RedCap – 5G-alapú IoT
Ritkán találkozunk azzal a jelenséggel, hogy egy elterjedt és bevált rendszerrel olyan fejlesztést állítanak szembe a kidolgozói, amelynek célja alacsonyabb képességű változat létrehozása. Ennek jó példája a RedCap, amely az „ágyúval verébre” szemléletet kívánja kiküszöbölni egy olyan rendszerrel, ami számtalan IoT használati esetben éppen csak annyit tud, amire szükség van. A gyorsan terjedő alkalmazásokban megtérül a minimalista megközelítés.
A „dolgok internetén” (Internet of Things – IoT) kommunikáló eszközök mára megkerülhetetlenné váltak, és nagyszámú, főként keskenysávú csatlakozási módszert alkalmaznak. Az 5G megjelenésével egyre nagyobb az igény egy olyan IoT protokollra, amely kihasználja a lehetőségeiben rejlő előnyöket. Ez volt a motiváció a RedCap (Reduced Capability – csökkentett képességek) protokoll kidolgozásakor. A RedCap a 3GPP1 az IoT vezetékmentes specifikációja, amelyet az 5G NR2 néhány általánosan használt és specifikus használati esetének támogatására dolgoztak ki. A RedCap jelenlegi állapotát az ipar az IoT vertikumok és használati esetek által támasztott, sokféle és egymást átfedő követelményekre lehet visszavezetni.
A 3GPP 5G NR Release 15 (Rel-15) szabványt elsődlegesen annak érdekében fejlesztették ki, hogy eleget tegyen azoknak a használatieset-típusoknak, amelyek olyan alacsony latenciaidőt, magas adatsebességet és nagy megbízhatóságot igényelnek, amely felülmúlja a ma még működő, de új fejlesztésre már nem javasolt 4G-alapú vezetékmentes hálózatokat. Ezt később időkritikus hálózati képességekkel (Time-Sensitive Networking – TSN) egészítette ki az 5G NR Rel-16, amellyel tovább javították a 3GPP megbízhatósági és latenciaspecifikációit is. A szabványnak ez a két újabb kiadása nagyon előnyösnek mutatkozott az IoT használati esetekben, de nem közelítette meg eléggé a már létező 4G 3GPP Rel-13 és 14 specifikációkat, amelyeket az energiahatékonyságot, a lefedettséget és az alacsonyabb eszközköltségeket szem előtt tartva fejlesztettek. Egyértelmű igény fogalmazódott meg egy olyan protokoll iránt, amely engedélyezi az időérzékeny kommunikáció (Time Sensitive Communications – TSC) használatát, és amely a 4G hatékonyságával és alacsony költségigényével társítja az 5G megbízhatóságát és alacsony latenciaidőit.
Ennek az igénynek kíván megfelelni a RedCap, amelyet 2022 júniusában fogadtak be hivatalosan a 3GPP specifikációk körébe.
Miért igénylik a hálózatoperátorok a RedCap-ot?
Van néhány komoly ok arra, miért van szükségük a hálózatüzemeltetőknek a RedCap-protokollra.
Bár az 5G-hálózatokat világszerte bevezették, ez nem mindenütt ugyanazt jelenti. Két különböző típus létezik: az önmagában alkalmazható (Stand Alone – SA) protokoll teljes egészében a 3GPP specifikáción alapul, míg a nem önálló (Non-Stand Alone – NSA) protokoll a 3GPP-n kívül a 4G és 5G specifikációk teljesülését is megköveteli. Ez azt jelenti, hogy a „tisztán SA” eszközöket kimondottan az 5G hálózatokhoz tervezik, és nem támogatják az olyan 4G-technológiákat, mint az LTE-M és az NB-IoT. Ez problémát okozhat a tiszta, „zöldmezős” 5G-hálózatok operátorainak, akiknek nincs létező 4G-alapú rendszerük.
Egy, az 5G-specifikációknak megfelelő eszköznek teljesítenie kell bizonyos minimumkövetelményeket, amelynek része a 100 MHz-es sávszélesség és a 4 db vevő- (RX) antenna. Ezek messze meghaladják azokat a képességeket, amelyekre számos IoT-alapú használati esetnek szüksége lenne. Azzal, hogy ezek a képességek növelik az energiaigényt, ezek az eszközök alkalmatlanok a kis energiaigényű, nagy távolságú (Low Power Wide Area – LPWA) adathálózatok üzemeltetésére. Ezek minimumkövetelmények az 5G-eszközök iránt mind az SA-, mind pedig az NSA-hálózatokban.
A RedCap egy továbbfejlesztési útvonalat kínál a 4G-rendszerekről az 5G felé, mivel a jelspektrum is áthelyeződik az új sávokba, és egyben hidat is képez a 4G IoT- és az 5G NR-technológia között.
A RedCap előnyei
A RedCap fő előnye azokban a használati esetekben mutatkozik meg, amelyek költséghatékony készülékek fejlesztését teszik szükségessé. A szakma három eredeti IoT 3GPP Rel-17 használati esetet ismer. Ezek az ipari vezetékmentes szenzorok, a videómegfigyelés és a viselhető IoT-eszközök. Ezeknek bizonyos mértékig eltérők az igényeik az adatsebesség, a latenciaidő, a megbízhatóság és az energiaellátó elem élettartama szempontjából, amint az az 1. táblázatban látható.
1. táblázat
Mivel a RedCap-alapú készülékek képességei kisebbek, mint az 5G-okostelefonokéi, kevésbé összetett modem- és RF-struktúrát igényelnek, amely viszont csökkenti az eszköz költségeit, fogyasztását és méretét. A készülék kevésbé bonyolult vezetékmentes hardvere miatt egyszerűbb a modem és az RF-frontend felépítése, a kevesebb antenna és MIMO3 pedig olcsóbb felépítésű készüléket eredményez. A kevesebb antennához kevesebb duplexer (az adó- és vevőirányt szétválasztó iránycsatoló – a ford. megj.), erősítő és szűrő szükséges, amely jelentősen egyszerűsíti a RedCap futtatásához szükséges hardver anyaglistáját.
A csökkentett hardverkövetelmények és anyagköltség miatt várható, hogy sok új 5G-eszköz és használati eset jelenik meg a következő néhány évben, és ez még a RedCap-alapú 5G-okostelefonok jelentős árcsökkenését is magával hozhatja.
A RedCap összehasonlítása az 5G- és az LTE-technológiákkal
A 2. táblázatra nézve láthatjuk, hogyan csökkenti a RedCap használata a készülékek bonyolultságát és a használatához megkövetelt tulajdonságok körét, és áttekintést nyerhetünk a RedCap összehasonlításáról az 5G-alapú felhasználói berendezések (UE – User Equipment) minimális követelményeivel, valamint az LTE-vel. Emeljünk ki néhányat a fontosabb előnyök közül.
- Sávszélesség
– Az FR1-ben legfeljebb 20 MHz és 100 MHz az FR2-ben, amely csökkenti az energiafogyasztást és az alkatrészköltséget, ugyanakkor nem képes elérni olyan magas adatsebességet, mint a teljes NR-képességű eszközök. - Alkalmazások
– Az SA-hálózatok képesek egymagukban támogatni a RedCap-készülékeket. Ez azt jelenti, hogy nincs ugyan bonyolult RF-hardvert igénylő 2G/3G/4G-kompatibilitása, viszont az energiafogyasztás és a méret is kisebb.
– Az NR-alapú okostelefonoknak tipikusan több tucatnyi frekvenciasávot kell támogatniuk a globális használhatóság érdekében. A RedCap-készülékeket ellenben sajátos használati esetekre tervezik, állandó helyre telepített kivitelben.
– Ez a két pont viszont hátrányos lehet mindaddig, amíg az SA-telepítések száma nem növekszik. Az NR olyan alapképességei, mint például a SubCarrier Spacing (SCS, szimbólumgyakoriság, azaz az egy szimbólum átivteléhez szükséges idő reciproka) csökkentik a latenciaidőt. - Antennák
– Egy RedCap készülékhez legfeljebb két vevőantenna kapcsolható. Ez jelentősen kisebb az NR-alapú okostelefonok „4×4”-követelményénél. Ez korlátozhatja a lefedettséget, mivel az utóbbiak MIMO-megoldása növelheti a letöltési (downlink – DL) teljesítőképességet a hálózat felől. - Maximális adóteljesítmény
– Az NR-alapú okostelefonokénál kisebb adóteljesítmény csökkenti az energiafogyasztást, emiatt kisebb és olcsóbb akkumulátorok is használhatók. Ugyanakkor ez csökkentheti a lefedettséget a cellák szélein. - Hordozókötegelés (Carrier Aggregation4 – CA)
– A RedCap nem támogatja a CA-t, ami azt jelenti, hogy egy RedCap-eszköz egyetlen hordozófrekvenciát vesz igénybe. Ez csökkenti az energiafogyasztást, az árat és a méretet.
2. táblázat
A már meglevő és a jövőben várható fejlesztések
A RedCap specifikációját a 3GPP Rel-17 tartalmazza, amelyet 2022 júniusában véglegesítettek. Még további egy évet vesz igénybe a modemek és RF-frontendek piaci megjelenése. Előfordulhat viszont, hogy a modulok és végkészülékek megjelenéséig esetleg további egy évet kell várni, ezért az első RedCap-eszközök megjelenésére a 2023. év végétől 2024 közepéig tartó időszakban számíthatunk a bonyolultság szintjétől és a RedCap-eszközök integrációs fokától függően. Időben vagyunk, hiszen a globális hálózatoperátorok a következő néhány évben folyamatosan telepítik az 5G SA-hálózatokat.
A Rel-17 RedCap csak most indult el a bonyolultság csökkentése, az alacsonyabb ár és hosszabb telepélettartam felé vezető úton, és még sok a tennivaló. A 3GPP elkezdte a RedCap Rel-18 (NR Advanced) kidolgozására irányuló tanulmányokat, és ennek a RedCap 2. fázisnak az első megjelenését a 2024 év elejére tervezik. Felsorolunk néhányat a kidolgozás alatt álló képességek közül:
- Sidelink – készülékek közötti közvetlen 5G-kommunikáció
- Pozíciómeghatározás – jobb pozícióadatok a pontos helymeghatározást igénylő alkalmazásoknál
- Engedélyhez nem kötött sávhasználat – a megosztott spektrum elérhetővé tétele
- Multicast és broadcast (MBS) – egy végpontnak több végponttal folyó szimultán kommunikációja
- RedCap eszköztípusok – a RedCap-készülékek osztályozása
Világosan látszik, hogy a RedCap izgalmas és változatos jövő elé néz, és azt várjuk, hogy további használati eseteket lehessen meghatározni, amelyek megfelelnek az olyan kihívásoknak, mint a drónok, okos energiahálózatok, a robotika, az ipari és szállítási alkalmazások, vagyontárgyak követése, az automatizált, irányított járművek és még számos más új terület.
Szerző: Brian Davis, technológiai stratégiai igazgató – Anritsu Corporation
Jegyzetek
1 3-rd Generation Partnership Project, amelyet hét telekommunikációs szabványokat kidolgozó szervezet (Organizational Partners) együttműködésével indítottak mobilhálózati vezetékmentes technológiák kidolgozására (lásd: 3gpp.org).
2 5G NR (New Radio) a 3GPP által az 5G vezetékmentes hálózatokra kidolgozott adatkommunikációs technológia.
3 Multiple In, Multiple Out (többszörös be- és kimenet) – a vezetékmentes technológiák adatsávszélességének megnövelésére szolgáló architektúra.
4 Egy felhasználói csatorna adatsávszélességének megtöbbszörözése több hordozócsatorna közötti megosztással.
