dB 112.3 dB 128.1 dB
3500 103.3 dB 119.0 dB 134.2 dB
Verander p=0.5 in p=0.9 voor een slechte plek in het gebouw, of vervang de 1 in vrije_ruimte(f, 1) door 0.3 voor een mast om de hoek.
Tot slot
Ik had verwacht dat het gebouwverlies flink zou oplopen met de frequentie. In het ITU-model is het tussen 700 MHz en 3,5 GHz maar 1,6 dB voor een traditioneel gebouw. Het grootste deel van de achterstand van 3,5 GHz ontstaat al buiten, door de kleinere antenne-opening. Een goed geïsoleerd gebouw kost in het model ongeveer evenveel als de hele stap van 700 naar 3500 MHz. Op gelijke afstand heeft een nieuw huis met gemetalliseerd glas op 700 MHz dus een zwakker signaal dan een oud huis op 3,5 GHz.