Wat is een golf?

Hoe werkt het?

Via de antennes kunnen gsm-gebruikers verbinding maken met het netwerk om een ander toestel op te roepen, een bericht te sturen of gegevens te raadplegen.

Om deze informatie (beelden, geluiden, gegevens) te transporteren naar de ontvangende toestellen, genereren de zendantennes een straling: de energie plant zich voort in de vorm van golven.

Zoals golven op het water die informatie verspreiden

Elektromagnetische golven in de lucht zijn onzichtbaar, maar u kunt ze zich proberen voor te stellen als de golven op het wateroppervlak nadat u er een keitje hebt ingegooid. Zodra het keitje het water raakt, ontstaan hoge of minder hoge golven op de plek waar het is terechtgekomen. Deze golven planten zich regelmatig voort aan het wateroppervlak. De golven in de lucht zijn net zo: ze oscilleren een bepaald aantal keren per seconde – dat is hun frequentie, en ze respecteren een bepaald interval tussen twee pieken of dalen van de golf – de golflengte.

De frequentie, uitgedrukt in Hertz (Hz), en de golflengte, uitgedrukt in meter, zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden: hoe hoger de frequentie, hoe korter de golflengte. We nemen een eenvoudige analogie om deze verhouding visueel voor te stellen: stel u voor dat u een lang touw vastmaakt aan een paal en dat u het vrije uiteinde in uw hand houdt. Als u een trage beweging maakt, van boven naar onder, vormt het touw een enkele lange boog, een golfbeweging over een lange afstand. Maar als u sneller beweegt, ziet u een hele reeks kortere golven ontstaan. Aangezien de lengte van het touw niet verandert, kunnen we stellen dat hoe meer golvingen er zijn, hoe dichter ze bij elkaar liggen (kortere golflengte).

Elektromagnetische golven in ons dagelijks leven

Elektromagnetische golven kunnen worden ingedeeld naargelang van hun frequentie. De zeer hoogfrequente golven worden vaak “stralen” genoemd (bv. ultraviolette stralen, X-stralen, gammastralen), aangezien de energiestroom in de ruimte groot is. Voor minder hoge frequenties, wanneer de energieoverdracht lager is, wordt eerder over elektromagnetische straling gesproken.

Ongeveer op de kruising van die twee soorten straling bevindt zich zichtbaar licht.

Welk soort golven zenden de antennes uit?

De golven die worden gebruikt voor mobiele telefonie zijn radiogolven, van hetzelfde type als de golven die worden gebruikt voor tv-signalen en radioprogramma’s, radars en telecommunicatie in het algemeen. De frequenties liggen tussen 100 kHz en 300 GHz.

In het dagelijkse leven kennen wij tal van toepassingen die werken met dit gamma golven. Sommige zijn gewone receptoren, m.a.w. ze zenden geen golven uit, zoals de gps, radiotoestellen of tv-antennes. Andere toestellen ontvangen golven, maar zenden er ook uit, zoals de gsm, de babyfoon, bluetooth of wifi.

Verschillende gsm-frequenties

De antennes van mobiele telefonie zenden het vaakst uit bij frequenties tussen 700 MHz en 3600 MHz.

De meeste moderne gsm’s zijn meerbandig: ze werken op verschillende frequenties, naargelang van het netwerk en de gebruikte dienstverlening. Ze ontvangen en zenden signalen uit op deze frequenties, om een verbinding tot stand te brengen met het dichtstbijzijnde basisstation.

In het frequentiegamma van deze radiogolven is er onvoldoende energie om de structuur van een cel te wijzigen. Daarom wordt deze straling niet-ioniserende straling genoemd: ze kunnen geen ion onttrekken aan de materie, in tegenstelling tot bijvoorbeeld X-stralen, die een frequentie hebben die veel hoger ligt en die deel uitmaken van de ioniserende straling.

Hoewel deze golven de cellen niet rechtstreeks kunnen wijzigen, kunnen ze wel gevolgen hebben voor het lichaam. Het meest gekende is het thermische effect: u hebt vast al opgemerkt dat er warmte vrijkomt wanneer u lang telefoneert met een gsm. Vandaag heeft de wetenschap nog niet met zekerheid kunnen vaststellen of er andere langetermijneffecten zijn voor de gezondheid. Daarom blijven de autoriteiten voorzichtig wanneer ze normen vastleggen.

De elektromagnetische velden

We kunnen ze niet zien, maar we zijn omringd door elektromagnetische velden. Sommige zijn natuurlijk, zoals het elektrisch veld dat zich kan vormen bij onweer, of het magnetisch veld rond de aarde dat de naald van kompassen leidt. Andere worden op kunstmatige wijze gecreëerd door menselijke activiteiten.

Zoals de naam al aangeeft, is een elektromagnetisch veld de combinatie van een elektrisch veld en een magnetisch veld.

Het elektrisch veld ontstaat uit de aanwezigheid van elektrische ladingen. Indien een lamp aangesloten is op een stopcontact, dan hangt er een elektrisch veld rond de lamp, ook als ze uitgeschakeld is. Hoe verder u van de lamp gaat, hoe minder sterk dit veld, vooral als er obstakels zijn, zoals muren. De sterkte van het elektrisch veld wordt gemeten in volt per meter.

Het magnetisch veld is het resultaat van de verplaatsing van de elektrische ladingen, of met andere woorden van de stroom. Wanneer u de lamp aandoet, gaat de stroom door de draad en ontstaat een magnetisch veld. Net als het elektrisch veld verzwakt dit veld naarmate de afstand toeneemt. Gewone materialen kunnen het echter niet tegenhouden. De sterkte van het magnetisch veld wordt gemeten onder invloed van materie. Er word dan gesproken van magnetische fluxdichtheid  die in tesla en micro-tesla word gemeten.

Aangezien het elektrisch veld en het magnetisch veld beide verbonden zijn aan de elektrische lading, werken ze in op elkaar en variëren ze beide in de loop der tijd. Bij hoge frequentie hangt de schommeling van beide velden samen; ze zijn dus onlosmakelijk verbonden. Vandaar de naam “elektromagnetische velden”. 

De elektromagnetische velden planten zich voor in de vorm van golven. Deze voortplanting wordt straling genoemd.

De elektromagnetische velden rond antennes

De elektromagnetische velden planten zich voort vanaf de bron, dus vanaf de antenne.

De sterkte van het elektromagnetisch veld neemt snel af naarmate de afstand tot de antenne toeneemt, net zoals hitte afneemt naarmate men verder van het vuur weggaat.

En aangezien de golven worden uitgezonden door een antenne in de hoogte, in een bijna horizontale bundel in een welbepaalde richting, is de sterkte van het elektromagnetisch veld vrij zwak in de leefruimten vlak onder de antenne. Bovendien is de vermogensdichtheid van een golf omgekeerd evenredig met het kwadraat van  de afstand: indien u uw afstand tot de antenne verdubbelt, verkrijgt u een vermogensdichtheid die vier keer kleiner is. En als u de afstand vertienvoudigt, wordt ze honderd keer kleiner. 

Het elektrische veld (E in V/m) is evenredig met de vierkantswortel van de vermogensdichtheid (P in W/m²): 

Het elektrische veld is dus omgekeerd evenredig met de afstand, zoals hieronder geïllustreerd:

Antennes en netwerk

Het netwerk: een geheel van antennes

Een mobiel telefonienetwerk is onderverdeeld in hexagonale zones, cellen genoemd, wat meteen de naam cellulair netwerk verklaart. In de stad zijn deze cellen verschillende tientallen of zelfs honderden vierkante meters groot, terwijl ze in landelijke omgevingen meerdere vierkante kilometers kunnen dekken.

Midden in elke cel verzendt en ontvangt een antenne signalen om heel de cel te dekken. De verschillende types van antenne onderscheiden zich door de omvang van de cel die ze bestrijken.

Dankzij de antennes kan uw gsm verbinding maken met het netwerk en kunt u telefoneren. De verticale blokjes die meestal op uw scherm staan, naast de naam van uw operator, geven de kwaliteit van de verbinding met het netwerk weer, m.a.w. de kwaliteit van de ontvangst van de signalen.

Wanneer u zich op een plaats bevindt waar er “geen netwerk” is, betekent dit dat er geen basisstation in de buurt is of dat het signaal u niet kan bereiken, bijvoorbeeld omdat u in uw kelder of in een lift zit.

Wat gebeurt er wanneer u iemand opbelt met uw GSM?

Achtereenvolgens doen zich verschillende verrichtingen voor:

• uw gsm maakt verbinding met de dichtstbijzijnde antenne;
• de antenne verbindt de oproep met het algemene netwerk via een basisstationcontroller (BSC);
• de basisstationcontroller leidt de oproep om naar een mobiel schakelcentrum (MSC - Mobile Switch Center);
• indien de oproep betrekking heeft op dezelfde operator, verbindt het MSC de oproep door met de gsm van uw gesprekspartner, langs dezelfde weg maar in omgekeerde richting;
• indien de oproep vereist dat contact wordt gemaakt met een andere operator, worden de gegevens aan een ander netwerk doorgegeven via de PSTN-centrale, die ook verschillende andere diensten levert, zoals voicemail;
• Indien u in beweging bent en de emissiezone van de oorspronkelijke antenne verlaat, gaat uw gsm een andere antenne zoeken, dichter bij, om verbonden te blijven met het netwerk.

Types van antennes

De antennes kunnen worden ingedeeld op basis van de omvang van de cel van het netwerk die ze dekken.

De antennes van het type "macrocel" worden op een voldoende hoge draagstructuur geplaatst, bijvoorbeeld om voor dekking op schaal van een wijk te zorgen. In een stedelijke omgeving staan ze vaak op het dak van een gebouw, op een mast of op een gevel. Doorgaans zijn ze “paneelvormig”. Ze stralen uit in een bepaalde richting, m.a.w. ze zijn directioneel. Ze zenden uit met een vermogen van enkele tientallen Watt.

De antennes van het type "microcel" worden gebruikt in zones met een hoge dichtheid van gebruikers, bijvoorbeeld in een station of een drukke straat, om de capaciteit van het netwerk te verhogen (en overbelasting van het macrocellulaire netwerk te vermijden). Gewoonlijk zijn ze op de gevel van een gebouw aangebracht. Ze kunnen "omnidirectioneel " of "directioneel" zijn.

De antennes van het type "picocel" dekken een kleiner gebied dan de microcellen: een verdieping van een gebouw, een zaal of een metrostation. Ze stralen omnidirectioneel uit, met een zeer laag zendvermogen (enkele honderden milliwatt).

5G: principes en uitdagingen

Wat is 5G?

Momenteel stellen we wereldwijd een exponentiële groei vast van het verbruik van mobiele gegevens. Het toegenomen gebruik van gegevens heeft als gevolg dat de bestaande netwerken onder druk komen te staan en dat operatoren van mobiele telefonie steeds meer frequentiebanden moeten vinden en geoptimaliseerde technologieën moeten gebruiken.

5G is de 5de generatie van mobiele telefoonstandaarden. Het verhoogt de efficiëntie van de netwerken door: 

• de bestaande gegevensverwerkingssoftware en de architectuur van de netwerken te verbeteren,
• een nieuwe, bijzonder brede frequentieband te gebruiken;
• een nieuwe generatie van actieve antennes gebruiken, die in staat zijn om de straling naar de gebruikers te sturen.

Oudere technologieën zullen geleidelijk worden afgeschaft, eerst 3G (tussen 2024 en 2025, naargelang de operatoren) en daarna waarschijnlijk 2G, maar dat zal niet voor 2027 of 2028 zijn, naargelang de operatoren.

Ter illustratie wordt hier een vergelijking gemaakt tussen de prestaties van 4G (lichtblauw, IMT-Advanced) en de efficiëntere prestaties van 5G (donkerblauw, IMT-2020) gemeten door International Mobile Telecom.

Wat zijn de technische ontwikkelingen van 5G?

We kunnen een onderscheid maken tussen de zogenaamde ‘light’ 5G en de 'standaard’ 5G. De eerste bestaat uit een software-upgrade van de emissiesystemen, dat wil zeggen basisstations en antennes, zonder gebruik te maken van de nieuwe frequentiebanden of de technische ontwikkelingen eigen aan 5G, zoals TDD-transmissiecodering en actieve antennes. In die zin verschillen de ‘light’ 5G-antennes niet van 4G-antennes.

1) Transmissiecodering

Actieve antennes: hoe werken ze?

2) Hoe werken actieve antennes?

Actieve antennes, in tegenstelling tot passieve antennes, vormen een nieuwe generatie van antennes. Ze zijn in staat om de straling gericht naar de gebruikers te sturen. Ze zijn ook wel bekend als dynamische antenne of ‘beamforming array’.

De voordelen van actieve antennes:

• Zeer korte blootstellingstijden: van enkele honderden milliseconden tot enkele seconden, afhankelijk van de uitgezonden data. 
• Uniformere straling: de blootstelling zal uniformer worden en zal die van een vaste antenne benaderen zodra het aantal 5G-gebruikers toeneemt. 
  Zodra de antenne niet meer nodig is om gegevens aan de gebruiker te verstrekken, zendt zij slechts een fractie van haar vermogen uit. Ze blijft op zoek gaan naar gebruikers terwijl ze hiervoor de minimaal nodige energie gebruikt, in tegenstelling tot eerdere technologieën (2G-3G-4G) die continu op hogere vermogens uitzenden, zelfs bij gebrek aan gebruikers.

3) De frequentiebanden

Telecommunicatie maakt gebruik van zogenaamde ‘centimetrische’ golven. Dat zijn specifieke onderdelen van het elektromagnetische spectrum. Deze golven wisselen een bepaald aantal keren per seconde: dit is hun frequentie. 

De frequentie, uitgedrukt in Hertz (Hz), en de golflengte, uitgedrukt in meter, zijn onafscheidelijk (zie hoger). 

Frequentiebanden en telecommunicatie

Telecommunicatie maakt gebruik van frequentiebanden die geschikt zijn voor verschillende technologieën:

Merk op dat antennes een of andere technologie kunnen gebruiken naargelang de vraag. Dat noemen we dynamic spectrum sharing (DSS) in tegenstelling tot fixed spectrum sharing (FSS) waarbij twee antennes elk een verschillende technologie uitzenden in dezelfde frequentieband.    

De nieuwe frequenties voor 5G?

5G gebruikt de nieuwe frequentiebanden op 700 MHz en 3600 MHz gebruiken. Uiteindelijk zullen de zogenaamde ‘millimeter’-frequentiebanden het over enkele jaren mogelijk maken om de debieten te verhogen. Bijvoorbeeld de 26.000 MHz- of 26 GHz-band.

De 3600 MHz-band is met name interessant voor telefoonoperatoren omdat deze in vergelijking met andere frequentiebanden relatief breed is (400 MHz) en dus veel gegevens laat circuleren. 

In zekere zin maakt het gebruik van deze banden de buis waar de gegevens doorheen gaan breder. Op dit moment is de bandbreedte voor 2G-3G-4G ongeveer 270 MHz. Met het gebruik van de nieuwe frequentiebanden zal deze bandbreedte ongeveer 640 MHz breed zijn, wat meer dan het dubbele is!

Wat is de rol van het BIPT?

Het BIPT is het Belgisch Instituut voor Post- en Telecommunicatiediensten. 

• Het bepaalt de breedte van een frequentieband. Hoe breder de frequentiebanden, hoe meer mogelijkheden er zijn om gegevens via die banden te verzenden. Die banden zijn te vergelijken met de rijstroken op een snelweg: hoe meer rijstroken, hoe meer voertuigen de snelweg kunnen gebruiken.
• Het regelt de frequentiebanden. Het stelt een ‘frequentieplan’ op. Dit plan bepaalt welk gebruik kan worden gemaakt van elke frequentie en zorgt ervoor dat eventuele interferentie bij het gebruik van deze frequenties wordt beperkt. In 2022 heeft het de frequentiebanden (met name 5G) geveild en vervolgens toegewezen aan operatoren voor mobiele telefonie. 

U kunt het frequentieplan van het BIPT raadplegen.