Reduzierte Funktionen RedCap-Geräte und ihre Vorteile für 5G Netze

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Mit dem Release 17 3GPP wurden Spezifikationen für 5G-RedCap-Geräte veröffentlicht. Die drahtlosen Geräte nutzen reduzierte 5G-Funktionen, sind weniger komplex und verbrauchen weniger Strom. Wie wirkt sich das auf 5G-Netzwerke aus und wie werden sich RedCap-Geräte in den nächsten Jahren entwickeln?

Im Laufe der Jahre hat die Mobilfunkbranche mehrere drahtlose Technologien eingeführt, um Geräte für das Internet der Dinge (IoT) mit dem Internet zu verbinden. Zu den genannten IoT-Mobilfunktechnologien gehören LTE Cat M, GSM IoT mit erweiterter Abdeckung (EC-GSM-IoT) und Narrowband IoT (NB-IoT). Alle wurden mit dem Ziel entwickelt, die zusätzlichen Kosten der Mobilfunkverbindung zu minimieren, um das Kosten-Nutzen-Verhältnis des drahtlosen Fernzugriffs zu maximieren.

Die aktuelle und leistungsfähige Mobilfunktechnologie nutzt die Leistungsfähigkeit von 5G. Die Version 17 des Third Generation Partnership Project (3GPP) enthält Erweiterungen, die es Geräten mit eingeschränkten Funktionen (Reduced Capability/RedCap) ermöglichen, sich in 5G-Netze einzuloggen. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Mobilfunk-Techniken für IoT:

Weniger Stromverbrauch bei RedCap-Geräten

RedCap-Geräte stellen über 5G eine Verbindung zum Internet her. Sie verfügen allerdings nicht über die volle Funktionalität und Leistung herkömmlicher 5G-Geräte wie Smartphones und anderer Endgeräte. Zu typischen Geräten mit eingeschränkten Funktionen gehören Wearables, Sensoren, Überwachungssysteme und andere IoT-Geräte. Sie bieten weniger Durchsatz und Bandbreite und ihre Latenz ist ebenfalls geringer. Außerdem unterliegen sie in der Regel viel strengeren Beschränkungen hinsichtlich Stromverbrauch und Kosten. RedCap-Geräte profitieren vom Umfang der 5G-Implementierungen, nutzen aber weniger 5G-Funktionen, um ein optimales Verhältnis zwischen Funktionen, Kosten und Stromverbrauch zu erreichen.

3GPP spezifiziert drei Anwendungsfälle für RedCap-Geräte:

• industrielle Sensoren,

• Überwachungssysteme und

• Wearables.

Der 3GPP Technical Report 38.875 definiert die maximale Datenrate, die Ende-zu-Ende-Latenz (E2E) und die Verfügbarkeit des Dienstes für jeden Anwendungsfall (Tabelle 2):

Kompromiss finden zwischen Kosten und Leistung

Um Kosten und Stromverbrauch zu senken, verwenden RedCap-Geräte weniger Antennen als herkömmliche 5G-Geräte. Neben den Kosten wird auch die Anzahl der MIMO-Schichten (Multiple-Input Multiple-Output) reduziert. RedCap-Geräte unterstützen nur 2x2-MIMO für den Downlink und Single-Input-Single-Output für den Uplink. Darüber hinaus ist die Bandbreite der Geräte im Vergleich zu Standard-5G-UEs begrenzt. Dadurch können die Kosten für einen Leistungsverstärker (PA) begrenzt werden. RedCap-Geräte nutzen nur Bandbreiten von 20 MHz für Frequenzband 1 (FR1) und 100 MHz für Frequenzband 2 (FR2).

Mit dem 3GPP Release 17 wurde eine weitere Möglichkeit zur Kostensenkung bei RedCap-Geräten eingeführt: Sie unterstützen die Halbduplex-FDD-Übertragung (Frequency Division Duplex). Halbduplex-FDD kann die Kosten senken, da RedCap-Geräte Switches anstelle der für Vollduplex-FDD erforderlichen Duplexer verwenden. Es gibt jedoch auch Nachteile. Ein RedCap-Gerät kann nicht gleichzeitig senden und empfangen. Arbeitet ein Gerät mit Halbduplex-FDD, kann nicht gleichzeitig senden und empfangen:

• erkennt keine Planungsinformationen für Downlink und Uplink im gleichen Symbolsatz,

• kann keine Downlink-Nachrichten überwachen, während es im Uplink-Modus betrieben wird und

• kann keine Uplink-Steuerinformationen senden, während der Downlink überwacht wird.

Im Falle eines Konflikts können die RedCap-Geräte auf der Grundlage ihrer jeweiligen Implementierung entscheiden, was zu tun ist.

RedCap verbessert die Energieeinsparung

RedCap implementiert mehrere vereinfachte 5G-Spezifikationen, um die Energieeffizienz zu erhöhen, den Stromverbrauch zu senken und die Akkulaufzeit der RedCap-Geräte zu verlängern. Beispielsweise verwendet RedCap im Vergleich zur vollständigen 5G-Spezifikation ein reduziertes Schema für die Netzwerküberwachung. RedCap-Geräte begrenzen die Anzahl der zu überwachenden Blinddecodier- und Steuerelemente im Downlink Physical Control Channel (PDCCH) und reduzieren so den für diese Aufgaben erforderlichen Stromverbrauch.

Eine weitere Verbesserung beim Energieverbrauch und in RedCap implementiert wurde, ist der erweiterte diskontinuierliche Empfang (Extended Discontinuous Reception, eDRX). RedCap erhöht die eDRX-Zyklen, wenn das Gerät nicht mit dem Netzwerk verbunden ist oder sich im Leerlauf befindet, wodurch die Batterielebensdauer erheblich verlängert wird.

Längere eDRX-Zyklen sind in bestimmten Anwendungsfällen wichtig, beispielsweise bei stationären drahtlosen Sensoren. Dadurch erhöhen sich die eDRX-Zyklen und die Mobilitätsleistung des Geräts verringert sich. Man kann sich einen drahtlosen Sensor vorstellen, der ein Eisenbahngleis überwacht und nur in regelmäßigen Abständen eine Netzwerkverbindung herstellen muss, um Daten zu übertragen.

RedCap erleichtert auch die Anforderungen an das Radio Resource Management (RRM) für Geräte, die sich nicht am Zellenrand befinden. Außerdem führt es einen inaktiven RRC-Zustand (Radio Resource Control) ein. Dieser ermöglicht es dem Endgerät, kleine Datenübertragungen vorzunehmen, ohne den RRC-Verbindungszustand zu ändern.

Weniger komplexe RedCap-Geräte

Der letzte Aspekt der RedCap-Verbesserungen sind vereinfachte Maßnahmen, um die Komplexität der RedCap-Geräte zu reduzieren. Die Verbesserungen können auch den Energieverbrauch und die Gerätekosten senken, ihr Hauptzweck besteht jedoch darin, die Komplexität der Geräte zu senken, damit die HF-Komponenten in Geräte mit sehr kleinen oder unkonventionellen Formfaktoren passen (beispielsweise in tragbare Geräte wie Smart Glasses). Zu den vereinfachten Funktionen von RedCap, um die Komplexität der Geräte zu reduzieren, gehören die Unterstützung von nur einem Carrier (ohne Unterstützung für Carrier-Aggregation) und die Unterstützung von Single-Connectivity, wodurch das RedCap-Gerät nur im 5G-Standalone-Modus betrieben werden kann. RedCap unterstützt auch die 5G-Leistungsklasse 3, die die effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) von Geräten begrenzt, um die Größe der Gerätebatterie zu reduzieren.

Die beschriebenen Verbesserungen in Release 17 beziehen sich hauptsächlich auf RedCap-Geräte, wirken sich auch auf die 5G-Netze aus. Die Hauptauswirkung von RedCap auf 5G-Netzwerke besteht darin, dass sich die Netzwerke während des Zufallszugriffsprozesses und wenn das Gerät verbunden bleibt, an die spezifischen Eigenschaften von RedCap anpassen müssen. Neue Informationselemente (IEs) für RedCap ermöglichen es, die Bandbreite dynamisch anzupassen. Einige der neuen IEs beziehen sich beispielsweise auf die Erlaubnis für ein RedCap-Gerät, in einer Zelle zu verbleiben oder es im Halbduplex-Modus auszuführen. Einige IEs sind erforderlich, damit sich ein RedCap-Gerät mit einer Zelle verbinden kann. Werden die IEs nicht erkannt, blockiert die Zelle die Verbindung zum Gerät.

Jetzt muss das RedCap-Gerät das RRC-Verfahren starten, um sich mit einer anderen Zelle zu verbinden. Eine weitere der neuen IEs ermöglicht die Anwendung von RedCap-Lockout für stationäre Geräte und Geräte am Zellenrand.

5G RedCap-Geräte und ihre Vorteile:

• Gesundheitsüberwachung: Überwachen Patientendaten und lassen sich zur Ferndiagnose von Krankheiten einsetzen.

• Industrielle Datenerfassung: Erfassen Daten aus Maschinen und Anlagen.

• Asset-Tracking: Verfolgen Güter und Personen in Echtzeit.

• Intelligente Städte:Überwachen Verkehrsflüsse, steuern Beleuchtung und verbessern die Sicherheit.

Reduzierte maximale Bandbreite von 20 MHz

Einige der IEs betreffen die Konfiguration des Bandbreitenteils (Bandwidth Part, BWP), der das Spektrum flexibel nutzt, um die zugewiesene Bandbreite in Abhängigkeit von der Geräteaktivität anzupassen und damit Energie einzusparen. Niedrige Bandbreiten wirken sich auf das RACH-Verfahren (Random Access Channel) aus, das von den Geräten für den Zugang zum Netz verwendet wird. Das Netzwerk kann einen BWP für RedCap-Geräte festlegen oder die Größe des BWP für diese Geräte reduzieren, damit sie sich mit dem Netzwerk verbinden können. Diese Verbesserung ist für RedCap jedoch nur von begrenztem Nutzen, da die Geräte mit einer reduzierten maximalen Bandbreite von 20 MHz (FR 1) arbeiten. Entwickler von RedCap-Geräten benötigen Tools, um die RedCap-Parameter zu Debugging-Zwecken zu überprüfen.

Die Tabelle zeigt sowohl Vorteile als auch Kompromisse, um bei RedCap Kosten zu senken:

Die Aussichten für die Einführung von 5G-RedCap-Geräten in den kommenden Jahren sind gut. Analysten gehen davon aus, dass die ersten 5G-RedCap-Chipsätze in diesem Jahr und im Jahr 2024 auf den Markt kommen und die ersten kommerziellen RedCap-Geräte in den Jahren 2025 und 2026 auf den Markt kommen werden. Nach 2026 wird erwartet, dass das Wachstum der kommerziellen RedCap-Geräte steil ansteigt, da Industrien und Verbraucher 5G-Wearables für die Gesundheitsüberwachung und andere Anwendungen, kostengünstige kabellose Sensoren für die industrielle Datenerfassung und Asset-Tracking sowie Überwachungsgeräte für den Einsatz in intelligenten Städten, Fabriken und anderen Anwendungen annehmen.

5G RedCap-Geräte bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber früheren Mobilfunkstandards, darunter:

• Verbesserte Leistung: höhere Datenraten, geringere Latenzzeiten und eine größere Reichweite als 4G LTE Cat 1- oder Cat 4-Geräte.

• Geringerer Stromverbrauch: effizienter im Stromverbrauch als 5G eMBB- oder uRLLC-Geräte.

• Kostengünstigere Produktion: kostengünstiger in der Herstellung als 5G eMBB- oder uRLLC-Geräte.

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* Dylan McGrath ist Industry Solutions Marketer bei Keysight Technologies.

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