RedCap спецификацията – интернет на нещата (IoT) за 5G

Брайън Дейвис
мениджър технологични стратегии, Anritsu

Устройствата за интернет на нещата (IoT) вече имат повсеместно приложение, като разчитат на различни технологии за свързване – предимно в теснолентовия спектър. С навлизането на 5G комуникациите нараства необходимостта от IoT протокол, който да се възползва от техните възможности.

Това е мотивацията за разработването на RedCap (Reduced Capability). RedCap е спецификацията на 3GPP за безжичен IoT, създадена за решаване на разнообразни общи и специфични случаи на приложение за 5G NR. Настоящото състояние на RedCap може да се проследи исторически до няколко изисквания в бранша, които достигнаха кулминацията си като резултат от множество и припокриващи се изисквания на варианти за употреба и IoT вертикални сегменти.
3GPP 5G NR Release 15 (Rel-15) бе разработен основно за приложение в областите на употреба, изискващи по-ниска латентност, по-високи пикови скорости на предаване на данни и свръхнадеждност отвъд възможностите на добре познатите 4G безжични мрежи. Той бе допълнен от 5G NR Rel-16, в който бяха добавени възможности за детерминирано по време (или както понякога се нарича – чувствително към времето) мрежово функциониране (Time-Sensitive Networking – TSN) и по-нататъшни подобрения на 3GPP спецификациите за надеждност и латентност.

Тези две версии бяха много подходящи за случаите на използване на IoT, но все още не се доближаваха достатъчно до вече съществуващите спецификации на 4G 3GPP Rel-13 и Rel-14, по отношение на енергийна ефективност, покритие и по-ниски разходи за оборудване. Съществуваше ясна необходимост от протокол, който да позволява случаи на използване, включващи чувствителни към времето комуникации (Time Sensitive Communications – TSC), и който би могъл да се възползва от енергийната и разходната ефективност на 4G, допълнени от надеждността и латентността на 5G.
Като резултат се появи RedCap, който бе официално приет в спецификациите на 3GPP през юни 2022 г.

Защо операторите се нуждаят от RedCap

За това има няколко причини. Въпреки че 5G мрежите се разгръщат глобално, не всички са еднакви. Съществуват два различни вида: самостоятелни (Stand Alone – SA) и несамостоятелни (Non-Stand Alone – NSA). SA мрежите разчитат изцяло на 3GPP 5G спецификациите за цялото оборудване на устройствата и инфраструктурата, докато NSA мрежите разчитат както на 3GPP 4G спецификациите, така и на 5G спецификациите.

Това означава, че устройствата "само за SA" са специално проектирани за 5G мрежи и не поддържат 4G технологии като LTE-M и NB-IoT. Това може да бъде проблем за операторите на чисто нови 5G мрежи, които нямат наследени 4G инсталации.

За да може дадено устройство да бъде съвместимо с 5G спецификациите, то трябва да отговаря на минимални изисквания, които включват 100 MHz широчина на честотната лента и четири RX антени. Това са много повече функции, отколкото са необходими за редица типични случаи на IoT приложения. Като увеличават консумацията на енергия, тези изисквания правят устройствата неподходящи за широкообхватни мрежи с ниско енергопотребление (LPWA). Тези минимални изисквания за 5G устройства са в сила както за SA, така и за NSA мрежите.

RedCap предлага път за миграция от 4G към 5G, като спектърът се прехвърля към нови честотни ленти и също така запълва празнината между 4G IoT и 5G NR технологиите.

Предимствата на RedCap

Основните ползи от RedCap са новите сценарии на употреба, които позволяват разработването на ценово ефективни устройства. Налични са три базови случая на употреба на IoT 3GPP Rel-17, необходими и търсени в бранша: индустриални безжични сензори, видеонаблюдение и носими електронни устройства. Всеки от тях има малко по-различни изисквания по отношение на скоростта на предаване на данни, латентността, надеждността и живота на батерията, както е показано в Таблица 1.

Тъй като техническите възможности на устройствата, базирани на RedCap, са по-малки от тези на 5G смартфоните, те могат да използват по-прости модеми и RF компоненти, което от своя страна намалява цената, енергопотреблението и размера на устройствата.
Не тъй сложният хардуер за безжична комуникация в устройствата обуславя използването на опростени външни архитектури на модема и RF оборудването, а намаленият брой антени и по-малкото MIMO изводи намаляват цената на устройствата. По-малкият брой дуплекс модули, усилватели и филтри също може значително да намали броя на компонентите в RedCap устройствата.

С намалените хардуерни изисквания и по-ниските разходи можем да очакваме много нови 5G устройства и случаи на използване през следващите няколко години и дори появата на значително по-евтини 5G смартфони, базирани на RedCap.

RedCap в сравнение с 5G и LTE

Ако погледнем Таблица 2, която показва как RedCap намалява сложността на устройствата и необходимите функции, можем да получим обща представа за изискванията на RedCap в сравнение с минималните UE изисквания на 5G и с LTE. Някои от най-важните моменти:
Честотна лента: Максималната честота от 20 MHz в FR1 и 100 MHz в FR2 ще доведе до намалена консумация на енергия и по-ниска цена на компонентите, но няма да достигне високата скорост на предаване на данни на пълноценни NR устройства.

Разгръщане:

• SA мрежите са единствените, които RedCap устройствата могат да поддържат. Това означава, че няма 2G/3G/4G свързаност, изискваща сложен RF хардуер, като по този начин се намаляват консумацията на енергия и габаритите.
  
  
• NR смартфоните обикновено трябва да поддържат десетки честотни ленти за глобално използване. RedCap устройствата ще бъдат проектирани за специфични случаи на употреба, които могат да бъдат стационарни обекти.
  
  
• Тези две точки обаче могат да са недостатък, докато разгръщането на SA мрежите се ускори. Наследените функции на NR, като например Sub-Carrier Spacing (SCS), в действителност намаляват латентността.

Антени: В RedCap устройствата могат да бъдат проектирани до две приемателни антени, което е много по-малко от изискванията за 4х4 в NR смартфоните. Това може да ограничи покритието, тъй като MIMO може да се използва за увеличаване на ефективността при прием на данни.

Максимална сила на сигнала (TX Power): По-ниските TX нива в сравнение с NR смартфоните ще намалят консумацията на енергия, което ще позволи използването на по-малки батерии и ще намали цената. Това обаче може да доведе до намаляване на покритието в края на клетката.
Обединяване на носещи честоти (Carrier Aggregation – CA): Липсата на поддръжка за CA означава, че RedCap устройството може да използва само един честотен канал в даден момент. Това ще намали консумацията на енергия, цената и габаритите.

Текущи и бъдещи разработки

RedCap спецификациите са включени в 3GPP Rel-17 и са финализирани през юни 2022 г., а появата на модеми и RF фронт-енд модули ще отнеме около година.
За модулите и крайните устройства ще е необходима още една година или по-малко, така че трябва да очакваме някои от първите RedCap устройства да се появят около края на 2023 г. до средата на 2024 г., в зависимост от нивото на сложност и интеграция на RedCap устройството. Това е навременно, тъй като международните оператори непрекъснато ще разгръщат 5G SA мрежи през следващите няколко години.
Rel-17 RedCap едва стартират процеса по намаляване на сложността с цел понижаване на цената и увеличаване на живота на батерията и остава още много какво да се направи. 3GPP започна проучването на спецификации за RedCap Rel-18 (NR Advanced), като тази фаза 2 на RedCap е планирана за първоначално пускане в началото на 2024 г.

Някои от проучваните функционалности включват:

• Sidelink – директна комуникация между 5G устройства;
  
  
• Позициониране – по-добро определяне на местоположението за приложения с висока точност;
  
  
• Нелицензирана лента – наличие на споделен спектър;
  
  
• Multicast & Broadcast (MBS) – услуги от тип "точка към много точки";
  
  
• Типове RedCap устройства – класификация на RedCap устройствата.

RedCap очевидно има обещаващо бъдеще и можем да очакваме дефинирането на допълнителни случаи на приложение, които ще обхванат предизвикателни сфери като безпилотни летателни апарати, електропреносни мрежи, роботика, промишленост, транспорт, проследяване на стоки, AGV и много други.