5G: ruim 2 keer zo veel energieverbruik en 5 keer zo veel masten als 4G
Als het om mobiel internet gaat, willen we meer, sneller en beter. 5G, dat momenteel wordt ontwikkeld, moet daarvoor zorgen. Maar het stroomgebruik dat ermee gepaard gaat is enorm. Hoe kunnen we dat binnen de perken houden?
Dit artikel verscheen bij OneWorld
De meeste telecombedrijven hebben het al groots aangekondigd: 5G, de nieuwe generatie mobiel internet, is in ontwikkeling en doet naar verwachting vanaf 2021 haar intrede. Met 5G zullen allerlei nieuwe toepassingen mogelijk worden, zoals zelfrijdende auto’s of mobiel gamen op afstand. De opvolger van het huidige 4G-netwerk zal zo’n honderd keer sneller zijn, ongeveer zo snel als glasvezel, en er kunnen veel meer apparaten tegelijk op worden aangesloten zonder dat het netwerk overbelast raakt.
Tegelijkertijd zijn er veel meer zendstations nodig, en zal het energieverbruik ruim verdubbelen als 5G eenmaal in gebruik is. In de stroom van ambitieuze plannen van ontwikkelaars en telecombedrijven om 5G-netwerken uit te rollen, horen we weinig zorgen over het hoge toekomstige energieverbruik. Toch is die zorg er ook bij technologie-ontwikkelaars en telecombedrijven wel degelijk.
Nieuwe diensten: meer, sneller, beter
De komende jaren zullen talloze nieuwe diensten worden ontwikkeld, en al die nieuwe toepassingen zorgen voor enorme hoeveelheden gegevens die verstuurd en verwerkt moeten worden. Smart cities zullen vol komen te staan met afvalcontainers die zelf aangeven wanneer ze vol zijn (zoals in Den Haag in ontwikkeling is met T-Mobile) of lantaarnpalen die pas aangaan als er verkeer aankomt. Met gezondheid- en fitnesstrackers kun je straks je hartslag bijhouden, gezondheid meten of zorg op afstand creëren (zoals operaties op afstand uitvoeren of diagnoses stellen in rijdende ambulances, een pilot waar Philips, Vodafone en TU Eindhoven aan werken). Maar ook films kijken en gamen op groot scherm, in 3D en ultrascherp beeld of zelfs als hologram, behoren binnenkort tot de mogelijkheden.
De 5G-netwerken zullen 150 tot 170 procent méér stroom verbruiken dan 4G-netwerken
Praten over al die mogelijke toepassingen van 5G maakt bijna iedereen enthousiast. Maar er zijn ook zorgen over de impact die de uitrol van 5G-netwerken zal hebben: er zullen bijna vijf keer zoveel zendmasten nodig zijn (wel kleinere dan de huidige grote masten) en naar schatting 150 tot 170 procent méér stroomverbruik, dus ruim een verdubbeling ten opzichte van de huidige 4G-netwerken. Ook zal er overal in de steden gegraven moeten worden: de zendmasten zijn onderling verbonden met een glasvezelnetwerk om het enorme dataverkeer te kunnen verwerken.
En dat is alleen nog het energieverbruik van het mobiele netwerk: ook alle apparaten die 5G ingebouwd zullen hebben, verbruiken straks meer stroom. Zo zal je smartphone een nog grotere accu krijgen. De capaciteit van de smartphone is de afgelopen tien jaar al verdubbeld – je merkt dit verdubbelde energieverbruik alleen amper omdat er een grotere batterij inzit die je ‘s nachts oplaadt.
Een flink hoger energieverbruik
Het aanzienlijk hogere energieverbruik van de nieuwe generatie mobiele apparatuur en diensten te verklaren:
- we gaan veel meer data gebruiken en versturen. Hoe meer data, hoe meer energie: in een mobiel netwerk worden data-pakketjes en gesprekken verzonden als energie, tussen zendmasten onderling en tussen je smartphone en de zendmasten.
- We willen sneller internet, met betere kwaliteit en meer informatiedichtheid – om op je tablet te gamen of een serie te kijken in HD, terwijl je in de trein zit bijvoorbeeld. Hoe sneller, hoe meer energie het internet kost. Door de frequentie van het netwerk te verhogen, ofwel door meer trillingen per seconde te versturen, kun je gegevens sneller heen en weer zenden: met elke ‘trilling’ worden data verzonden.
- We willen ook razendsnelle reactietijden. En snellere reactietijden betekenen meer energie: om nieuwe chatberichten binnen te halen terwijl je aan het typen bent bijvoorbeeld, moeten computer en netwerk voortdurend ‘aan staan’ en controleren of er iets nieuws gebeurt. In plaats van handmatig of slechts één keer per uur te checken op nieuwe berichten, of op nieuwe wifi-netwerken of zendmasten in de omgeving. Snelle reactietijden zijn essentieel voor nieuwe toepassingen als zelfrijdende auto’s – waar een fractie van een seconde het verschil tussen leven en dood kan uitmaken.
- Tot slot willen we slimmere toepassingen. Hoe intelligenter en complexer, hoe meer energie die kosten: voor het uitvoeren van berekeningen zijn computers en algoritmen nodig en die gebruiken een heleboel energie. Lees ook: Hoe de carbon footprint van kunstmatige intelligentie kan worden gereduceerd.
Het verhaal is in de praktijk complexer: het energievebruik van het netwerk, de apparatuur en datacenters wordt bepaald door allerlei factoren zoals hoe vaak er geschakeld moet worden, hoeveel masten, afstand tot de masten, koeling, e.d. Het is daarom niet lineair evenredig met de hoeveelheid data over het netwerk. De energie-efficiency van veel onderdelen is de afgelopen jaren verbeterd. Het totale energieverbruik van het KPN-netwerk nam daardoor zelfs af met ruim 10% in 10 jaar. VodafoneZiggo wil de komende jaren haar netwerk jaarlijks 2% energie-efficiënter maken. Intelligente software kan ook helpen energie te besparen door processen te optimaliseren of bijvoorbeeld in slaapstand te gaan tot er activiteit wordt gedetecteerd.
Toch is er per saldo (netwerk + apparatuur + vooral de nieuwe diensten) nog steeds sprake van groei (en in de verre toekomst een mindere daling) omdat we meer en langer gebruikmaken van draadloze diensten en steeds meer apparaten beschikken over netwerkconnectiviteit. Kijk je naar milieubelasting dan is het minstens zo relevant om naar de telecomapparatuur en smartphones en de gebruikte materialen te kijken. Er is toenemende aandacht voor recycling en refurbishing.
Energiebesparende technieken
Vooralsnog lag bij de ontwikkeling van 5G vooral de nadruk op betere prestaties en nieuwe mogelijkheden, maar intussen is er steeds meer aandacht voor efficiënter energiegebruik. Sommige technologiebedrijven willen dit als een aparte dienst gaan aanbieden: Energy Saving as a Service (ESaaS).
Antenne-ontwerp
Zo worden er slimme antennes en zendstations ontwikkeld, die data energiezuinig over en weer kunnen sturen. Dit doen ze door de straling van het netwerk tussen verschillende zendmasten gebundeld te versturen. Zonder te bundelen wordt energie in alle richtingen uitgezonden om de data te versturen en zou je tot wel honderd keer zoveel energie nodig hebben.
Edge computing
Het totale energieverbruik van het netwerk wordt geminimaliseerd door slim te kijken naar hóe je de data en de berekeningen over het netwerk verdeelt: voer je berekeningen uit op een apparaat, in het lokale mobiele netwerk in de omgeving van het apparaat (van zendmasten en zendstations) of in het achterliggende netwerk van glasvezelverbindingen, wereldwijd internet en supercomputers, dus: in de cloud?
Een voorbeeld: voor gezichtsherkenning bij een foto is veel rekenkracht nodig. Bij de betere en duurste smartphones vindt die gezichtsherkenning ín de smartphone plaats, met een ingebouwde computerchip. Het stroomverbruik komt dan voor rekening van het apparaat, in het netwerk wordt hiervoor geen stroom gebruikt.
Maar het kan ook anders: een Google Chrome-laptop of een homepod zoals Amazon Echo haalt zijn rekenkracht uit de cloud. Het apparaat verstuurt eerst (veel) data via het lokale netwerk naar de cloud, waar de berekening plaatsvindt op een supercomputer van Google, IBM of Amazon; vervolgens wordt het resultaat (de herkenning van een gezicht, het antwoord op de vraag) teruggestuurd naar het apparaat. Dit belast het hele netwerk (lokaal+internet) veel meer maar kost weinig energie in het apparaat.
Experts verwachten dat met de opkomst van 5G berekeningen steeds vaker uitgevoerd zullen worden in de lokale apparaten en de zendmasten, dus technisch gezien aan de ‘randen’ van het netwerk. Daarom wordt dit edge computing genoemd – in tegenstelling tot cloud computing. Het totale internet kan dan worden ontlast, de reactiesnelheden kunnen omhoog; er is wereldwijd minder dataverkeer en dus minder energie nodig.
Gecombineerde energie- en data-infrastructuren
Bij het lokaal verwerken van berekeningen komt ook de vraag op over lokale energie-opwekking. Bij de aanleg van 5G-netwerken zal steeds vaker gezocht worden naar combinaties van lokale energieopwekking in de wijk, bijvoorbeeld met zonnepanelen, die direct gebruikt kan worden door de zendstations. In gemeenten wordt veel verwacht van lantaarnpalen (die zijn immers al aangesloten op het energienetwerk) als locatie voor 5G-zendstations.
Alternatieven voor 5G
Ondanks dat ontwikkelaars inzetten op het beperken van de toename van het energieverbruik, lijkt (tenminste) een verdubbeling van het energieverbruik ten opzichte van nu onvermijdbaar. En wat te denken van de vele zendmasten die geïnstalleerd moeten worden?
Dit werpt de vraag op of er ook alternatieven zijn. Combinaties van netwerken zijn zeker mogelijk. Voorlopig kunnen nog voldoende Netflixen en chatten met 4G. Voor een volle vuilnisbak volstaat een sensor die energie uit de omgeving kan halen en eens per dag rapport uitbrengt. (Zie o.a. dit artikel over draadloze sensoren) Er zijn veel heel energiezuinige netwerktechnologieën voor dit soort sensoren en apparaten die weinig data hoeven te versturen of heel af en toe (zoals LoraWan, Zigbee).
De hele IT-industrie heeft de hoop voor nieuwe diensten en inkomsten op 5G gevestigd
Om echter een toekomst waar te kunnen maken van slimme steden, zelfrijdende auto’s, operaties op afstand, robots en 3D- of holografische gaming, is 5G onmisbaar. De hele IT-industrie heeft de hoop voor nieuwe diensten en inkomsten op 5G gevestigd. Dat ondanks besparende technieken het energieverbruik veel hoger zal zijn, en dat bovendien de maatschappelijke weerstand tegen de vele extra zendmasten (en bijbehorende discussie over de straling) kan toenemen, lijkt de plannen voor verdere uitrol van 5G vooralsnog niet in de weg te staan.
Dit artikel verscheen ook bij de Vlaamse website MO Magazine
Wisdom of the crowd 