Anche se le reti cellulari 4G non scompariranno nel breve e nel medio termine, se vi occupate della progettazione di dispositivi che si basano sulla connettività cellulare, è opportuno pensare a cosa succederà dopo. Ciò è particolarmente vero se il kit che state creando dovrà rimanere in funzione anche nel prossimo decennio.
Il prossimo capitolo nella storia della connettività cellulare è, ovviamente, il 5G. Stiamo già assistendo a una sua adozione diffusa, sopratutto nel settore degli smartphone. Ma nel campo dell’IoT, la diffusione è stata notevolmente più lenta, in particolare in alcuni segmenti.
Questo perché, le applicazioni quali i dispositivi indossabili per i consumatori, le apparecchiature industriali pesanti e i dispositivi di fabbrica intelligenti, non sono particolarmente adatte a supportare le specifiche 5G originali, che hanno fatto il loro debutto con la versione 15 del 3GPP nel 2018.
Se siete coinvolti nella progettazione di una di queste classi di dispositivi, ci sono buone notizie: la versione 17 del 3GPP introduce lo schema 5G New Radio (NR) a capacità ridotta. Questo viene generalmente abbreviato in 5G RedCap, o indicato come NR-Light. Esso rappresenta il tassello mancante del puzzle, che rende il 5G un’opzione praticabile per queste classi di prodotti.
In questo articolo, identificheremo il vuoto che RedCap colma e, in seguito, ne esploreremo le caratteristiche chiave. Spiegheremo anche come questa soluzione si differenzia da 4G LTE Cat 1 e Cat 4 e indicheremo alcuni dei fattori da considerare per decidere se lo schema 5G RedCap costituisce la soluzione di connettività cellulare più adatta per i vostri dispositivi di oggi e per gli anni a venire.
Un rapido sguardo alle specifiche 5G originali
Per capire perché è necessario RedCap, dobbiamo dare una rapida occhiata alle specifiche 5G originali.
Lo standard 5G NR ha debuttato nel giugno 2018, come parte della versione 15 del 3GPP. Esso definisce tre casi d’uso fondamentali, con caratteristiche diverse.
Innanzitutto, c’è la banda larga mobile migliorata (eMBB) che è diventata il principale fattore dietro alla diffusione del 5G, soprattutto nel settore degli smartphone consumer. La rete eMBB offre velocità di trasmissione dati più elevate e latenze inferiori rispetto al 4G LTE.
In secondo luogo, è disponibile la comunicazione ultra-affidabile e a bassa latenza (URLLC) destinata alle applicazioni con funzione critica e sensibili alla latenza.Questa fornisce i livelli di latenza più bassi possibili e la massima affidabilità della rete. Si prevede un boom di popolarità dello standard con lo sviluppo dei veicoli autonomi, dell’automazione industriale e della robotica.
Il terzo aspetto è dato dalle comunicazioni massive di tipo macchina (mMTC). Finalizzata all’IoT, quest’ultima area di sviluppo si concentra sulla riduzione al minimo del consumo energetico e sul miglioramento della copertura in ambienti interni rispetto alle tecnologie cellulari tradizionali.
È interessante notare che, sebbene gli standard LTE-M e NB-IoT rientrino tecnicamente nell’ambito del 4G LTE, essi soddisfano i requisiti ITU IMT-2020 5G mMTC, quindi fanno ufficialmente parte della famiglia 5G mMTC.
A questo punto, occorre far notare un paio di altri aspetti dello standard 5G NR. Sviluppato specificamente per il 5G, utilizza due intervalli di frequenza. L’intervallo FR1 è per le bande fino a 7,125 GHz, mentre FR2 è per le bande comprese tra 24,25 GHz e 71,0 GHz. L’intervallo superiore a 24 GHz viene anche chiamato a onde millimetriche (mmWave).
Manca qualcosa…
Nonostante tutti gli aspetti positivi delle specifiche 5G originali, mancava un elemento: una specifica adattata alle esigenze dei sistemi IoT di fascia intermedia e delle applicazioni di classe consumer, molte delle quali utilizzano attualmente gli schemi LTE Cat 1 o Cat 4 per le comunicazioni cellulari.
In ambito consumer, si tratterà di oggetti come gli smartwatch e gli altri dispositivi indossabili. Altrove, gli esempi includono le applicazioni per la fabbrica intelligente come le reti di sensori, la videosorveglianza, i dispositivi indossabili industriali o i veicoli a guida autonoma, che richiedono tutti velocità medie di trasmissione dati.
Altri esempi sono dati dalla telematica, dalla diagnostica remota e dai dispositivi di gestione delle flotte utilizzati negli apparecchi per l’edilizia, l’agricoltura e l’estrazione mineraria. Anche queste ultime applicazioni richiedono velocità di trasmissione dati medie e la possibilità di garantire l’operatività per molti anni a venire, in alcuni casi, potenzialmente anche dopo la dismissione delle reti 4G.
In tali casi d’uso, sia i servizi eMBB che quelli urlLC sono sovra-dimensionati e quindi, tra l’altro, non sono convenienti. Allo stesso tempo, le soluzioni mmTC, come LTE-M e NB-IoT, non soddisfano le esigenze prestazionali di questi tipi di dispositivi di fascia media.
Uno sguardo all’interno dello standard 5G RedCap: il successore di LTE Cat 1 o Cat 4
Fortunatamente, la versione 17 del 3GPP ha introdotto il pezzo mancante del puzzle: il 5G NR a capacità ridotta, o RedCap in breve. Come accennato in precedenza, a volte viene anche chiamato 5G NR-Light.
In termini di funzionalità, il 5G RedCap si colloca al di sotto delle classi di servizio eMBB e URLLC, ma al di sopra di LTE-M e NB-IoT, e quindi costituisce la soluzione ideale per le applicazioni che attualmente utilizzano LTE Cat 1 o Cat 4.
Nella Versione 17, i dispositivi RedCap devono supportare larghezze di banda fino a 20 MHz in banda FR1 e 100 MHz in FR2. Poiché, come conseguenza degli aspetti legati ai costi, prevediamo che la maggior parte dei dispositivi RedCap venga installata all’interno dello spettro FR1, la larghezza di banda massima che molti dispositivi dovranno supportare è di 20 MHz.
Lo standard RedCap supporta velocità di trasmissione dati fino alla classe LTE Cat 4, se utilizzato per una larghezza di banda di 20 MHz. Le tariffe possono variare in base alla configurazione della rete e al tipo di funzionamento duplex.
Ad esempio, il funzionamento in full duplex con divisione di frequenza (FD-FDD), una larghezza di banda di 20 MHz (considerando la diversità di ricezione) e schema 256-QAM, potrebbe raggiungere fino a 227 MB/s (downlink) e 91 MB/s (uplink).
Il supporto della gamma delle bande FR1 e FR2, in teoria, è lo stesso dei dispositivi 5G eMBB. Ciò contribuirà a facilitarne l’adozione da parte degli operatori di rete mobile di tutto il mondo. Detto questo, gli operatori potrebbero in ultima analisi decidere di adottare la tecnologia RedCap su un set di bande più limitato rispetto al kit eMBB.
Considerando i consumi energetici, RedCap aggiunge cicli estesi di ricezione discontinua (EdRX) in modalità inattiva e di attesa (idle) e riduce le misure delle celle adiacenti per i dispositivi fissi. Ciò contribuisce a diminuire il consumo energetico rispetto allo schema eMBB.
RedCap fa anche altro per ridurre la complessità del dispositivo: ad esempio, prevede un numero minore di antenne e di livelli MIMO (Multiple Input Multiple Output) in downlink, presenta un ordine di modulazione in downlink e assicura il funzionamento duplex.
Per saperne di più su tutte queste aree, il nostro white paper «L’evoluzione della tecnologia cellulare per le applicazioni IoT nell’era del 5G» esamina in modo più dettagliato gli aspetti tecnici dello standard 5G RedCap.
Confronto tra 5G RedCap e 4G LTE Cat 1 e Cat 4
Per la maggior parte dei progettisti impegnati nella creazione di dispositivi che richiedono il tipo di connettività cellulare fornita dallo standard 5G RedCap, si tratterà di scegliere direttamente tra RedCap e 4G LTE Cat 1 o Cat 4.
In alcune configurazioni, con RedCap sarete in grado di raggiungere velocità dati di picco più elevate e latenze inferiori rispetto a LTE Cat 4 (che offre una velocità di downlink di picco di circa 150 Mbps). RedCap vi fornirà inoltre una connessione intrinseca al Core 5G all’interno della rete privata, e ciò sarà utile se la longevità della rete costituisce un problema fondamentale.
Un altro fattore sarà dato dalle vostre tempistiche. Quando verrà introdotto il vostro dispositivo e in quali aree geografiche dovrà operare?
Prevediamo di vedere giungere sul mercato i primi dispositivi 5G RedCap nel 2024 in alcuni dei Paesi che hanno adottato per primi la rete cellulare, come il Nord America, oltre alla Cina e ad altre nazioni dell’Asia-Pacifico.
Per quanto tempo i clienti si aspetteranno che i vostri apparecchi rimangano operativi?
Se il kit ha una durata prevista molto lunga, è probabile che sia più opportuno adottare la nuova tecnologia, per garantire la possibilità di connessione alle reti mobili fino al 2030.
L’evoluzione di RedCap: 3GPP versione 18
Come sempre, gli standard 3GPP continuano a evolversi rapidamente e la Versione 18, prevista per l’inizio del 2024, è destinata ad estendere il supporto alla tecnologia RedCap per coprire ulteriori casi d’uso.
Si tratta principalmente dei dispositivi IoT di livello inferiore, con funzionalità che si collocano tra gli apparecchi utente LPWA (Low-Power Wide Area) esistenti e quelli previsti dalla Versione 17 di RedCap. Alcuni esempi includono le reti di sensori wireless industriali e le reti intelligenti.
La versione 18 di RedCap farà riferimento a una velocità di trasmissione dati di picco di circa 10 MB/s. Ciò potrebbe essere ottenuto riducendo a 5 MHz la larghezza di banda delle apparecchiature utente in banda base per i canali dati in FR1, mantenendo la larghezza di banda RF a 20 MHz.
Questo contribuirebbe anche a ridurre al minimo la frammentazione dell’ecosistema dei dispositivi. È importante sottolineare che la Versione 18 di RedCap non intende sostituire le soluzioni LPWA esistenti, poiché queste rimarranno migliori in termini di copertura negli ambienti interni e di consumo energetico.
Per saperne di più
Per coloro che stanno attualmente creando soluzioni basate su LTE Cat 1 o Cat 4 per inviare dati da e verso dispositivi remoti, il lancio della specifica 5G RedCap indica che è ora di iniziare a esplorare le modalità di sostituzione della rete cellulare 4G all’interno dei propri progetti ed ecosistemi.
Questo perché, anche se le reti 4G sono ancora ben lungi dallo spegnimento, data la longevità di molti dispositivi che utilizzano LTE Cat 1 e Cat 4, è opportuno iniziare a pianificare già da oggi i prossimi passi da compiere.
Per saperne di più o per discutere della tecnologia 5G RedCap contatta qui uno degli specialisti tecnici di u-blox.
* Articolo di Sabrina Bochen, Director, Product Planning and Marketing, and Sylvia Lu, Corporate Strategy, u-blox
 nella connettività cellulare futura e la sua adattabilità per dispositivi IoT e di fascia media.){kind=link}