Dispozitivele destinate Internetului lucrurilor au devenit omniprezente și utilizează o serie de tehnici de conectivitate în principal în bandă îngustă. Odată cu apariția 5G, există o nevoie tot mai mare de un protocol IoT care să profite de capabilitățile sale.
Aceasta este motivația pentru dezvoltarea RedCap (Reduced Capability). RedCap este specificația 3GPP IoT wireless creată pentru a aborda mai multe cazuri de utilizare generice și specifice pentru 5G NR. Stadiul actual al RedCap poate fi identificat ca urmare a mai multor cerințe din industrie care au culminat datorită cerințelor multiple și suprapuse rezultate din cazurile de utilizare și din piețele verticale IoT.
Versiunea 15 (Rel-15) a 3GPP 5G NR a fost creată, în principal, pentru a aborda cazurile de utilizare care necesită o latență mai mică, viteze de vârf mai mari și o fiabilitate superioară rețelelor wireless 4G tradiționale. Aceasta a fost completată de 5G NR Rel-16, care a adăugat TSN (Time-Sensitive Networking), precum și îmbunătățiri suplimentare ale specificațiilor 3GPP privind fiabilitatea și latența.
Cele două versiuni au fost extrem de benefice pentru cazurile de utilizare IoT, dar nu s-au apropiat suficient de mult de specificațiile 4G 3GPP Rel-13 și 14 deja existente, care au abordat eficiența energetică, acoperirea și costul mai mic al dispozitivelor. A existat o nevoie clară de un protocol care să permită cazuri de utilizare care să implice TSC (Time Sensitive Communications) și care să poată profita de eficiența și costurile 4G, precum și de fiabilitatea și latența 5G.
Rezultatul a fost RedCap, care a fost adoptat oficial în specificațiile 3GPP în iunie 2022.
De ce au nevoie operatorii de RedCap?
Există mai multe motive. Deși rețelele 5G sunt implementate la nivel global, nu sunt toate la fel. Există două tipuri distincte: Stand Alone (SA) și Non-Stand Alone (NSA). Rețelele SA se bazează în totalitate pe specificațiile 3GPP 5G pentru toate dispozitivele și echipamentele de infrastructură, în timp ce rețelele NSA se bazează atât pe specificațiile 3GPP 4G, cât și pe cele 5G.
Acest lucru înseamnă că dispozitivele “doar SA” sunt special proiectate pentru rețelele 5G și nu acceptă tehnologiile 4G, cum ar fi LTE-M și NB-IoT. Ceea ce poate reprezenta o problemă pentru operatorii de rețele 5G strict ecologice (green-field), care nu dispun de instalații 4G tradiționale.
Pentru ca un dispozitiv să fie conform cu specificațiile 5G, acesta trebuie să îndeplinească cerințe minime, care includ o lățime de bandă de 100 MHz și patru antene RX. Aceasta înseamnă capabilități mult mai mari decât cele necesare pentru multe cazuri de utilizare IoT – prin creșterea necesarului de putere, aceste cerințe fac ca dispozitivele să fie nepotrivite pentru rețelele LPWA (Low Power Wide Area). Cerințele minime ale dispozitivelor 5G sunt valabile atât pentru rețelele SA, cât și pentru cele NSA.
RedCap oferă o cale de migrare de la 4G la 5G, pe măsură ce spectrul este migrat către noi benzi și, de asemenea, acoperă decalajul dintre tehnologiile 4G IoT și 5G NR.
Avantajele RedCap
Principalele beneficii ale RedCap sunt noile cazuri de utilizare care permit dezvoltarea de dispozitive rentabile. Există trei cazuri inițiale de utilizare IoT 3GPP Rel-17 cerute de industrie: senzori industriali wireless, supraveghere video și dispozitive purtabile. Fiecare dintre acestea are cerințe ușor diferite în ceea ce privește viteza de transfer de date, latența, fiabilitatea și durata de viață a bateriei, după cum se arată în tabelul (1) de mai jos.
Deoarece capabilitățile tehnice ale dispozitivelor bazate pe RedCap sunt mai mici decât cele ale telefoanelor inteligente 5G, acestea pot utiliza modemuri și sisteme RF mai puțin complexe, ceea ce, la rândul lor, reduce costul, consumul de energie și dimensiunea dispozitivelor.
Hardware-ul wireless mai puțin complex din dispozitive înseamnă arhitecturi mai simple de modem și de front-end RF, în timp ce numărul redus de antene și mai puțin MIMO permite reducerea costurilor dispozitivelor. Mai puține duplexoare, amplificatoare și filtre pot, de asemenea, să simplifice foarte mult numărul de componente ale dispozitivelor RedCap.
Datorită cerințelor hardware reduse și a costurilor mai mici, ar trebui să ne așteptăm să vedem multe dispozitive 5G noi și cazuri de utilizare în următorii câțiva ani și ar putea exista chiar telefoane inteligente 5G cu costuri mult mai mici bazate pe RedCap.
RedCap în comparație cu 5G și LTE
Privind tabelul (2) de mai jos, care arată felul în care RedCap reduce complexitatea dispozitivelor și caracteristicile necesare, putem avea o imagine de ansamblu a măsurii în care cerințele RedCap se compară cu cerințele minime ale UE 5G și cu LTE.
Iată câteva dintre elementele cele mai importante:
- Lățimea de bandă:
Un maxim de 20 MHz în FR1 și de 100 MHz în FR2 va permite obținerea unui consum redus de energie și a unor componente mai puțin costisitoare – cu toate acestea, nu vor atinge ratele de date ridicate ale dispozitivelor integral NR.
- Implementări:
– Rețelele SA sunt singurele pe care dispozitivele RedCap le pot suporta. Acest lucru înseamnă că nu există conectivitate 2G/3G/4G care să necesite hardware RF complex, reducând astfel consumul de putere și dimensiunea.
– Telefoanele inteligente NR trebuie să suporte, de obicei, zeci de benzi de frecvență pentru o utilizare globală. Dispozitivele RedCap vor fi proiectate pentru cazuri de utilizare specifice, care pot fi amplasate în locații staționare.
– Totuși, aceste două puncte pot fi un dezavantaj până când va crește implementarea rețelei SA. Caracteristicile inerente NR, cum ar fi SCS (Sub- Carrier Spacing), reduc latența.
- Antene:
- În dispozitivele RedCap pot fi proiectate până la două antene de recepție, mult mai puține decât cerințele 4×4 din telefoanele inteligente NR. Acest lucru poate limita acoperirea, deoarece MIMO poate fi utilizat pentru a crește performanța downlink.
- Puterea maximă de emisie:
- Nivelurile TX mai mici decât cele ale telefoanelor inteligente NR vor reduce consumul de energie, permițând utilizarea unor baterii mai mici și oferind costuri mai scăzute. Totuși, acest lucru poate duce la reducerea acoperirii la marginea celulei.
- Agregarea purtătoarelor (Carrier Aggregation – CA):
- Lipsa suportului pentru CA înseamnă că un dispozitiv RedCap trebuie să utilizeze la un moment dat doar un singur canal de frecvență. Acest lucru va reduce consumul de putere, costurile și dimensiunile.
Dezvoltări actuale și viitoare
Specificațiile RedCap au fost incluse în 3GPP Rel-17 și finalizate în iunie 2022, în timp ce pentru apariția modemurilor și a front-end-urilor RF va fi nevoie de aproximativ un an.
Până la urmă, modulele și dispozitivele finale vor mai dura încă un an sau mai puțin, astfel încât ar trebui să ne așteptăm să vedem unele dintre primele dispozitive RedCap să apară pe la sfârșitul anului 2023 până la mijlocul anului 2024, în funcție de nivelul de complexitate și de integrare al dispozitivului RedCap. Acest lucru este oportun, deoarece operatorii globali vor continua să implementeze rețele 5G SA în următorii ani.
Rel-17 RedCap a început doar procesul de reducere a complexității pentru a scădea costurile și a crește durata de viață a bateriei, rămânând încă multe de făcut. 3GPP a început să studieze elemente pentru RedCap Rel-18 (NR Advanced), această fază 2 a RedCap fiind planificată pentru lansarea inițială la începutul anului 2024.
Unele dintre caracteristicile aflate în studiu includ:
- Sidelink – comunicație directă 5G de la dispozitiv la dispozitiv.
- Poziționare – o mai bună localizare pentru aplicații de precizie.
- Bandă fără licență – disponibilitatea spectrului partajat.
- Multicast & Broadcast (MBS) – servicii punct la multipunct.
- Tipuri de dispozitive RedCap – clasificarea dispozitivelor RedCap.
RedCap are, cu siguranță, un viitor interesant și ne putem aștepta la definirea unor cazuri de utilizare suplimentare care vor aborda provocări precum drone, rețele electrice, robotică, industrie, transport, urmărirea activelor, AGV-uri și multe altele.
Autor: Brian Davis, Technology Strategy Manager
Anritsu Corporation
