Även om 4G-mobilnäten inte kommer att försvinna på ett bra tag, är det klokt att tänka på vad som kommer därefter om du är i branschen för att designa enheter som är beroende av mobilanslutning. Detta gäller särskilt om det system du skapar måste vara i drift långt in i nästa decennium.
Nästa kapitel i historien om mobilanslutning är naturligtvis 5G. Vi ser redan nu en utbredd användning av 5G, särskilt för smarta mobiltelefoner för konsumenter. Men inom IoT har införandet varit märkbart långsammare och i synnerhet inom ett par segment. Detta beror på att områden som bärbara konsumentprodukter, tung industriell utrustning och smarta fabriksenheter inte är särskilt väl tillgodosedda av de ursprungliga 5G-specifikationerna, som debuterade 2018 i 3GPP Release 15.
Det goda nyheterna: 3GPP Release 17 introducerar 5G New Radio (NR) Reduced Capability. Detta förkortas i allmänhet till 5G RedCap eller kallas för NR-Light. Denna utgåva tillhandahåller den saknade biten i 5G-pusslet, vilket gör 5G till ett lönsamt alternativ för dessa produkter.
En snabb titt på de ursprungliga 5G-specifikationerna
För att förstå varför RedCap behövs måste vi ta en snabb titt på de ursprungliga 5G-specifikationerna.
5G NR debuterade i juni 2018, som en del av 3GPP Release 15. Denna definierar tre huvudsakliga användningsområden, med olika egenskaper.
För det första är det förbättrat mobilt bredband (enhanced mobile broadband, eMBB). Detta har blivit den främsta drivkraften för 5G, främst i smarta mobiltelefoner för konsumenter. eMBB ger högre datahastigheter och lägre latens än 4G LTE.
För det andra är det mycket tillförlitlig kommunikation med låg latens (ultra-reliable low-latency communication, uRLLC). Som namnet antyder är detta inriktat på verksamhetskritiska och latenskänsliga tillämpningar genom att ge kortast möjliga svarstid och högsta nätverkstillförlitlighet. Det förväntas öka kraftigt i och med expansionen av autonoma fordon, industriell automation och robotik.
Det tredje området är massiv maskinkommunikation (massive machine type communication, mMTC). Detta är inriktat på IoT och fokuserar på att minimera strömförbrukning och förbättra inomhustäckning i jämförelse med äldre mobil teknik. LTE-M och NB-IoT sitter tekniskt sett under 4G LTE-paraplyet och uppfyller ITU IMT-2020 5G mMTC-kraven, så är de intressant nog officiellt en del av 5G mMTC-familjen.
Vid det här laget måste vi också notera ett par andra punkter om 5G NR som är utvecklade speciellt för 5G och använder två frekvensområden. FR1 är för band upp till 7,125 GHz och FR2 är för band mellan 24,25 GHz och 71,0 GHz. Området över 24 GHz kallas också millimetervågor (mmWave).
Det finns en lucka…
Trots allt som är bra med den ursprungliga 5G-specifikationen saknades en del: en specifikation som är skräddarsydd för behoven hos IoT- och konsumentapplikationer i mellanklassen, varav många för närvarande använder LTE Cat 1 eller Cat 4 för sin mobilkommunikation.
Inom konsumentområdet kommer detta att vara saker som smarta klockor och andra bärbara enheter. Andra exempel är smarta fabrikstillämpningar som sensornätverk, eller autonoma styrda fordon,andra applikationer som telematik, fjärrdiagnostik och utrustning för maskinparkshantering som används i konstruktionen – som alla kräver medelhöga datahastigheter för att kunna vara i drift i många år framöver – i vissa fall potentiellt efter avvecklingen av 4G-näten.
I dessa användningsfall är både eMBB och uRLLC överspecificerade och därför, bland andra överväganden, inte kostnadseffektiva. Samtidigt uppfyller mMTC-lösningar, som LTE-M och NB-IoT, inte prestandakraven för dessa typer av mellanklassenheter.
Här kommer 5G RedCap: Efterföljaren till LTE Cat 1 eller Cat 4
Lyckligtvis introducerade 3GPP Release 17 den saknade pusselbiten: 5G NR Reduced Capability – eller förkortat RedCap.
När det gäller dess kapacitet ligger 5G RedCap under eMBB och uRLLC, men över LTE-M och NB-IoT, så 5G RedCap är lämplig för tillämpningar som för närvarande använder LTE Cat 1 eller Cat 4.
I version 17 måste RedCap-enheter stödja bandbredder upp till 20 MHz i FR1 och 100 MHz i FR2. Med tanke på kostnadsöverväganden kan det förväntas att de flesta RedCap-enheter kommer att nyttja FR1-spektrumet. 20 MHz är då den maximala bandbredden som många enheter kommer att behöva hantera.
RedCap stöder datahastigheter upp till LTE Cat 4-intervallet när det distribueras med 20 MHz bandbredd. Priserna kan variera beroende på nätverkskonfiguration och typ av duplex. Till exempel kan drift i FD-FDD (full duplex frequency division duplexing) vid 20 MHz bandbredd (med hänsyn tagen till mottagningsdiversitet) med 256-QAM komma upp till 227 Mb/s (nedlänk) och 91 Mb/s (upplänk).
Stöd för FR1- och FR2-banden är i teorin detsamma som för 5G eMBB-enheter. Detta kommer att bidra till en enklare utrullning för mobilnätsoperatörer över hela världen. Med detta sagt kan mobiloperatörer i slutändan besluta sig för att distribuera RedCap på en mer begränsad uppsättning band än eMBB.
Ur ett strömförbrukningsperspektiv lägger RedCap till eDRX-cykler (extended discontinuous reception) i inaktiva lägen och vilolägen och lättar på granncellsmätningar för stationära enheter. Detta bidrar till att sänka strömförbrukningen jämfört med eMBB.
RedCap bidrar också till att minska enheters komplexitet, bl.a. färre antenner och nedlänkning av MIMO-lager (multiple input multiple output), nedlänksmoduleringsordning och duplexdrift.
Jämförelse av 5G RedCap med 4G LTE Cat 1 och Cat 4
För de flesta konstruktörer som utvecklar enheter som kräver den typ av mobilanslutning som 5G RedCap kommer att tillhandahålla, handlar det om ett val mellan RedCap och 4G LTE Cat 1 eller Cat 4.
I vissa konfigurationer kommer man att kunna uppnå högre toppdatahastigheter och lägre latens med RedCap än med LTE Cat 4 (som har en maximal nedlänkshastighet på cirka 150 Mbit/s). RedCap kommer också att tillhandahålla en inbyggd anslutning till 5G Core i det privata nätverket, vilket kommer att vara till nytta om nätverkets livslängd är en viktig fråga.
En annan faktor kommer att vara tidslinjer och utbyggnadsregion. Vi förväntar oss att se de första 5G RedCap-enheterna komma ut på marknaden under 2024 i några av de tidiga länderna för cellulära adoptioner, såsom de i Nordamerika, såväl som Kina och andra länder i Asien och Stillahavsområdet. Om utrustning krävs för att ha en lång livslängd, kommer antagandet av den nyare tekniken att säkerställa att den kan fortsätta att ansluta till mobila nätverk långt in på 2030-talet.
Utvecklingen av RedCap: 3GPP Release 18
Förväntas i början av 2024. Release 18 kommer att utöka RedCaps stöd för att täcka ytterligare användningsfall. Dessa är mestadels lägre nivåer IoT-enheter med kapacitet som sitter mellan befintlig lågeffekts wide-area (LPWA) användarutrustning och Release 17 RedCap användarutrustning.
Release 18 RedCap kommer att sikta på en maximal datahastighet på cirka 10 Mb/s. Detta kan uppnås genom att sänka användarutrustningens basbandsbandbredd till 5 MHz för datakanaler i FR1, samtidigt som användarutrustningens RF-bandbredd hålls på 20 MHz. Det skulle också bidra till att minimera fragmentering av enheters ekosystem. Viktigt är att Release 18 RedCap inte försöker ersätta befintliga LPWA-lösningar, eftersom dessa kommer att förbli bättre vad gäller inomhustäckning och strömförbrukning.
Här kan du läsa mer
För dem som skapar lösningar som använder LTE Cat 1 eller Cat 4, signalerar lanseringen av 5G RedCap-specifikationen att det är dags att börja utforska hur du så småningom kommer att ersätta 4G-mobilnät i din design och ekosystem. För även om 4G-nätverk är några år från att gå i pension, är det smart att börja kartlägga dina nästa steg redan idag.
Av Sabrina Bochen, Sabrina Bochen, Director, Product Planning and Marketing, och Sylvia Lu, Corporate Strategy, u-blox
