Das wichtigste Kapitel in der Geschichte der mobilen Konnektivität ist 5G. 5G ist bereits weit verbreitet, insbesondere bei Smartphones für Verbraucher. Im Bereich des Internets der Dinge (IoT) ist die Einführung jedoch deutlich langsamer – dies gilt besonders für einige Branchen. Dies liegt daran, dass die ursprünglichen 5G-Spezifikationen, die 2018 in 3GPP Release 15 veröffentlicht wurden, nicht besonders gut für Bereiche wie Wearables für Verbraucher, schwere Industrieausrüstung und intelligente Fabrikgeräte geeignet sind.
Wenn Sie an der Entwicklung einer dieser Geräteklassen beteiligt sind, gibt es gute Neuigkeiten: 3GPP Release 17 führt die 5G New Radio (NR) Reduced Capability ein. Dies wird üblicherweise mit 5G RedCap oder NR-Light abgekürzt. Es handelt sich hierbei um das fehlende Teil des 5G-Puzzles, das 5G zu einer praktikablen Option für die entsprechenden Produktklassen macht.
Status Quo 5G
Um zu verstehen, warum RedCap erforderlich ist, müssen wir einen kurzen Blick auf die ursprünglichen 5G-Spezifikationen werfen. 5G NR wurde im Juni 2018 als Teil des 3GPP Release 15 vorgestellt. Darin werden drei Anwendungsgebiete mit unterschiedlichen Eigenschaften definiert:
Das erste ist das erweiterte mobile Breitband (eMBB). Dieses hat sich zum wichtigsten Faktor für die Einführung von 5G entwickelt, insbesondere im Bereich der Verbraucher-Smartphones. eMBB bietet höhere Datenraten und geringere Latenzen als 4G LTE. Zweitens: Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC). Wie der Name schon andeutet, zielt die Technologie auf erfolgskritische und latenzempfindliche Anwendungen ab, indem sie die niedrigste Latenz und die höchste Netzwerkzuverlässigkeit bietet. Es ist zu erwarten, dass diese Technologie mit der Verbreitung von autonomen Fahrzeugen, industrieller Automatisierung und Robotik einen Aufschwung erleben wird. Der dritte Bereich ist die Massenkommunikation von Maschinen (mMTC). Diese IoT-orientierte Technologie konzentriert sich im Vergleich zu älteren Mobilfunktechnologien auf die Minimierung des Stromverbrauchs und die Verbesserung der Abdeckung in Innenräumen. Interessant ist, dass LTE-M und NB-IoT zwar technisch zu 4G LTE gehören, jedoch die Anforderungen von ITU IMT-2020 5G mMTC erfüllen und somit offiziell Teil der 5G mMTC-Familie sind.
Zudem wurde 5G NR speziell für 5G entwickelt und nutzt zwei Frequenzbänder. FR1 ist für Bänder bis 7,125 GHz und FR2 für Bänder zwischen 24,25 GHz und 71,0 GHz vorgesehen. Der Bereich oberhalb von 24 GHz wird auch als Millimeter-Welle (mmWave) bezeichnet.
Es gibt eine Lücke…
Trotz aller Vorteile der ursprünglichen 5G-Spezifikation fehlte etwas: eine Spezifikation, die auf die Bedürfnisse von IoT- und Verbraucheranwendungen im mittleren Leistungsbereich zugeschnitten ist, von denen viele derzeit LTE Cat 1 oder Cat 4 für die mobile Kommunikation nutzen.
Im Verbraucherbereich sind dies beispielsweise Smartwatches und andere Wearables sowie Smart Factory-Anwendungen wie Sensornetzwerke, Videoüberwachung, industrielle Wearables oder autonome Fahrzeuge, die alle mittlere Datenraten benötigen. Weitere Beispiele sind Telematik-, Ferndiagnose- und Flottenmanagementgeräte in Bau-, Landwirtschafts- und Bergbauausrüstungen. Auch sie benötigen mittlere Datenraten und die Fähigkeit, über viele Jahre hinweg einsatzfähig zu bleiben – in einigen Fällen möglicherweise über die Abschaltung der 4G-Netze hinaus. In diesen Anwendungsfällen sind sowohl eMBB als auch uRLLC überspezifiziert und daher unter anderem nicht kosteneffizient. Außerdem sind mMTC-Lösungen wie LTE-M und NB-IoT nicht in der Lage, die Leistungsanforderungen von Midrange-Geräten dieser Art zu erfüllen.
5G RedCap
Glücklicherweise wurde mit dem 3GPP Release 17 das fehlende Puzzlestück zur Verfügung gestellt: 5G NR Reduced Capability – oder kurz RedCap genannt. Wie bereits erwähnt, wird 5G RedCap manchmal auch als 5G NR-Light bezeichnet. Hinsichtlich seiner Fähigkeiten liegt 5G RedCap unterhalb von eMBB und uRLLC, aber oberhalb von LTE-M und NB-IoT, also im Sweet Spot für Anwendungen, die derzeit LTE Cat 1 oder Cat 4 nutzen. In Release 17 müssen RedCap-Geräte Bandbreiten von bis zu 20 MHz in FR1 und 100 MHz in FR2 unterstützen. Da davon auszugehen ist, dass die meisten RedCap-Geräte aus Kostengründen im FR1-Spektrum eingesetzt werden, wird die maximale Bandbreite, die viele Geräte unterstützen müssen, bei 20 MHz liegen.
RedCap unterstützt Datenraten bis zu LTE Cat 4, wenn es mit einer Bandbreite von 20 MHz betrieben wird. Die Datenraten können je nach Netzwerkkonfiguration und Art des Duplexbetriebs variieren. Beispielsweise können im Vollduplex-Frequenzduplex-Betrieb (FD-FDD) bei 20 MHz Bandbreite (unter Berücksichtigung der Empfangsdiversität) mit 256-QAM bis zu 227 MB/s (Downlink) und 91 Mb/s (Uplink) erreicht werden. Die Unterstützung der FR1- und FR2-Bandbreiten ist theoretisch die gleiche wie bei 5G eMBB-Geräten. Dies wird dazu beitragen, die Einführung für Mobilfunknetzbetreiber weltweit zu vereinfachen. Die Mobilfunkbetreiber könnten sich letztendlich dafür entscheiden, RedCap in einer geringeren Anzahl von Bändern einzusetzen als eMBB-Kits.
Hinsichtlich des Stromverbrauchs fügt RedCap erweiterte diskontinuierliche Empfangszyklen (eDRX) im inaktiven beziehungsweise Leerlaufmodus (Idle Mode) hinzu und lockert die Nachbarzellenmessung für stationäre Geräte. Dies trägt dazu bei, den Stromverbrauch im Vergleich zu eMBB zu reduzieren. Darüber hinaus reduziert RedCap die Komplexität der Geräte, einschließlich weniger Antennen und MIMO-Schichten (Multiple Input Multiple Output) im Downlink, Downlink-Modulationssequenz und Duplexbetrieb. In unserem Whitepaper „Cellular technology evolution for IoT applications in the 5G era“ erfahren Sie noch mehr über diese Bereiche und erhalten einen tiefen Einblick in die technischen Details von 5G RedCap.
4G LTE Cat 1 und Cat 4 und ...
Für die meisten Geräteentwickler, die die mobile Konnektivität von 5G RedCap benötigen, wird es eine direkte Wahl zwischen RedCap und 4G LTE Cat 1 oder Cat 4 geben. In bestimmten Konfigurationen bietet RedCap höhere Spitzendatenraten und geringere Latenzen als LTE Cat 4 (mit einer Spitzen-Downlink-Rate von cieca 150 Mbps). Darüber hinaus bietet RedCap eine intrinsische Verbindung zum 5G-Kern im privaten Netz, was vorteilhaft ist, wenn die Langlebigkeit des Netzes entscheidend ist.
Ein weiterer Faktor ist Ihr Zeitplan. Wann wird Ihr Gerät eingesetzt und in welchen geografischen Regionen? Es wird erwartet, dass die ersten 5G RedCap-Geräte 2024 in einigen der Länder auf den Markt kommen, in denen der Mobilfunk frühzeitig eingeführt wurde, beispielsweise in Nordamerika, China und anderen Ländern im asiatisch-pazifischen Raum.
Welche Lebensdauer erwarten Ihre Kunden von den Geräten? Wenn die erwartete Lebensdauer der Geräte sehr lang ist, ist es wahrscheinlich sinnvoller, die neueste Technologie zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Verbindung zu den Mobilfunknetzen bis weit in die 2030er Jahre erhalten bleibt.
RedCap: 3GPP Release 18
Wie immer entwickeln sich die 3GPP-Standards schnell weiter und Release 18, das für Anfang 2024 erwartet wird, soll die Unterstützung von RedCap auf weitere Anwendungsfälle ausdehnen. Dabei handelt es sich vor allem um IoT-Geräte der unteren Klasse mit Funktionen, die zwischen den bestehenden Low-Power-Wide-Area (LPWA)-Nutzergeräten und den Release 17 RedCap-Nutzergeräten liegen. Beispiele hierfür sind industrielle drahtlose Sensornetzwerke und intelligente Stromnetze (Smart Grids).
Release 18 RedCap wird eine Spitzendatenrate von circa 10 Mb/s anstreben. Dies wäre dann möglich, indem man die Basisbandbreite der Nutzergeräte auf 5 MHz für Datenkanäle in FR1 reduziert, während die HF-Bandbreite der Nutzergeräte bei 20 MHz bleibt. Dies würde auch dazu beitragen, die Fragmentierung des Geräte-Ökosystems zu minimieren. Wichtig ist, dass Release 18 RedCap nicht darauf abzielt, bestehende LPWA-Lösungen zu ersetzen, da diese in puncto Abdeckung in Innenräumen und Stromverbrauch weiterhin besser sein werden.
