RedCap: IoT pro 5G

Zařízení internetu věcí jsou dnes na každém rohu a využívají několik převážně úzkopásmových způsobů připojení. S nástupem sítí 5G zde roste i potřeba protokolu IoT, který vše náležitě zužitkuje. To je také podnětem k vývoji RedCap (Reduced Capability). Pod označením RedCap rozumíme specifikaci bezdrátového IoT (3GPP) navrženou tak, aby řešila některé obecné, ale i specifické způsoby použití v souvislosti s 5G NR. Při zpětném sledování se od nynějšího stavu RedCap dostaneme k několika požadavkům, které se v daném odvětví protlačily až na vrchol díky společným a vzájemně se překrývajícím potřebám přicházejícím z praxe a také daných vertikál.

5G NR Release 15 (3GPP, Rel-15) bylo v prvé řadě navrženo s ohledem na oblasti vyžadující menší prodlevu, vyšší špičkové rychlosti přenosu dat a také mimořádnou spolehlivost za hranicemi starších bezdrátových sítí 4G. Dále bylo rozšířeno díky 5G NR Rel-16 s přidáním TSN (Time-Sensitive Networking), včetně dalších zlepšení, pokud jde o požadavky na spolehlivost nebo zpoždění.

Zmíněná dvě vydání byla pro účely internetu věcí velmi užitečná. Stále se však dostatečně nepřiblížila ke stávajícím specifikacím 3GPP 4G Rel-13 a 14, které řešily energetickou účinnost, pokrytí nebo nižší cenu zařízení. Evidentně zde bylo zapotřebí protokolu, který bude počítat s TSC (Time Sensitive Communications) a umožní přitom těžit z účinnosti a ceny spojované s 4G, stejně jako spolehlivosti či prodlevy, pokud jde o 5G. Výsledkem se stal RedCap, který byl ve specifikacích 3GPP oficiálně přijat v červnu 2022.

Proč operátoři potřebují RedCap

Existuje několik důvodů, proč operátoři RedCap potřebují. Sítě 5G jsou sice nasazovány v celosvětovém měřítku, ale nebudou pokaždé stejné. Máme zde dva různé typy: Stand Alone (SA) a Non-Stand Alone (NSA). Sítě SA zcela závisí na specifikacích 3GPP 5G, a to pro veškerá zařízení, včetně infrastruktury, zatímco sítě NSA počítají jak s 3GPP 4G, tak i 5G. Znamená to, že zařízení „jen pro SA“ jsou navržena speciálně pro sítě 5G a nepodporují technologie 4G, jako jsou LTE-M a NB-IoT. To ale může znamenat problém pro operátory v sítích 5G vystavěných čistě na „zelené louce“, tedy bez jakékoli dřívější instalace 4G.

Aby zařízení dále vyhovělo specifikacím 5G, musí splňovat minimální požadavky zahrnující šířku pásma 100 MHz a čtyři antény pro RX. To je však mnohem víc, než bude ve spoustě případů ze světa IoT nutné. Díky rostoucím požadavkům kladeným na napájení pak zařízení se zmíněnými podmínkami nebudou vhodná pro sítě LPWA (low power wide area). Minimální požadavky na zařízení v sítích 5G se uplatní jak v rámci SA, tak i NSA.

RedCap zde přitom nabízí přechod od 4G k 5G. Spektrum se totiž přesunulo do nových pásem a také se překlenula propast mezi technologiemi 4G IoT a 5G NR.

Obr. 1  K očekávaným oblastem využití technologie RedCap

Výhody spojené s RedCap

Základní výhody RedCap spočívají v nových způsobech využití umožňujících vyvíjet zařízení s relativně nízkými náklady. Průmysl poplatně IoT a 3GPP Rel-17 na úvod skloňuje tyto tři případy: bezdrátové průmyslové snímače, video dohled a nositelnou elektroniku. Každý z nich má přitom trochu odlišné požadavky související s přenosovou rychlostí, prodlevou, spolehlivostí nebo výdrží baterie – viz také tab. 1.

 

Tab. 1  Možné způsoby nasazení technologie, včetně souvisejících vlastností

Vzhledem k tomu, že technické schopnosti systémů založených na RedCap budou menší než u chytrých telefonů s podporou 5G, mohou zde využít jednodušší modem a také vf návrhy, což na oplátku snižuje cenu zařízení, proudovou spotřebu, ale i rozměry. Méně složitý hardware bezdrátové části pro zařízení tedy znamená jednodušší modem, včetně struktur vf front–endu, zatímco snížený počet antén a méně MIMO dále umožňuje srazit náklady. Méně duplexerů, zesilovačů nebo i filtrů dokáže u zařízení s RedCap výrazně zkrátit rozpisku součástek.

V návaznosti na jednodušší hardwarové požadavky nebo i nižší cenu lze v průběhu několika dalších let očekávat spoustu nových zařízení 5G, ale i možných způsobů využití. Výrazněji by mohla dokonce klesnout i cena chytrých telefonů založených na RedCap.

Tab. 2  Zjednodušování zařízení RedCap a srovnání požadavků s 5G či LTE

RedCap ve srovnání s 5G a LTE

Při pohledu na tab. 2, která nám ukazuje, jak RedCap snižuje složitost zařízení, včetně potřebných funkcí, vidíme, jak mezi sebou dále porovnat požadavky RedCap, 5G (UE, min.) a LTE. Mezi nejdůležitější oblasti zde patří:

Šířka pásma

Maximum v podobě 20 MHz (FR1) a 100 MHz (FR2) dokáže omezit výkonovou spotřebu a snížit i náklady na součástky. Nedosáhneme však vysokých přenosových rychlostí jako u plnohodnotných zařízení NR.

Nasazení

- Sítě SA jsou jediné, které zařízení s RedCap podporují. Znamená to, že zde nemáme žádnou konektivitu 2G / 3G / 4G vyžadující složitý hardware vf části, takže snižujeme spotřebu energie a také rozměry.

- Chytré telefony s NR musí v celosvětovém měřítku obvykle podporovat spousty kmitočtových pásem. Zařízení s RedCap budou navržena pro konkrétní účely, třeba též jako nepřenosná.

- Zmíněné dva body však mohou do doby, než se sítě SA více rozšíří, znamenat nevýhodu. Základní schopnosti NR, jako je SCS (Sub- Carrier Spacing), snižují zpoždění.

Antény

Pro zařízení s RedCap lze navrhnout až dvě antény přijímače, což je o dost méně než v případě požadavků 4 x 4 u chytrých telefonů s NR. Může to snižovat pokrytí, protože MIMO lze použít ke zlepšení vlastností u downlinku.

Maximální výkon TX

Nižší úrovně TX, než je tomu v případě chytrých telefonů s NR, zmenšují spotřebu energie, podporují menší baterie a snižují též náklady. Hrozí však horší pokrytí na okraji buňky.

CA (Carrier Aggregation)

Žádná podpora CA pro zařízení s RedCap znamená, že budou v jednu chvíli potřebovat pouze jeden kmitočtový kanál. Snižuje se tím proudový odběr, cena i rozměry.

Kam aktuálně směřujeme

Specifikace RedCap byly začleněny v rámci 3GPP Rel-17 a schváleny v červnu 2022. Než se u modemů a také vf front–endů projeví, zabere to přibližně jeden rok. Pro moduly a koncová zařízení to pak bude ve výsledku znamenat další rok nebo méně, takže nějaká první zařízení RedCap lze s ohledem na složitost a míru integrace očekávat od konce roku 2023 až do poloviny příštího roku. To je tak akorát, protože globálně působící operátoři budou dalších několik let nepřetržitě nasazovat sítě 5G SA.

Rel-17 RedCap ale jen odstartoval proces snižování složitosti vedoucí k menším nákladům a také rostoucí výdrži baterie. Spousta věcí se však ještě musí vyřešit. V 3GPP se již např. věnují RedCap Rel-18 (NR Advanced), přičemž výchozí zveřejnění se pro takové „RedCap Phase 2“ plánuje začátkem roku 2024. V rámci studie se tak můžeme např. setkat se

- sidelink (přímá komunikace 5G zařízení–zařízení),

- positioning (lepší zaměření za účelem zvýšení přesnosti aplikace),

- nelicencovaným pásmem (dostupnost sdíleného spektra),

- Multicast & Broadcast (MBS, služby „point to multi-point“) nebo

- typy zařízení RedCap (členění zařízení RedCap).

RedCap má před sebou nepochybně skvělou budoucnost. Očekávají se přitom i další možné způsoby využití, třeba při náročných úkolech spojených s drony, rozvodnou sítí, robotikou, průmyslem, přepravou, sledováním zboží, AGV a mnoha dalšími oblastmi.