Nederland is een dichtbevolkt land met een dicht op elkaar gebouwde infrastructuur. Draadloze communicatie is daarbij een veel gebruikte technologie, met als direct gevolg het risico van interferentie en verstoorde connectiviteit. Nu er in sommige segmenten schaarste aan spectrum ontstaat, heeft het Ministerie van Economische Zaken, via Rijksinspectie Digitale Infrastructuur (RDI), tot 1 januari bekend als Agentschap Telecom, en Stratix, nader onderzoek gedaan naar de optie om een spectrumallocatie in specifieke banden dynamisch te maken. RDI is recent een pilot gestart in de 3,8-4,2 GHz frequentieband met ‘Dynamic Spectrum Management & Sharing’.
Hierbij delen gebruikers dezelfde frequentieband, maar op een slimmere manier dan normaal. RDI gebruikt de resultaten in voorstellen voor Europese en Nederlandse regelgeving voor efficiënt spectrumgebruik. RDI voert de pilot uit met de Branchevereniging van Telecom Grootgebruikers (BTG), luchthaven Schiphol en de satellietcommunicatie operator Speedcast in Biddinghuizen. Daarnaast zijn Nokia en het Finse onderzoeksinstituut VTT betrokken. De pilot wordt uitgevoerd in opdracht van de directie Digitale Economie van het ministerie van Economische Zaken en Klimaat (EZK). Het is (voor zover bekend) het eerste praktijkonderzoek in Europa in deze band, waarbij gebruik wordt gemaakt van een terugkoppeling op basis van daadwerkelijk gemeten signaalsterkte. Eerdere studies door het Finse VTT maakten gebruik van berekende signaalsterktes.
Draadloos de standaard
Draadloos communiceren is de defactostandaard. Korte afstanden kunnen probleemloos met bluetooth en NFC overbrugd worden, op kantoren is er WiFi (draadloze ethernet), mobiele operatoren bieden 2G, 3G, 4G en 5G aan en daarnaast zijn er een heel aantal specialistische banden voor communicatie met satellieten, voor militaire doeleinden, radar etc. Sommige delen van het spectrum worden intensief gebruikt en raken overbelast, anderen daar en tegen worden sporadisch ingezet en laten ruimte voor derde partijen. Het is die dynamiek die mogelijk kansen biedt om meer toetreders toegang tot een stuk spectrum te geven.
Delen spectrum biedt kansen
Het delen van radiospectrum op een meer dynamische en slimme manier dan tot nu toe gebruikelijk is, kan een oplossing zijn om voldoende beschikbaarheid van radiospectrum te garanderen en efficiënter gebruik van radiospectrum mogelijk te maken.
Om het een en ander te realiseren zijn verschillende concepten mogelijk. WiFi, Microwave en Bluetooth gebruiken exact hetzelfde niet-gelicenceerde ISM-spectrum (industrial, scientific and medical) om naast elkaar te bestaan. Deze combinatie van gebruikers is mogelijk door technologische keuzes bij het ontwerpen van het protocol. Voor grootschalige toepassingen zijn wereldwijd tal van potentiële oplossingen ontwikkeld. Zo is er een optie om te kiezen voor ‘spectrum sensing’ in combinatie met een reserveringsmechanisme in combinatie met een centrale database. Bij een dergelijke aanpak kan bestaande hardware gebruikt blijven worden. Gebruikers kunnen dan spectrum voor hun toepassing inzetten als daar op basis van tijd en locatie ruimte voor gegeven wordt. De database die daarvoor geraadpleegd moet worden is de administratie. Contractueel kunnen de prioriteiten tussen gebruikers vastgelegd worden. Zo zou het mogelijk kunnen zijn dat hulpverleners extra spectrum kunnen claimen in het geval van een calamiteit. De rest van de tijd kunnen andere partijen zo’n spectrum gebruiken. De centrale database heeft de opdracht dit te faciliteren door inzichtelijk te maken wie wanneer en waar een specifiek deel van het spectrum gebruikt en mag gebruiken. Enerzijds is dit een optie bij calamiteiten waar met prioriteit spectrum wordt vrijgemaakt, maar andere interessantere toepassingen zijn ook festivals en evenementen die behoefte hebben aan een eigen netwerk. Hier is het gebruik en de behoefte te plannen. Een intensieve samenwerking en onderling vertrouwen is bij dit concept cruciaal.
Voorbeelden van zo’n concept
Als hiermee een proef gedaan moet worden is dat volgens de onderzoekers niet al te complex, omdat vergelijkbare ideeën al uitgewerkt zijn bij de Citizen Broadband Radio Service (CBRS) die in de Verenigde Staten is ontwikkeld. Volgens de onderzoekers is het voor dit doel interessante spectrum in Nederland te vinden in de DVB-T2 band, de 3.8-4.2 GHz band en de 6 GHz band, maar mogelijkerwijs ook enkele bestaande radarbanden en de toekomstige 26 GHz band voor mobiel netwerken.
Als op termijn de regelgever delen van spectra vrijgeeft voor privaat gebruik, is dynamische toewijzing een hulpmiddel om meerdere bedrijven dat spectrum te gunnen. Een bundel die op de Maasvlakte voor een privaat netwerk wordt uitgegeven en daar een hotspot vormt, kan dankzij de propagatie demping en een goed management in de nabijheid al weer hergebruikt worden. Het is ook mogelijk om qua tijd te differentiëren. Hotspots die overdag veel verkeer hebben zijn in de nachtelijke uren mogelijk minder belast. Dan kunnen andere partijen met het spectrum aan de slag gaan. De mogelijkheden daartoe zijn afhankelijk van frequentie, antennedesign en propagatie eigenschappen. Door het systeem slim te configureren is hergebruik van spectrum op kortere afstand mogelijk en afhankelijk te maken van de gebruiksbehoefte bij de licentiehouders. Voor potentiële pilots, trials of proof-of-concepts in Nederland van toepassingen op het gebied van het dynamisch delen van spectrum, beveelt de studie aan om te focussen op ‘spectrum hot spot’ gebieden, waar veel verschillende organisaties of gebruikers het radiospectrum intensief gebruiken en waar een lokale oplossing voordelen kan bieden voor meerdere partijen.
De mogelijkheden
De onderzoekers hebben met een grafiek de mogelijkheden van sharing visueel inzichtelijk gemaakt (zie kader). Er wordt uitgegaan van permanente hotspots waaronder Schiphol en de Rotterdamse haven en er zijn tijdelijke hotspots zoals festivals en grote publiekstrekkers waaronder Sail Amsterdam en de Uitmarkt. Voor potentiële pilots, trials of proof-of-concepts in Nederland op het gebied van het dynamisch delen van spectrum, beveelt de studie aan om te focussen op ‘spectrum hot spot’ gebieden, waar veel verschillende organisaties of gebruikers het radiospectrum intensief gebruiken en waar een lokale oplossing voordelen kan bieden voor meerdere partijen. De daarbij noodzakelijke afspraken, regels of standaarden verschillen per oplossingsrichting die gebruikt wordt om spectrum dynamisch te delen. Hoewel er werkbare voorbeelden bestaan voor dergelijke afspraken is het voor het opbouwen van een goede communicatie en vooral vertrouwen tussen de (primaire en secundaire) gebruikers nodig om veel energie te steken in intensieve samenwerking tussen de relevante stakeholders en de discussies daartussen goed te begeleiden zodat we deze voorbeelden in Nederland succesvol kunnen demonstreren. De reden: in situaties waar spectrum schaars is willen primaire gebruikers niet graag experimenteren met het delen van hun schaarse spectrum, terwijl in situaties waar spectrum niet schaars is een pilot potentieel niet of nauwelijks de voordelen van dynamisch delen van spectrum aantoont.
Uitdaging
Het was behoorlijk uitdagend om een niet missiekritische of bedrijfskritische use case te vinden die gebruikt kan worden in een pilot van enige schaal om de voordelen van het delen van radiospectrum te demonstreren: in situaties waar spectrum schaars is willen primaire gebruikers niet graag experimenteren met het delen van hun schaarse spectrum, terwijl in situaties waar spectrum niet schaars is een pilot potentieel niet of nauwelijks de voordelen van dynamisch delen van spectrum aantoont.
Overtuigingskracht is hier nodig. Want het concept van dynamische spectrumdeling kan ook bij deze toepassingen zijn waarde bewijzen. Als spectrum wordt gedeeld met andere gebruikers dan kan er in geval van calamiteiten, dus gedurende noodsituaties extra spectrum, dus capaciteit, bijgeschakeld worden.
Praktijktest
De pilot wordt uitgevoerd rond een praktijktoepassing op de luchthaven in Amstelveen, omdat deze locatie dicht genoeg bij het satellietgrondstation ligt (zo’n 60 km) waardoor er zekerheid is dat er zonder ingrijpen soms verstoringen kunnen ontstaan. Het plan omvat de uitrol van een privaat lokaal 5G SA-netwerk op het luchthaventerrein. Hierbij gaat spectrum voor 5G-communicatie gebruiken dat primair is toegewezen aan satellietgebruik en wordt gebruikt door het satellietgrondstation in Biddinghuizen. Dit primaire gebruik mag onder geen beding operationele hinder gaan ondervinden door co-channel interferenties en andere verstoringen als gevolg van het naburige hergebruik. Op het luchthaventerrein wil men het 5G-netwerk voor twee specifiek benoemde usecases gaan gebruiken. De nu gedefinieerde toepassingen zijn: een draadloos toegangsbeheer met camerabewaking en bediening en ook de draadloze distributie van videobeelden vanaf brandweervoertuigen tijdens een uitruk bij een calamiteit.De pilot moet kennis opleveren voor de optimalisatie van de infrastructuur. Daartoe wordt door Nokia een 5G-radionetwerk met netwerkcomponenten, zoals een basisstation, geïnstalleerd. In Biddinghuizen komt een speciaal ontworpen installatie van Agentschap Telecom voor de meting van signaalniveau’s in relatie tot het stoorpotentieel.
Frank Bodewes, specialist innovatie bij het Agentschap Telecom, die bij deze pilot betrokken is, zie hierover eerder tegenover BTG Magazine: ”Het probleem met het gebruikte spectrum is dat er vooral ’s avonds en ’s ochtends, zogenaamde atmosferische ducting gaat optreden. Hierbij ontstaan er spontaan, onder invloed van wisselende atmosferische condities, transmissiekanalen met een veel betere propagatie (tot in sommige gevallen 80 dB) waardoor de signalen veel verder reiken dan verwacht. Wanneer dit gebeurt, is (nog niet) goed voorspelbaar want de juiste modellen ontbreken nog. Wat we wel weten is dat dit slechts een heel beperkt deel van de tijd speelt (tienden van procenten), dus het grootste gedeelte van de tijd hebben we geen problemen. Je zou kunnen zeggen dat we nu aan overbescherming doen. Met DSMS pakken we de kans om daar efficiënter mee om te gaan.”
De mogelijkheid van delen per categorie
Spectrum kan op verschillende manieren toegewezen worden, hier ingedeeld tussen 0 en 4. Bij level 0 is het exclusief spectrum in het bezit van een gelicenceerde aanbieder. Bij 4b (de ISM-band) is het zendniveau zo laag dat gebruikers naast elkaar kunnen bestaan en er enkel een technische specificatie van toepassing hoeft te zijn. Beide gebieden vallen buiten de scope van het onderzoek. De vijf niveaus in de piramide komen overeen met de definities van het Wireless Innovation Forum (WInnForum) over het beleid voor spectrumdeling: niveau 0 – exclusief gebruik van spectrum, en niveau 4B – zuivere spectrumdeling zonder vergunning. Het onderzoek spitst zich toe op technologieën die spectrumdeling mogelijk maken tussen gelicenceerd en vergunningsvrij gebruik, satelliet en terrestrisch, primaire (gevestigde) en secundaire vergunninghouders, alsook het naar eigen inzicht gebruiken van ongebruikt spectrum. In de regeling van het WInnForum-regeling zitten die vooral op niveau 2, niveau 3 en niveau 4A.
