S nástupem sítí 5G se otevřely nové možnosti pro připojení IoT zařízení, ale zároveň se objevila významná mezera v portfoliu podporovaných zařízení. Zatímco standardní 5G zařízení nabízela vysoký výkon s komplexní funkcionalitou a NB-IoT/LTE-M pokrývaly segment velmi jednoduchých IoT zařízení, chybělo řešení pro střední segment. Nebylo, jak pokrýt zařízení vyžadující občasné megabitové přenosové rychlosti a poměrně komplexní datovou podporu a zároveň napájené baterií, tedy s tlakem na energetickou úspornost. Situace se zatím (a zpravidla) řešila propojením přes Bluetooth LE či jinou radiovou technologii s mobilním telefonem či obecně mobilním terminálem, ale to nebyla dlouhodobě uspokojivá záležitost. To vedlo k vývoji technologií RedCap a eRedCap. Označení RedCap přitom znamená Reduced Capabilities - tedy Omezené možnosti. eRedCap pak znamená evolved - čili rozvinutý RedCap, nejde o to, že by tato zařízení musela být technicky silnější, ba právě naopak, počítá se s tím, že půjde o jednoduší hardware.
Historie vývoje
Vývoj RedCap začal jako technologie NR-Lite, když v červnu 2019 průmysl prezentoval několik návrhů pro studii IoT požadavků v 5G. Po několika letech studií a práce byl NR-Lite přejmenován na RedCap a oficiálně přijat do 3GPP specifikací v červnu 2022.
Hlavní motivací bylo, že zatímco 5G Release 15 (Rel-15) byl primárně navržen pro případy použití vyžadující nízkou latenci, vysoké datové rychlosti a ultra-spolehlivost nad rámec legacy 4G sítí, a Release 16 přidal podporu časově citlivého síťování (TSN) a další vylepšení spolehlivosti a latence, tyto specifikace stále nedosahovaly úrovně již existujících specifikací 4G 3GPP Rel-13 a 14 v oblasti energetické účinnosti, pokrytí a nižších nákladů na zařízení.
Klíčové milníky ve vývoji:
- 2020: Zahájení studie v 3GPP
- 2022: Release 17 - představení RedCap s maximální rychlostí 250 Mbps
- 2024: Release 18 - uvedení eRedCap s maximální rychlostí 10 Mbps
RedCap byl navržen specificky pro zařízení, která vyžadují více než základní IoT konektivitu poskytovanou NB-IoT/LTE-M, ale nepotřebují plnou funkcionalitu 5G. Typickými představiteli jsou nositelná elektronika jako chytré hodinky se streamováním hudby, zdravotnické monitory či průmyslové AR/VR brýle; průmyslová zařízení zahrnující HD bezpečnostní kamery a senzory s častým přenosem dat; prvky chytré domácnosti včetně bezpečnostních systémů a spotřebičů s pravidelnou komunikací; a komponenty městské infrastruktury jako chytré měřiče a dopravní signalizace. Tato zařízení obvykle vyžadují přenosové rychlosti v řádu desítek Mbps, pravidelnou (nikoli však nutně kontinuální) komunikaci, přiměřenou spotřebu energie a musí být cenově dostupná.
Oproti tomu eRedCap byl navržen pro případy použití, kde je rychlost 10 Mbps dostatečná, což odpovídá značné části IoT aplikací a umožňuje používat jednodušší hardware. Tato rychlost byla zvolena i s ohledem na kompatibilitu s existujícími zařízeními kategorie LTE Cat-1.
Porovnání parametrů základních, RedCap a eRedCap zařízení
| Parametr | FR1 (Sub-6GHz pásmo) | FR2 (mmWave pásmo) | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Základní zařízení | RedCap zařízení | eRedCap zařízení | Základní zařízení | RedCap zařízení | |
| Maximální šířka pásma | 100 MHz | 20 MHz | 5 MHz | 200 MHz | 100 MHz |
| Minimální počet přijímacích antén | 2 nebo 4 (podle frekvenčního pásma) | 1 - pro minimální terminál 2 - pro běžný terminál |
1* | 2 | 1 |
| Maximální počet podporovaných MIMO vrstev pro downlink | 2 nebo 4 (podle frekvenčního pásma) | 1 - pro terminál s 1 anténou 2 - pro terminál se 2 anténami |
1* | 2 | 1 |
| Maximální modulační řád pro downlink | 256QAM | 64QAM | 64QAM* | 64QAM | 64QAM |
| Duplexní režim | FD-FDD, TDD | podporuje HD-FDD type A | podporuje HD-FDD type A* | TDD | TDD |
Poznámky:
- FR1: Frekvenční pásmo pod 6 GHz
- FR2: Frekvenční pásmo milimetrových vln
- FD-FDD: Full Duplex Frequency Division Duplex
- HD-FDD: Half Duplex Frequency Division Duplex
- TDD: Time Division Duplex
- MIMO: Multiple Input Multiple Output
-
- Označené hodnoty pro eRedCap jsou odvozené a zatím nemusí být explicitně potvrzené ve standardu, na němž se v době psaní článku pracovalo
- eRedCap nepodporuje FR2 pásmo
- eRedCap má fixní maximální rychlost 10 Mbps pro downlink i uplink
Segmentace trhu IoT zařízení
5G IoT ekosystém se dělí do čtyř hlavních segmentů, každý s vlastními specifickými požadavky:
- eMBB (enhanced Mobile Broadband)
- Zaměření na vysokou přenosovou rychlost
- Typické použití: smartphony, tablety
- Plná podpora všech 5G funkcí
- URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications)
- Extrémně nízká latence
- Vysoká spolehlivost
- Použití: průmyslová automatizace, robotika
- mMTC (massive Machine-Type Communications)
- Nízká přenosová rychlost
- Důraz na energetickou účinnost
- Použití: senzory, měřiče
- RedCap/eRedCap
- Střední přenosová rychlost
- Optimalizovaná komplexita
- Použití: nositelná elektronika, průmyslové senzory
| Parametr | LTE Cat1 | LTE Cat 1bis | LTE Cat 4 | LTE Cat-NB2 (NB-IoT) | LTE Cat-M1 (eMTC) | RedCap | eRedCap |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3GPP verze | Rel-8 | Rel-13 | Rel-8 | Rel-14 | Rel-13 | Rel-17 | Rel-18 |
| Šířka pásma | až 20 MHz | až 20 MHz | až 20 MHz | 180 kHz | 1.4 MHz | FR1:20 MHz | FR1: 5-20 MHz |
| Duplexní režim | FD, TDD | FD, TDD | FD, TDD | HD, FDD | FD*, HD, TDD | FD, HD, TDD | FD, HD, TDD |
| Maximální rychlost stahování | 10 Mbps | 10 Mbps | 150 Mbps | 127 Kbps | 300 kbps | FR1: 220 Mbps | 10 Mbps |
| Maximální rychlost odesílání | 5 Mbps | 5 Mbps | 50 Mbps | 159 Kbps | 375 kbps | FR1: 120 Mbps | 10 Mbps |
| Max Tx/Rx řetězec | 1T/2R | 1T/1R | 1T/2R | 1T/1R | 1T/1R | 1T/2R (1T/1R) | 1T/1R |
| Vysílací výkon | 23 dBm | 23 dBm | 23 dBm | 14/20/23 dBm | 20/23 dBm | 20/23/24/29 dBm | 23 dBm |
| Dosah (MCL) | 141 dB | 141 dB | 144 dBm | 164 dB | 156 dB | 140 dB | 137 dB |
| Úspora energie | eDRX, PSM | eDRX, PSM | eDRX, PSM | eDRX, PSM | eDRX, PSM | eDRX, MICO | eDRX, MICO |
| Hlasové služby | Podporováno | Podporováno | Podporováno | Podporováno | Podporováno | Podporováno | Bude určeno |
Vysvětlivky:
- MCL: Maximum Coupling Loss (maximální vazební útlum)
- eDRX: Extended Discontinuous Reception (rozšířený přerušovaný příjem)
- PSM: Power Saving Mode (režim úspory energie)
- MICO: Mobile Initiated Connection Only (připojení iniciované pouze zařízením) *FD u LTE Cat-M1 je volitelné
Technické fungování RedCap
RedCap představuje zjednodušenou variantu standardního 5G, přičemž zavádí několik klíčových změn v architektuře a fungování zařízení. Jediným povinným zjednodušením je omezení šířky pásma - zatímco standardní 5G zařízení pracují se šířkou pásma až 100 MHz v pásmu FR1 (pod 6 GHz) a 200 MHz v pásmu FR2 (mmWave), RedCap zařízení jsou omezena na 20 MHz v FR1 a 100 MHz v FR2. Současně nepodporují carrier aggregation ani dual connectivity, což znamená, že nemohou využívat více nosných současně. Je důležité poznamenat, že toto omezení se týká pouze komunikace s RedCap zařízeními - základnová stanice může nadále využívat plnou šířku pásma pro komunikaci s ostatními zařízeními.
Další zjednodušení jsou již volitelná a závisí na konkrétní implementaci. Jedním z nich je redukce počtu antén, kdy RedCap zařízení může být implementováno pouze s jednou přijímací anténou namísto dvou nebo čtyř vyžadovaných u standardního 5G. To pochopitelně omezuje možnosti MIMO přenosu na single-layer v případě jedné antény, nicméně existuje i možnost implementace se dvěma anténami pro podporu dvou MIMO vrstev. Všechna zařízení jsou vybavena jednou vysílací anténou, což je stejné jako u standardního 5G.
Významným volitelným zjednodušením je podpora pouze half-duplex FDD operace místo full-duplex. To znamená, že zařízení nemusí být schopno současného vysílání a příjmu, což umožňuje použití jednoduchého přepínače namísto komplexních duplexních filtrů. Toto řešení vede k nižší ceně a menším rozměrům zařízení, ale může způsobit vyšší latenci a nižší přenosové rychlosti. Toto zjednodušení je zvláště výhodné pro zařízení, která potřebují podporovat více frekvenčních pásem.
V oblasti modulace došlo ke snížení maximálního modulačního řádu z 256-QAM na 64-QAM pro downlink i uplink. Toto zjednodušení vede k 25% snížení maximální přenosové rychlosti, ale umožňuje jednodušší implementaci přijímače a zpracování signálu.
RedCap také zavádí několik pokročilých úsporných režimů a optimalizací. Implementuje redukované PDCCH monitorování se třemi schématy: snížený počet slepých dekódování na slot, rozšířený interval monitorování PDCCH a dynamickou adaptaci PDCCH parametrů. Podporuje extended DRX s velmi dlouhým cyklem až 10485.76 sekund a nabízí RRM relaxaci pro stacionární zařízení včetně optimalizované správy mobility pro případy s omezeným pohybem.
Specifická je i procedura připojování k síti, kde dochází k identifikaci RedCap schopností během RACH procesu. Síť podporuje cell barring specificky pro RedCap zařízení a nabízí speciální konfiguraci BWP (Bandwidth Parts). Zařízení také notifikují síť o využití “stacionárních” a “cell edge” funkcí.
Všechna tato zjednodušení a optimalizace vedou k výraznému snížení složitosti zařízení - na přibližně třetinu oproti standardnímu 5G. To se projevuje v nižších výrobních nákladech, menších rozměrech zařízení a delší výdrži baterie. Důležité je, že přes všechna tato zjednodušení si RedCap zachovává klíčové 5G funkce, které jsou optimalizovány pro IoT použití.
RedCap přináší čtyři klíčová zjednodušení oproti standardním 5G zařízením:
- Omezená šířka pásma
- Maximum 20 MHz místo standardních 100 MHz
- Bez podpory agregace nosných (carrier aggregation)
- Omezení snižuje komplexitu zpracování signálu
- Redukovaný počet antén
- Možnost použití jediné přijímací antény
- Volitelná podpora více antén pro vyšší výkon
- Snížení složitosti MIMO implementace
- Half-duplex operace
- Není vyžadována současná komunikace oběma směry
- Zjednodušení RF front-end designu
- Nižší náklady na komponenty
- Zjednodušená modulace
- 64-QAM místo 256-QAM
- Snížení komplexity zpracování signálu
- 25% redukce maximální přenosové rychlosti
Výkonnostní charakteristiky a technické detaily
RedCap a eRedCap zařízení jsou charakterizována následujícími parametry:
RedCap maximální přenosové rychlosti:
- Downlink: 2 Mbps až 150 Mbps
- Uplink: 2 Mbps až 50 Mbps
eRedCap fixní přenosové rychlosti:
- Downlink: 10 Mbps
- Uplink: 10 Mbps
RedCap typické přenosové rychlosti: FDD mód:
- Downlink: 85-225 Mbps
- Uplink: 90-120 Mbps
TDD mód (60% downlink, 40% uplink):
- Downlink: 50-130 Mbps
- Uplink: 35-45 Mbps
eRedCap byl navržen pro případy použití, kde je rychlost 10 Mbps dostatečná, což odpovídá značné části IoT aplikací a umožňuje další zjednodušení hardware a snížení nákladů. Tato rychlost byla zvolena i s ohledem na kompatibilitu s existujícími zařízeními kategorie LTE Cat-1.
Klíčové technické charakteristiky:
- Šířka pásma: Maximum 20 MHz v FR1 a 100 MHz v FR2
- Modulace: Až 64QAM (oproti 256QAM u standardních 5G zařízení)
- Podpora RRC stavů: RRC_Idle, RRC_Inactive, RRC_Connected
- Doba výdrže baterie: Až 2 roky v závislosti na použití
- Vysílací výkon: FR1: Class 3, +23 dBm; FR2: Class 7, TRP: +23 dBm, EIRP: +43 dBm
Důležitou součástí jsou také pokročilé funkce úspory energie:
- Redukovaný PDCCH monitoring
- Extended DRX s cyklem až 10485.76 sekund
- RRM relaxace pro stacionární zařízení
Výkonnostní charakteristiky a technické detaily
RedCap zařízení jsou charakterizována následujícími parametry:
Přenosové rychlosti: FDD mód:
- Downlink: 85-225 Mbps
- Uplink: 90-120 Mbps
TDD mód (60% downlink, 40% uplink):
- Downlink: 50-130 Mbps
- Uplink: 35-45 Mbps
Klíčové technické charakteristiky:
- Šířka pásma: Maximum 20 MHz v FR1 a 100 MHz v FR2
- Modulace: Až 64QAM (oproti 256QAM u standardních 5G zařízení)
- Podpora RRC stavů: RRC_Idle, RRC_Inactive, RRC_Connected
- Doba výdrže baterie: Až 2 roky v závislosti na použití
- Vysílací výkon: FR1: Class 3, +23 dBm; FR2: Class 7, TRP: +23 dBm, EIRP: +43 dBm
Důležitou součástí jsou také pokročilé funkce úspory energie:
- Redukovaný PDCCH monitoring
- Extended DRX s cyklem až 10485.76 sekund
- RRM relaxace pro stacionární zařízení
eRedCap - evoluce technologie
eRedCap, představený v Release 18, přináší další optimalizace:
Klíčové vlastnosti
- Fixní maximální rychlost 10 Mbps
- Možnost omezení šířky pásma datového kanálu na 5 MHz
- Podpora pouze nižších a středních frekvencí
Motivace pro vývoj
- Kompatibilita s existujícími LTE Cat-1 zařízeními
- Optimalizace pro IoT aplikace s nižšími nároky
- Další snížení výrobních nákladů
Příspěvek významných firem
Ericsson hrál klíčovou roli ve vývoji těchto technologií:
- Působení jako rapporteur v 3GPP
- Aktivní přispívání k definici standardů
- Vedení studií pro specifikace
Implementační aspekty
Nasazení RedCap a eRedCap technologií přináší několik výhod:
Pro výrobce
- Snížení výrobních nákladů
- Možnost využití existujících výrobních procesů
- Jednodušší certifikace
Pro operátory
- Softwarový upgrade existující 5G infrastruktury
- Rozšíření portfolia podporovaných zařízení
- Efektivnější využití spektra
Budoucnost a perspektivy
RedCap a eRedCap představují významný krok v evoluci 5G IoT:
- Rozšiřují možnosti využití 5G v IoT segmentu
- Snižují bariéry pro adopci 5G technologií
- Podporují rozvoj nových IoT aplikací
Očekávaný vývoj zahrnuje:
- Další optimalizace pro specifické use-cases
- Rozšíření podpory ve vyšších frekvenčních pásmech
- Integrace s dalšími IoT technologiemi
Závěr
RedCap a eRedCap technologie představují důležitý most mezi vysokovýkonními 5G zařízeními a jednoduchými IoT senzory. Jejich postupný vývoj a nasazení umožní vývoj pokoročilejšího hardware, než jsou malé IoT senzory - a tento hardware nebude muset být připojen k internetu zprostředkovaně přes nějakou PAN síť, jako je WiFi, BT nebo Thread.
| 