5G RedCap: Der Schlüssel zum anhaltenden IoT-Wachstum

Vorwort

Das erste 5G New Radio (NR)-Netzwerk wurde im April 2019 gestartet und seitdem wurden 202 Netzwerke in 79 Ländern eingeführt. Omdia prognostiziert, dass die Zahl der weltweiten 5G-Verbindungen bis Ende 2027 bei fast 6,8 Milliarden liegen wird. Allerdings konzentrieren sich die meisten Verbindungen auf Smartphones, und ein 5G-Internet der Dinge (IoT) im großen Maßstab muss noch realisiert werden.

3GPP hat 5G-Standards definiert, die sich fast alle auf Verbraucher-Smartphones und Anwendungsfälle mit hohem Datendurchsatz/geringer Latenz konzentrieren. Viele IoT-Anwendungen erfordern diese Funktionen nicht und sie können die Konstruktion, Herstellung und den Betrieb von IoT-Geräten erheblich komplex machen. Darüber hinaus werden die zusätzlichen Kosten den potenziellen Nutzen übersteigen, sodass ein groß angelegtes IoT – zumindest im mittleren Bereich der Konnektivitätskapazitäten – unerreichbar wird.

3GPP hat in der R17-Spezifikation den 5G RedCap-Standard angekündigt, der die Nachfrage nach 5G-Konnektivitätsfunktionen im mittleren Bereich decken soll. RedCap wird die Weiterentwicklung von 4G-Konnektivitätsoptionen mittlerer Reichweite (LTE Cat-1/1bis und LTE Cat-4) ermöglichen. Dieser Bericht stellt die neuesten Entwicklungen bei 5G RedCap bis 2023 vor und untersucht, warum die Technologie für das weitere Wachstum des IoT von entscheidender Bedeutung sein wird.

Was ist 5G RedCap?

3GPP hat 2018 die 5G-Spezifikationen definiert, die auf drei Säulen basieren: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) und Massive Machine-Type Communications (mMTC). eMBB und URLLC gelten als Herausforderung für die Grenzen des technologischen Fortschritts und sollen in Zukunft den unglaublich hohen Durchsatz und die geringen Latenzeigenschaften von 5G demonstrieren. Gleichzeitig verwendet mMTC die Low-Power Wide Area (LPWA)-Verbindungstechnologie, um eine große Anzahl von Geräten kostengünstig zu verbinden.

Obwohl diese neuen Technologien zu funktionalen Fortschritten geführt haben, ist in den letzten Jahren deutlich geworden, dass für viele IoT-Anwendungsfälle die hohen Geschwindigkeiten oder die geringe Latenz, die eMBB und URLLC bieten, nicht erforderlich sind. Sie erfordern jedoch bessere Funktionen als mMTC. Aus diesem Grund hat 3GPP eine abgespeckte Version, 5G RedCap, auf den Markt gebracht, um Anwendungsfällen gerecht zu werden, die Konnektivitätsfunktionen mittlerer Reichweite erfordern.

Das von 3GPP R17 im Jahr 2022 veröffentlichte 5G RedCap umfasst die folgenden Hauptfunktionen:

• Reduzieren Sie die Komplexität der Ausrüstung und senken Sie dadurch die Ausrüstungskosten

- Die maximale Bandbreite beträgt 20 MHz bei Sub-7GHz und 100 MHz bei mmWave – Einzelträger, daher keine Unterstützung für Trägeraggregation oder Dual-Konnektivität

-Verwenden Sie einen einzelnen Empfänger im Sub-7GHz-Band

- Reduzierter Gerätespeicherbedarf

• Reduzieren Sie den Stromverbrauch

Verbesserter Energiesparmodus mit Unterstützung für erweiterten, verbesserten diskontinuierlichen Empfang (eDRX) und geringere Sendeleistung

- Lockerung der Maßnahmen zur Verwaltung der Funkressourcen

• Datenübertragungsrate mindestens so hoch wie LTE Cat-1

-Downlink-Rate beträgt 150 Mbit/s, Upstream-Rate 50 Mbit/s

- Die Latenzziele liegen bei 100 ms für Industriesensoren und 500 ms für die Videoüberwachung (Mindestanforderung) – mit 5G RedCap kann jedoch eine geringere Latenz erreicht werden

- Eine Sendeantenne und mindestens eine Empfangsantenne (bis zu zwei wählbar)

Wir haben unten einige potenzielle Anwendungsfälle von 5G RedCap im IoT-Ökosystem aufgelistet, aber alle IoT-Anwendungsfälle mit mittlerer Geschwindigkeit können 5G RedCap verwenden:

• Sensoren: Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren, Bewegungssensoren, Beschleunigungsmesser und Aktuatoren

• Industrielle drahtlose Sensornetzwerke

• Überwachungskameras: Smart Cities, Fabriken und andere Industrieanlagen

• Wearables: Smartwatches, Ringe, elektronische Gesundheitsgeräte und medizinische Überwachungsgeräte

• Intelligentes Stromnetz

• Kassensystem (POS)

• Intelligente Zähler

• Telematik

• Industrielles Internet der Dinge (IIoT): Augmented-Reality-Headsets, fahrerlose Transportfahrzeuge und Robotersteuerungen

3GPP Release 18, dessen Veröffentlichung für das erste Quartal 2024 geplant ist, wird zusätzliche Funktionen enthalten. Insbesondere konzentriert sich Release 18 auf IoT-Geräte mit einer Leistung zwischen 3GPP Release 17 RedCap und vorhandenen LPWA-Geräten wie LTE-M und NB-IoT. Es ist wichtig zu beachten, dass sich diese Kategorie nicht mit LPWA überschneiden sollte, da LPWA bessere Indikatoren für Stromverbrauch und Abdeckung aufweist.

Zu den neuen Features/Funktionen, die in Betracht gezogen werden, gehören:

• Höhere Datenübertragungsraten als in R17 angegeben

• Positionierung: Standortbasierte Serviceanwendungen (wie z. B. Asset Tracking)

• Device-to-Device-Protokoll (Sidelink): Geräte (wie Wearables) können direkt mit Smartphones oder vernetzten Fahrzeugen in der Nähe kommunizieren

• Unterstützung der Nutzung des lizenzfreien Spektrums

• Reduzieren Sie die Komplexität und die Kosten der 5G RedCap-Benutzerausrüstung weiter

Es ist auch erwähnenswert, dass die in Release 18 erwarteten 5G RedCap-Gerätetypen LTE Cat-1 und Cat-1bis ähneln und eine Datenrate (Downlink) von 10 Mbit/s haben werden. Aufgrund dieser Fähigkeit ist RedCap sehr gut als langfristige Fortsetzung dieser LTE-Kategorien geeignet.

Omdia-Analyse

4G-Mittelstrecken-Konnektivitätstechnologien (LTE Cat-1, Cat-3 und Cat-4) machen den Großteil der Modullieferungen aus

Abbildung 1 zeigt den Prozentsatz der ausgelieferten IoT-Module, die LTE Cat-1-, Cat-3- oder Cat-4-Module sind, im Vergleich zu anderen Modulen (einschließlich aller 2G-, 3G- und der verbleibenden 4G- und 5G-Module). Die 4G-LTE-Standards mittlerer Geschwindigkeit (Cat-1, Cat-3 und Cat-4) sind die beliebtesten und am weitesten verbreiteten Mobilfunk-IoT-Standards der Welt und machen im Jahr 2023 50,3 % der Modullieferungen aus.

1. Abbildung 1: Über die Hälfte der im Jahr 2023 ausgelieferten Module (50,3 %) sind entweder LTE Cat-1, Cat-3 oder Cat-4

Die 4G LTE Cat-1-, Cat-3- und Cat-4-Standards bieten im Vergleich zu LTE-Kategorien mit niedrigerer Geschwindigkeit optimierte Datenraten und Latenz sowie preislich wettbewerbsfähigere Hardware mit geringerer Komplexität als LTE-Kategorien mit höherer Geschwindigkeit. Im Gegensatz dazu verfügt der 5G-Standard derzeit nicht über Mittelgeschwindigkeitsanwendungen, die LTE Cat-1, Cat-3 und Cat-4 im 4G-Standard entsprechen. Der 5G-Standard schlägt nur drei Extremszenarien vor: eMBB, URLLC und mMTC.

Die 4G-Mittelstreckenverbindungstechnologie hat sich nicht weiterentwickelt

Derzeit haben sich 4G-Verbindungstechnologien mittlerer Reichweite wie LTE Cat-1, LTE Cat-1bis, LTE Cat-3 und LTE Cat-4 nicht weiterentwickelt. Wie in der Einleitung dieses Berichts erwähnt, werden Hochleistungstechnologien wie eMBB und URLLC die Fortsetzung höherwertiger LTE-Technologien (zwischen LTE Cat-6 und Cat-24) sein. Technologien auf niedrigerem Niveau wie 2G und 3G werden in den kommenden Jahren auf mMTC-Netzwerke (NB-IoT oder LTE-M) umsteigen, insbesondere da viele 2G- und 3G-Netzwerke abgeschaltet wurden. Um die Langlebigkeit von IoT-Geräten/Anwendungsfällen zu gewährleisten, die derzeit die 4G-Technologie verwenden, ist daher insbesondere eine 5G-Konnektivität im mittleren Bereich erforderlich. Zumindest langfristig besteht bei Geräten, die derzeit LTE-Technologie verwenden, ohne entsprechende 5G-Verbindungstechnologie für mittlere Reichweite das Risiko einer Verschlechterung der Netzwerkleistung. Nach dem komplizierten Umstellungsprozess von 2G/3G auf NB-IoT/LTE-M möchte niemand, dass dies noch einmal passiert.

Logischerweise wird RedCap die Weiterentwicklungstechnologie für LTE Cat-1/1bis und LTE Cat-4 sein, da die Designstandards sehr ähnlich sind und für dieselben Anwendungsfälle verwendet werden können. Betrachten Sie das folgende Beispiel:

• Der QCX216 LTE Cat-1bis-Chip von Qualcomm wurde im Dezember 2022 auf den Markt gebracht; Laut der Produkteinführung ist es für Anwendungsfälle wie intelligente Wasser- und Stromzähler, Tracker, E-Metering und Smart Cities konzipiert. UNISOC ist der größte Akteur im LTE Cat-1bis-Bereich und sein 8910DM-Modul wird in Zahlungssystemen (POS), intelligenten Zählern und industriellen Steuerungssystemen eingesetzt. Diese Anwendungsfälle unterliegen etwas stärkeren Größenbeschränkungen als die für LTE Cat-1 – LTE Cat-1 erfordert zwei Antennen, während LTE Cat-1bis nur eine benötigt.

• Seit 3GPP R8 im Jahr 2008 LTE Cat-1 herausbrachte, hat sich die Technologie sehr gut weiterentwickelt. Es wurde in der industriellen Automatisierung, Telematik, Videoüberwachung, digitalen Beschilderung und Zahlungssystemen (ohne große Größenbeschränkung) eingesetzt.

• Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EV) sind ein schnell wachsender Anwendungsfall für Konnektivitätstechnologien mittlerer Geschwindigkeit. In den letzten Jahren wurden Elektrofahrzeuge stark von der Regierung gefördert. So haben die USA beispielsweise den „Infrastructure Act“ eingeführt, der den Bau von 500.000 Ladestationen bis 2030 vorsieht. In Großbritannien gibt es ähnliche Initiativen, die die Installation von Ladestationen für Elektroautos in allen neuen Häusern, Arbeitsstätten und Einkaufszentren vorschreiben. Diese Geräte generieren für Fahrer und Betreiber von Ladestationen nützliche Daten, beispielsweise nutzungsbasierte Analysen, Daten zum Batteriezustand und Abrechnungsinformationen. Sie benötigen Konnektivitätstechnologien, die einen ausreichenden Datendurchsatz bewältigen können und deren Installation und Betrieb kostengünstig genug sind. Daher eignen sich für diese Geräte am besten Konnektivitätstechnologien der Mittelklasse.

Dies sind die Anwendungsfälle, die 5G RedCap unterstützen soll, um sicherzustellen, dass diese Geräte nach der Abschaltung von 4G (viele davon werden zwischen 2030 und 2040 erwartet) eine Verbindung zu Telekommunikationsnetzen der nächsten Generation herstellen können.

Quelle: Omdia