DECT NR+: Primul standard 5G necelular la nivel mondial

Sursa imaginii: AdobeStock_364124467

DECT NR+ umple un gol semnificativ în conectivitatea fără fir, oferind un protocol de comunicație fiabil, standardizat, printr-o combinație de neegalat de latență redusă, rază lungă de acțiune, viteze de date ridicate, fără limitări ale ciclului de funcționare și acoperire de frecvență aproape globală – toate la un cost redus. Prin urmare, este vorba de o alternativă reală pentru alte tehnologii wireless.

În prezent, milioane de dispozitive, mașini, senzori și toate tipurile de vehicule sunt conectate prin intermediul internetului lucrurilor (IoT). În ciuda gamei largi de tehnologii wireless disponibile în prezent, anumite scenarii de rețea nu puteau fi realizate, anterior, folosind standardele wireless existente datorită costurilor ridicate și vulnerabilității lor la interferențe. Introducerea DECT NR+ (New Radio Plus) umple acest gol în ecosistemul IoT. DECT NR+ este primul și singurul standard tehnologic 5G necelular din lume.

De la telefonie wireless la automatizări industriale

DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) a fost prezentat în 1992 și lansat un an mai târziu. În prezent, DECT este recunoscut, în primul rând, ca un standard pentru telefonia fără fir și dispozitivele inteligente de uz casnic și este supravegheat de ETSI (European Telecommunications Standards Institute), o organizație independentă, non-profit, dedicată standardizării în domeniul tehnologiilor informației și comunicațiilor. Frecvența devine acum interesantă și din perspectiva altor aplicații cu totul diferite.

DECT, care își are originea în Europa, a devenit cel mai utilizat standard pentru telefoanele wireless, înlocuindu-le pe cele analogice, mai vechi, care utilizau benzile CT1 și CT2, acestea fiind, acum, interzise pentru utilizatorii finali. DECT a fost lansat și în afara Europei, diverse versiuni fiind implementate în Australia, în mare parte din Asia, în America de Sud și, mai recent, în America de Nord.

Inițial, DECT a fost dezvoltat pentru roaming rapid între stațiile de bază din rețea. Pe lângă telefoanele wireless, care comunică cu o stație de bază fixă, sistemele de încălzire, prizele sau întrerupătoarele de lumină pot, de asemenea, să se conecteze wireless la anumite routere datorită standardelor ULE cu HAN-FUN bazate pe tehnologia DECT.

De-a lungul anilor, DECT a fost completat cu noi opțiuni, precum și cu noi codecuri audio. După aproape 30 de ani, DECT-2020 NR a fost acceptat de Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor (ITU) în cadrul standardului IMT-2020 (= 5G). Noul protocol poartă, acum, denumirea de NR+ (New Radio Plus) din partea Forumului DECT.

Ce este 5G și ce rol joacă DECT NR+?

În telecomunicații, 5G reprezintă standardul tehnologic de generația a cincea pentru rețelele celulare. Acesta împarte aria de acoperire în zone geografice mai mici, numite celule, care sunt deservite de turnuri de transmisie. Avantajele oferite de 5G în comparație cu generațiile anterioare includ viteze mai mari de transfer de date, latență mai mică, transmisie în timp real și abilitatea de a adresa simultan mai multe dispozitive în cadrul rețelei. În acest scop, standardul 5G este împărțit în trei categorii de servicii care impun caracteristici diferite:

Aplicațiile mobile de bandă largă extremă (eMBB – extreme Mobile Broadband) vizează, în primul rând, soluții care necesită o lățime de bandă mare, optimizarea dispozitivelor celulare și permiterea accesului fix fără fir, cum ar fi streamingul video UHD mobil, descărcările de mare viteză și aplicații în domenii precum realitatea augmentată (AR) și realitatea virtuală (VR).

Comunicațiile masive de tip mașină (mMTC- massive Machine Type Communications) sprijină conectivitatea extinsă a dispozitivelor în aplicațiile IoT. Acest domeniu ar trebui să prioritizeze maximizarea numărului de conexiuni posibile, asigurând în același timp viteze de date scăzute și minimizând consumul de energie. Pentru a face față numărului mare de conexiuni dintr-o rețea, trebuie asigurată transmiterea fără coliziuni. O aplicație tipică ar fi pentru stadioanele de fotbal sau evenimentele majore cu câteva mii de utilizatori finali de dispozitive, unde, datorită 5G, este necesar un singur turn de telefonie mobilă.

Figura 1: Diagrama triunghiului 5G. DECT NR+ completează mMTC și URLLC ca o soluție de comunicație rentabilă, eficientă din punct de vedere energetic și flexibilă în benzile de frecvență fără licență. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)

Comunicațiile ultra-fiabile cu latență redusă (URLLC- Ultra-reliable low latency communication) reprezintă a treia funcție cheie 5G, care permite conexiuni fiabile cu latență redusă. În aplicațiile critice, este esențial să se garanteze o comunicație robustă, fără erori, cu întârzieri minime. De exemplu, URLLC este esențială pentru aplicații precum conducerea autonomă, agricultura de precizie, automatizările industriale cu timp critic și infrastructurile vitale ale companiilor de utilități.

În spectrul 5G, DECT NR+ se adresează mMTC și URLLC, oferind comunicații de înaltă scalabilitate, fiabile, cu latență redusă și rază de acțiune extinsă. Acest lucru face ca DECT NR+ să fie deosebit de atractiv pentru aplicațiile care necesită mMTC și/sau URLLC (figura 1). Adresarea IPv6 permite posibilitatea de a acoperi toți abonații din lume.

Cum funcționează DECT NR+ și care sunt caracteristicile sale speciale?

Spre deosebire de multe alte standarde wireless, DECT NR+ a fost special proiectat pentru uz industrial. Particularitatea sa constă în amestecul de tehnologii dovedite, adaptate la cerințele Industriei 4.0, inclusiv scalabilitate, robustețe, standardizare și operare în benzi de frecvență fără licență.

DECT NR+ suportă cele trei topologii de rețea punct-la-punct, stea și mesh și este, prin urmare, un standard flexibil pentru a satisface diverse cerințe ale aplicațiilor. O caracteristică esențială a rețelei mesh NR+ o constituie capacitatea sa de autovindecare și autoorganizare. Fiecare nod poate servi drept punct de acces cu o conexiune directă la internet: În cazul în care un nod din rețeaua mesh se defectează, datele sunt direcționate automat prin nodurile vecine. Această caracteristică elimină punctele unice de avarie din cadrul rețelei și rezolvă automat probleme precum defectarea dispozitivelor ca urmare a unor erori, a întreținerii sau a unor lucrări de restructurare, care apar frecvent în rețelele IoT dense, fără să fie necesară intervenția umană sau a unui operator central.

NR+ oferă aceeași latență redusă și fiabilitate ridicată, altădată rezervate doar conexiunilor prin cablu sau rețelelor celulare administrate de terți și bazate pe taxe. Pentru prima dată, sistemele cu latență redusă pot funcționa wireless pe mai mulți kilometri, la viteze de câțiva megabiți pe secundă. În plus, tehnologia este foarte scalabilă, suportând până la un milion de noduri pe kilometru pătrat în cadrul unei singure rețele.

DECT NR+ operează în banda de 1,9 GHz, care poate fi utilizată (aproape) peste tot în lume. Aceasta este mai puțin predispusă la interferențe în comparație cu benzile de frecvență ISM și SRD tradiționale și poate fi utilizată fără licență și taxe, spre deosebire de frecvențele celulare, pe care operatorii de rețele mobile (MNO) le-au achiziționat la un preț semnificativ prin licitații. NR+ se poate utiliza pentru a crea o rețea privată, care să nu depindă de rețelele celulare sau de cartelele SIM. Acest lucru ajută la evitarea taxelor de licență ridicate sau la depășirea obstacolelor de reglementare. Mediile de siguranță critice beneficiază de o rețea complet independentă și controlabilă local.

Standardul a fost dezvoltat având în vedere eficiența energetică, un factor esențial mai ales pentru dispozitivele IoT alimentate de la baterii. Datorită protocoalelor eficiente de transmisie și recepție și a algoritmilor de compresie, dispozitivele pot opera timp de mai mulți ani, în funcție de capacitatea bateriei și de volumul comunicațiilor.

Comparație între DECT NR+ și alte tehnologii echivalente

DECT NR+, LoRa, Sigfox, Mioty, LTE-M sau NB-IoT: Fiecare tehnologie are propriile caracteristici, avantaje și domenii de utilizare.

SigFox, Mioty și LoRa fac parte din rețeaua LPWAN (Low Power Wide Area Network) cu consum redus de putere. În acest domeniu, datele pot fi transmise pe mai mulți kilometri cu un consum redus de energie, dar și la o rată mai mică de transmisie a datelor. SigFox, Mioty și LoRa sunt prezente pe piață de mai mulți ani și, prin urmare, sunt cunoscute pentru limitările lor. În timp ce SigFox nu a reușit să stabilească o infrastructură cuprinzătoare și a pierdut din importanță cu trecerea timpului, utilizatorii Mioty și LoRa sunt nevoiți să își construiască propriile rețele. De exemplu, unele orașe și-au creat, deja, propria rețea LoRaWAN pentru a conecta senzorii care generează date la internet. Toate cele trei rețele LPWAN utilizează gama de frecvențe sub-GHz disponibilă public și fără licență. Totuși, întrucât frecvențele gratuite sunt accesibile tuturor și utilizate de nenumărate alte aplicații wireless, un volum mare de semnale poate duce la interferențe. În plus, există și restricții semnificative în ceea ce privește utilizarea. Un dispozitiv are dreptul să emită semnale sau să transmită date pentru doar 1% dintr-un interval de timp, ceea ce poate reprezenta o provocare pentru routere atunci când trebuie să trimită mesaje de confirmare la mii de senzori într-un interval scurt de timp. De asemenea, acest lucru face practic imposibil transferul actualizărilor de firmware.

Un alt dezavantaj al tehnologiilor care utilizează banda sub-GHz este limitarea regională. Se așteaptă ca dispozitivele produse pentru Europa să utilizeze banda SRD de 868 MHz, în timp ce 915 MHz este disponibilă în SUA, iar alte game de frecvențe sunt aplicate în Japonia și în alte părți ale lumii. Dispozitivele cu NR+ operează pe aceeași frecvență la nivel global, ceea ce permite un singur proces de certificare. Aceasta înseamnă că performanța antenei trebuie calibrată o singură dată, iar logistica componentelor poate fi simplificată în anumite condiții.

Spre deosebire de LPWAN-urile fără licență, LTE-M și NB-IoT utilizează spectrul licențiat atribuit exclusiv operatorilor MNO. Cele două tehnologii fără fir standardizate beneficiază de acoperirea, deja, extinsă a rețelei globale. În comparație cu LTE-M, NB-IoT excelează în ceea ce privește eficiența energetică și gradul de penetrare a clădirilor, dar vine cu rate de date semnificativ mai mici și latență mai mare și nu are abilitatea de a comuta celulele în timpul unei transmisii active. În schimb, LTE-M construiește o punte între LTE și NB-IoT: LTE-M a fost dezvoltată special pentru soluțiile IoT care, altminteri, ar fi fost mult mai complexe și ar fi necesitat un consum prea mare de energie pentru LTE, fără să ofere mobilitatea și lățimea de bandă necesare pentru NB-IoT.

Tendința către dispozitive IoT din ce în ce mai conectate la rețea, pe plan mondial, nu numai că impune cerințe semnificative asupra infrastructurii, dar sporește și nevoia de soluții rentabile și fiabile care să acorde prioritate consumului redus de energie. În comparație cu alte tehnologii wireless LPWAN, DECT NR+ se remarcă printr-un echilibru impresionant între raza de acțiune și latență, combinat cu un consum redus de energie. De remarcat, DECT NR+ oferă o scalabilitate excepțională, rate ridicate de date în banda de frecvențe de 1,9 GHz fără licență și operează independent de furnizorii de rețele celulare și de cartelele SIM, ducând astfel la economii semnificative de costuri și devenind o nouă alternativă extrem de interesantă. Tabelul 1 oferă o prezentare generală a diferitelor tehnologii.

* Pentru operare cu consum redus de putere – 3 Mbps; dar, tehnic, este posibil până la 9 Gbps

Tabelul 1: Prezentare generală a diferențelor și a utilizărilor posibile ale celor șase tehnologii din diverse domenii de utilizare.

Exemple de aplicații

DECT NR+ poate fi o alternativă interesantă și rentabilă la soluțiile existente și deschide posibilități pentru aplicații care încă nu au fost implementate. NR+ este, prin urmare, deosebit de potrivită pentru aplicații IoT industriale, contorizare inteligentă, orașe inteligente și aplicații audio profesionale.

DECT NR+ oferă caracteristici unice, jucând un rol cheie în IoT-ul industrial modern (IIoT) și Industrie 4.0. Topologia densă a rețelei NR+ găzduiește un număr foarte mare de noduri, ceea ce o face ideală pentru operațiuni la scară largă. Comunicarea în timp real între diverse dispozitive și mașini, precum și o topologie de rețea cu autoorganizare și autovindecare sunt esențiale pentru automatizarea și optimizarea proceselor de producție.

Orașele inteligente vor contribui la reducerea emisiilor de dioxid de carbon prin diverse aplicații, inclusiv gestionarea traficului, identificarea locurilor de parcare, optimizarea colectării deșeurilor, îmbunătățirea iluminatului stradal, îmbunătățirea stocării energiei și multe altele. Toate aceste aplicații necesită soluții de monitorizare și control de la distanță conectate la diverse centre de control prin intermediul unei rețele. NR+ a fost proiectată pentru a suporta rețele mesh wireless extrem de fiabile și puternice, făcând posibilă și practică o astfel de comunicație extrem de scalabilă. Aceasta permite, de asemenea, aplicații ulterioare, cum ar fi transmisiile audio în zonele urbane și conectarea camerelor de supraveghere staționare sau chiar a celor mobile în vehiculele de transport public. Centrele urbane mici – cum ar fi aeroporturile, campusurile și centrele comerciale – au, adesea, o concentrație mare de diverse cazuri de utilizare care necesită o rețea fiabilă, cu latență redusă și trafic de date ridicat, astfel încât aceste medii ar avea mult de câștigat de pe urma unei rețele DECT NR+ private și rentabile.

Piața energiei inteligente este deja bine conturată și, cu siguranță, va continua să crească. Un avantaj cheie al NR+ este că oferă o alternativă standardizată la soluțiile brevetate, deja în uz. Topologia sa de rețea mesh permite, de asemenea, conectarea diferitelor grupuri locale, crescând astfel raza de acțiune globală. Prin utilizarea benzii de frecvență globale de 1,9 GHz fără licență, DECT NR+ permite o soluție standardizată care poate fi implementată la nivel mondial, la costuri optimizate. Prin urmare, DECT NR+ poate fi utilizată în contoare inteligente, de exemplu pentru a înregistra în timp real datele privind consumul de energie și apă și pentru a le transmite diferitelor companii de utilități. Pe lângă transmiterea datelor de consum, comunicația bidirecțională permite, de asemenea, controlul de la distanță al contoarelor și dispozitivelor, cum ar fi oprirea de la distanță a mașinilor de spălat inteligente sau trimiterea de informații despre modificările tarifare către consumatorii casnici.

Microfoanele wireless și sistemele de transmisie audio beneficiază, de asemenea, de noua tehnologie. DECT NR+ oferă o transmisie stabilă, fără interferențe, cu latență redusă, ceea ce este absolut esențial în medii de transmisie în direct. În special în cazul evenimentelor de amploare în zone extinse, cum ar fi concerte, festivaluri sau stadioane de fotbal, este posibilă transmiterea neperturbată în banda de frecvență de 1,9 GHz, independent de numeroasele surse de interferență de 2,4 GHz (Bluetooth, Wi-Fi).

Primele produse disponibile cu DECT NR+

În acest moment, Nordic Semiconductor este singurul furnizor de pe piață care suportă protocolul DECT NR+ și oferă deja propriile sale module compatibile cu DECT NR+. Software-ul de rețea este obținut de la un furnizor terț finlandez, Wirepas, iar software-ul audio de la Lynq.

Nordic Semiconductor oferă, în prezent, trei produse compatibile cu DECT NR+ din seria nRF91: nRF9161 SiP, nRF9151 SiP și nRF9131 mini SiP.

nRF9161 SiP Low power mini SiP for cellular IoT and DECT NR+ Multimode LTE-M/NB-IoT with GNSS and DECT NR+ modem 700-2200 MHz LTE band support 1.9GHz NR+ band support Certified for global operation Dedicated application processor and memory 64 MHz Arm Cortex-M33 1 MB flash + 256 KB RAM Arm TrustZone + Arm CryptoCell Read more	nRF9151 SiP Low power mini SiP for cellular IoT and DECT NR+ Multimode LTE-M/NB-IoT with GNSS and DECT NR+ modem 700-2200 MHz LTE band support 1.9GHz NR+ band support Certified for global operation Dedicated application processor and memory 64 MHz Arm Cortex-M33 1 MB flash + 256 KB RAM Arm TrustZone + Arm CryptoCell Read more	nRF9131 mini SiP Low power mini SiP for cellular IoT and DECT NR+ Multimode LTE-M/NB-IoT with GNSS and DECT NR+ modem 700-2200 MHz LTE band support 1.9GHz NR+ band support Certified for global operation Dedicated application processor and memory 64 MHz Arm Cortex-M33 1 MB flash + 256 KB RAM Arm TrustZone + Arm CryptoCell Read more

Tabelul 2: Primele produse care acceptă protocolul DECT NR+. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)

nRF9151 este o soluție SiP (system-in-package) înalt integrată și compactă, proiectată special pentru aplicații IoT celulare și DECT NR+. Prin utilizarea tehnologiei LTE, care permite economisirea energiei, capabilități avansate de procesare și caracteristici robuste de securitate, nRF9151 oferă performanțe ridicate și versatilitate și acceptă 3GPP Release 14 LTE-M/NB-IoT și DECT NR+.

Toate cele trei module sunt echipate cu puternicul procesor ARM Cortex-M33, care gestionează procesarea protocolului de comunicații și a aplicației clientului și, prin urmare, nu necesită microcontrolere suplimentare în dispozitivele finale. Pentru a selecta cel mai bun tip de comunicație posibil și cel mai eficient consum de energie pentru aplicație, toate modulele suportă LTE-M, NB-IoT și poziționare GNSS, pe lângă DECT NR+. Toate cele trei variante sunt aproape identice în ceea ce privește funcționalitatea lor. Totuși, există diferențe minore între module: Comparativ cu nRF9161, nRF9151 are o amprentă cu 20% mai mică. De asemenea, suportă clasa de putere 5, grație puterii de ieșire de 20 dBm. În schimb, nRF9131 este mai potrivit pentru aplicații IoT celulare de volum mare, care necesită certificare individuală, ceea ce poate fi, oarecum, costisitor pentru clienți. Alternativ, acesta este proiectat special pentru aplicații DECT NR+, care sunt fără licență și nu se bazează deloc pe rețele celulare. Prin urmare, este foarte probabil ca nRF9151 sau nRF9161 să fie utilizate pentru un posibil scenariu de rezervă pentru un sistem celular, în cazul în care un gateway NR+ nu este în raza de acțiune. Și prin eliminarea circuitului integrat de gestionare a puterii (PMIC), nRF9131 este mult mai mic decât nRF9151.

Autor: Julian Clauß,
Corporate Product Manager Wireless la Rutronik

Rutronik | https://www.rutronik.com