Anritsu Corporation
Avtor: Brian Davis
Naprave interneta stvari so postale prisotne praktično povsod in uporabljajo številne, predvsem ozkopasovne tehnike povezovanja. S prihodom 5G omrežja narašča potreba po protokolu interneta stvari, ki bi izkoristil njegove zmogljivosti.
To je razlog za razvoj RedCap (angl. Reduced Capability, zmanjšana zmogljivost) sistema. RedCap je brezžična 3GPP IoT specifikacija, ki je zasnovana za reševanje večjega števila splošnih in posebnih primerov uporabe za 5G NR. Sedanje stanje RedCap je mogoče pripisati večjemu številu zahtev v industriji, ki so dosegle vrhunec zaradi številnih in prekrivajočih se zahtev iz primerov uporabe in vertikal interneta stvari.
3GPP 5G NR Release 15 (Rel-15) je bil zasnovan predvsem za reševanje primerov uporabe, ki zahtevajo nižje zakasnitve, višje najvišje hitrosti prenosa podatkov in izjemno zanesljivost v primerjavi s starejšimi 4G brezžičnimi omrežji. Temu je sledila različica 5G NR Rel-16, ki je dodala časovno občutljivo omrežje (TSN) ter nadaljnje izboljšave specifikacij 3GPP za zanesljivost in zakasnitve.
Ti dve izdaji sta bili zelo koristni za primere uporabe interneta stvari, vendar se še vedno nista dovolj približali že obstoječim 4G 3GPP Rel-13 in 14 specifikacijam, ki obravnavajo energetsko učinkovitost, pokritost in nižje stroške naprav. Obstajala je jasna potreba po protokolu, ki bi omogočal primere uporabe, ki vključujejo časovno občutljive komunikacije (angl. Time Sensitive Communications, TSC) in ki bi lahko izkoristile prednosti učinkovitosti in stroškov pri 4G ter zanesljivosti in zakasnitve pri 5G.
Rezultat je bil RedCap, ki je bil junija 2022 uradno sprejet v specifikacije 3GPP.
Zakaj operaterji potrebujejo RedCap
Obstaja kar nekaj razlogov zakaj operaterji potrebujejo RedCap.
Čeprav se 5G omrežja uvajajo po vsem svetu, niso vsa enaka. Obstajata dve različni vrsti: samostojna (SA) in nesamostojna (NSA). SA omrežja se v celoti zanašajo na 3GPP 5G specifikacije za vso opremo naprav in infrastrukture, medtem ko se NSA omrežja zanašajo na 3GPP 4G in 5G specifikacije.
To pomeni, da so naprave, ki uporabljajo samo SA (angl. SA only) posebej zasnovane za 5G omrežja in ne podpirajo 4G tehnologij, kot sta LTE-M in NB-IoT. To je lahko težava za operaterje zgolj 5G omrežij, ki ne podpirajo starejših 4G naprav.
Da je naprava skladna s 5G specifikacijami, mora izpolnjevati minimalne zahteve, ki vključujejo 100 MHz pasovne širine in štiri sprejemne antene. To je veliko večja zmogljivost, kot jo potrebujejo številni primeri uporabe interneta stvari – zaradi povečanih potreb po energiji te zahteve napravam onemogočajo uporabo v širokopasovnih omrežjih z nizko porabo energije (LPWA). Te minimalne zahteve za 5G naprave veljajo za SA in NSA omrežja.
RedCap omogoča prehod s 4G na 5G, saj se spekter seli v nove pasove, in zapolnjuje vrzel med 4G IoT in 5G NR tehnologijami.
Prednosti RedCap
Glavne prednosti sistema RedCap so novi primeri uporabe, ki omogočajo razvoj stroškovno učinkovitih naprav. Industrija zahteva tri začetne primere uporabe interneta stvari 3GPP Rel-17: industrijski brezžični senzorji, video nadzor in nosljive naprave. Vsak od njih ima nekoliko drugačne zahteve glede hitrosti prenosa podatkov, latence, zanesljivosti in življenjske dobe baterije, kot je prikazano v tabeli 1.
Ker so tehnične zmogljivosti naprav, ki temeljijo na RedCap tehnologiji, nižje od zmogljivosti 5G pametnih telefonov, lahko uporabljajo manj zapletena vezja zasnove modemov in VF vezij, kar zmanjšuje stroške, porabo energije in velikost naprave.
Manj zapletena brezžična strojna oprema v napravah pomeni preprostejšo arhitekturo modemov in VF vhodnih vezij, manjše število anten in manjši MIMO pa omogočata nižje stroške naprav. Manj duplekserjev, ojačevalnikov in filtrov lahko prav tako močno poenostavi število komponent v RedCap napravah.
Zaradi manjših zahtev glede strojne opreme in nižjih stroškov lahko v naslednjih nekaj letih pričakujemo številne nove 5G naprave in primere uporabe, morda pa bodo na voljo celo veliko cenejši 5G pametni telefoni, ki bodo temeljili na RedCap tehnologiji.
RedCap v primerjavi s 5G in LTE
V tabeli 2, ki prikazuje, kako RedCap zmanjšuje kompleksnost naprav in zahtevane funkcije, si lahko ogledamo, kako se RedCap zahteve primerjajo z minimalnimi 5G UE in LTE zahtevami.
Med najpomembnejšimi točkami so:
Pasovna širina
Z največ 20 MHz v FR1 in 100 MHz v FR2 bo dosežena manjša poraba energije in nižji stroški komponent, vendar ne bodo dosežene enako visoke hitrosti prenosa podatkov kot pri NR napravah.
Razporeditve
SA omrežja so edina, ki jih podpirajo RedCap naprave. To pomeni, da ni 2G/3G/4G povezljivosti, ki bi zahtevala zapleteno VF vezje, kar zmanjšuje porabo energije in velikost vezja.
Pametni NR telefoni morajo za globalno uporabo običajno podpirati več deset frekvenčnih pasov. RedCap naprave bodo zasnovane za posebne primere uporabe, ki so lahko tudi nameščene na stacionarnih lokacijah.
Vendar pa sta ti dve točki lahko pomanjkljivost, dokler se uporaba SA omrežja ne razširi. Inherentne zmogljivosti NR, kot je razmik pod nosilcem (Sub- Carrier Spacing – SCS), zmanjšujejo latenco.
Antene
V RedCap naprave je mogoče vgraditi do dve sprejemni anteni, kar je precej manj od zahtev po 4×4 v pametnih NR telefonih. To lahko omeji pokritost, saj se lahko MIMO uporablja za povečanje downlink zmogljivosti.
Najvišja oddajna moč
Nižje oddajne moči kot pri pametnih NR telefonih bodo zmanjšale porabo energije, kar bo omogočilo uporabo manjših baterij in nižjo ceno. Vendar lahko to povzroči zmanjšanje pokritosti na robu celice.
Združitev nosilcev (angl. Carrier Aggregation, CA)
Brez podpore za CA pomeni, da mora RedCap naprava uporabljati le en frekvenčni kanal naenkrat. To zmanjša porabo energije, stroške in velikost.
Trenutni in bodoči razvoji
RedCap specifikacije so bile vključene v 3GPP Rel-17 specifikacijo in so bile dokončane junija 2022, modemi in prednji VF deli pa bodo na voljo šele čez približno eno leto.
Za module in končne naprave bo potrebno še eno leto ali manj, zato lahko pričakujemo, da se bodo prve RedCap naprave pojavile okoli konca leta 2023 do sredine leta 2024, odvisno od stopnje zapletenosti in integracije RedCap naprave. To je še vedno ob pravem času, saj bodo svetovni operaterji v naslednjih nekaj letih nenehno uvajali 5G SA omrežja.
Rel-17 RedCap je šele začel proces zmanjševanja zapletenosti, da bi znižal stroške in podaljšal življenjsko dobo baterije, zato je treba še veliko postoriti. 3GPP je začel preučevati elemente za RedCap Rel-18 (NR Advanced), pri čemer je prva izdaja te faze RedCap 2 načrtovana v začetku leta 2024.
Nekatere od obravnavanih funkcij vključujejo:
- Sidelink – neposredna komunikacija med 5G napravami.
- Določanje položaja – boljša lokacija za aplikacije natančnosti.
- Nelicenčni pas – razpoložljivost spektra v skupni rabi.
- Multicast & Broadcast (MBS) – storitve od točke do več točk.
- Vrste RedCap naprav – razvrstitev RedCap naprav.
RedCap ima očitno razburljivo prihodnost, zato lahko pričakujemo opredelitev dodatnih primerov uporabe, ki bodo obravnavali izzive, kot so droni, električna omrežja, robotika, industrija, transport, sledenje sredstev, AGV vozila in številni drugi.
