Doorvoersnelheid: waarom een snelle verbinding niet altijd snel aanvoelt
Stel je een waterleiding voor die dik genoeg is om duizend liter per minuut door te laten. Dat is de theoretische capaciteit. Maar als de kraan aan het eind maar half opendraait, of als er ergens een bocht in de leiding zit die het water vertraagt, stroomt er in de praktijk veel minder water doorheen. Doorvoersnelheid, in het Engels throughput, is precies dat: niet hoeveel data een netwerk in theorie kan verwerken, maar hoeveel data er werkelijk per seconde aankomt.
Dit onderscheid duikt steeds vaker op in nieuwsberichten over 5G, satellietinternet, datacenters en toekomstige 6G-netwerken. Een provider adverteert bijvoorbeeld met "tot 1 gigabit per seconde", maar de doorvoersnelheid die je thuis daadwerkelijk haalt, ligt vaak flink lager. Dat verschil tussen belofte en praktijk is een van de belangrijkste technische uitdagingen in de wereld van telecommunicatie en datanetwerken, en het bepaalt mede hoe snel toekomsttechnologie zoals zelfrijdende auto's, videobellen in hoge resolutie of kunstmatige intelligentie in de praktijk kan functioneren.
Wat is het precies?
Elk digitaal netwerk, van je thuiswifi tot een glasvezelkabel onder de Atlantische Oceaan, heeft een bepaalde bandbreedte: de maximale hoeveelheid data die de verbinding in theorie per seconde kan vervoeren, meestal uitgedrukt in megabit per seconde (Mbps), gigabit per seconde (Gbps) of, bij de allersnelste verbindingen, terabit per seconde (Tbps). De doorvoersnelheid is wat er van die theoretische capaciteit in de praktijk overblijft.
Meerdere factoren knagen aan dat verschil. Ten eerste is er overhead: elk datapakketje dat over het internet reist, bevat naast de eigenlijke inhoud ook technische informatie zoals afzender- en ontvangeradres. Die "envelop" kost ruimte die niet voor de eigenlijke data beschikbaar is.
Ten tweede speelt latentie een rol, de tijd die een signaal nodig heeft om van zender naar ontvanger te reizen en weer terug. Bij een hoge latentie moet een verbinding vaak wachten op bevestigingen voordat er nieuwe data verstuurd wordt, wat de effectieve snelheid drukt, ook als de kabel zelf een enorme capaciteit heeft.
Ten derde is er congestie: net als een snelweg die dichtslibt tijdens de spits, raakt een netwerk overbelast als te veel gebruikers tegelijk data versturen. Routers en switches, de "verkeersknooppunten" van het internet, kunnen dan pakketjes kwijtraken, die vervolgens opnieuw verstuurd moeten worden. En ten slotte bepaalt ook de zwakste schakel in de keten, bijvoorbeeld een verouderde router thuis of een overbelaste zendmast, hoeveel er uiteindelijk doorkomt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het verhogen van doorvoersnelheid is geen doel op zich, het is een randvoorwaarde voor bijna alle technologie die we associëren met de toekomst. Streamen in 4K of 8K-videokwaliteit, cloudgaming waarbij een game op een verre server draait en het beeld naar je scherm gestuurd wordt, en videobellen in virtual reality vereisen allemaal een stabiele, hoge doorvoersnelheid, niet alleen af en toe een piekje.
Ook achter de schermen wordt doorvoersnelheid steeds belangrijker. Datacenters die kunstmatige-intelligentiemodellen trainen, moeten enorme hoeveelheden data tussen duizenden processoren heen en weer sturen; een trager netwerk betekent direct een tragere en duurdere training. Wetenschappelijke instellingen zoals CERN, waar deeltjesversnellers per experiment petabytes aan meetdata produceren, zijn afhankelijk van netwerken die dat volume razendsnel naar onderzoekers wereldwijd kunnen doorsturen.
Voor toekomstige toepassingen zoals zelfrijdende auto's die voortdurend gegevens uitwisselen met andere voertuigen en verkeersinfrastructuur, of chirurgen die op afstand een robot besturen tijdens een operatie, is niet alleen een hoge doorvoersnelheid nodig, maar ook een betrouwbare, want vertraging of een haperende verbinding kan daar letterlijk gevaarlijk zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
De uitrol van 5G is het meest zichtbare voorbeeld. De internationale telecomstandaardisatie-organisatie ITU stelde voor 5G (onder de noemer IMT-2020) een theoretische piekdatasnelheid van 20 Gbit/s downlink voorop. In de praktijk, zo laten metingen van dienstverleners als Ookla en Opensignal in de vroege en midden jaren twintig herhaaldelijk zien, halen gebruikers gemiddeld een fractie daarvan: doorgaans enkele honderden megabits per seconde, sterk afhankelijk van land, drukte en afstand tot de zendmast.
In de glasvezelwereld breekt het Japanse onderzoeksinstituut NICT (National Institute of Information and Communications Technology) regelmatig snelheidsrecords. Met experimentele glasvezels die meerdere lichtkernen in één kabel bundelen (multicore-vezels), toonden NICT-onderzoekers in de vroege jaren twintig aan dat doorvoersnelheden ver boven de petabit per seconde, dat is duizend keer een terabit, over lange afstanden mogelijk zijn. Dat is puur laboratoriumwerk: dergelijke vezels liggen niet in de grond onder gewone straten.
Grote techbedrijven zoals Meta, Google en Microsoft zijn ondertussen bezig hun datacenters uit te rusten met steeds snellere interne netwerkverbindingen. Waar 400 Gigabit Ethernet lange tijd de norm was in grote datacenters, is de sector de afgelopen jaren overgestapt op 800 Gigabit Ethernet, mede gedreven door de datahonger van AI-training.
Op het gebied van satellietinternet laat Starlink van SpaceX zien hoe doorvoersnelheid in de praktijk kan verbeteren naarmate een netwerk volwassener wordt: waar gebruikers bij de lancering van de dienst rond 2021 vaak enkele tientallen Mbps haalden, rapporteren onafhankelijke metingen inmiddels doorgaans snelheden van meerdere honderden Mbps, afhankelijk van drukte in het gebied en het gekozen abonnement.
Tot slot investeren wetenschappelijke netwerken zoals het Amerikaanse ESnet (Energy Sciences Network), dat onder meer CERN-data naar onderzoekers in de VS transporteert, voortdurend in hogere capaciteit, met upgrades naar netwerken die op meerdere plekken 400 Gbps-verbindingen bieden om de groeiende datastromen uit de wetenschap te kunnen verwerken.
Hoe ver is de techniek?
Doorvoersnelheid ontwikkelt zich op twee heel verschillende snelheden. In laboratoria worden met specialistische, dure apparatuur en experimentele glasvezels al langer duizelingwekkende snelheden gehaald. Maar het gewone, dagelijkse internet dat consumenten en bedrijven gebruiken, loopt daar ver op achter, simpelweg omdat het onbetaalbaar en onpraktisch zou zijn om elke straat te voorzien van laboratoriumvezel.
5G is inmiddels breed uitgerold in veel landen, maar de daadwerkelijke doorvoersnelheid die gebruikers ervaren varieert enorm, van dicht bij de beloofde topsnelheden in dichtbevolkte stedelijke gebieden met veel zendmasten, tot nauwelijks beter dan 4G op het platteland. De opvolger, 6G, bevindt zich nog volledig in de onderzoeksfase. De internationale standaardisatie-organisatie 3GPP werkt naar verwachting rond 2027-2028 een eerste formele 6G-standaard uit, met een commerciële lancering die door de sector vaak rond 2030 wordt genoemd. Dat zijn richtdata, geen garanties: eerdere generaties zoals 5G kenden ook vertragingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning.
De belangrijkste obstakels zijn niet alleen technisch. Fysieke grenzen aan hoeveel data licht of radiogolven kunnen dragen spelen een rol, maar minstens zo beperkend zijn de kosten van het vervangen van bestaande infrastructuur, de beschikbaarheid van radiospectrum, en het energieverbruik van steeds snellere netwerkapparatuur, dat bij hyperscale datacenters inmiddels een serieus aandachtspunt is geworden.
Wie werken eraan?
Op het gebied van mobiele netwerken zijn Ericsson, Nokia, Huawei, Samsung en chipmaker Qualcomm de belangrijkste industriële spelers die apparatuur en standaarden voor 5G en 6G ontwikkelen, onder de vlag van de internationale standaardisatie-organisatie 3GPP en met richtlijnen van de ITU.
In de glasvezeltechnologie loopt Japan met het onderzoeksinstituut NICT voorop wat betreft snelheidsrecords, terwijl ook Europese onderzoeksgroepen, zoals die aan de Technische Universiteit van Denemarken (DTU Fotonik), regelmatig bijdragen aan het vakgebied.
Voor datacenter- en internetinfrastructuur zijn de Amerikaanse techreuzen Google, Meta, Microsoft en Amazon grote investeerders, onder meer in eigen onderzeese datakabels en steeds snellere interne netwerken, terwijl de standaardisatie van Ethernet-snelheden bij het Amerikaanse ingenieursverbond IEEE ligt. Voor satellietinternet is SpaceX met Starlink de grootste speler, met opkomende concurrenten zoals Amazon's Project Kuiper. In de wetenschap ten slotte zorgen instellingen als CERN en netwerken als ESnet in de Verenigde Staten voor de doorvoercapaciteit die grootschalig wetenschappelijk onderzoek mogelijk maakt.