5G-Mobilfunkstandard für IoT-Geräte
5G RedCap bringt Schwung ins IoT
5G RedCap (Reduced Capability) öffnet eine neue Dimension für das IoT. Als Brücke zwischen Low-End-Technologien wie NB-IoT und den High-End-Fähigkeiten des 5G-eMBB und verspricht der neue Standard eine neue Ära kostengünstiger, energieeffizienter IoT-Geräte. Doch was ist eigentlich 5G RedCap?
Das 3GPP-Konsortium hat zahlreichen neuen 5G-Mobilfunkanwendungen den Weg geebnet. Ein Dreigespann von Diensten deckt dabei unterschiedliche Einsatzzwecke ab: Enhanced Mobile Broadband (eMBB) sorgt für schnelles Internet, Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC) für extrem zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz, und Massive Machine Type Communications (mMTC) ermöglicht eine hohe Anzahl vernetzter Geräte. mMTC soll zudem die Weiterführung bestehender Technologien wie NB-IoT und neue maschinenorientierte Dienste sicherstellen.
RedCap: Brücke zwischen bestehenden 5G-IoT-Technologien
Der neue Standard 5G Reduced Capability (RedCap) adressiert im Kontext des Internets der Dinge (IoT) den Bedarf an kleineren, preiswerteren und weniger komplexen HF-Geräten mit längeren Batterielaufzeiten als bestehende 5G-Produkte.
RedCap zielt auf IoT-Dienste ab, die zwar höhere Datenraten erfordern als bei mMTC, aber ohne die hohen Geschwindigkeiten von 5G eMBB auskommen. RedCap bildet sozusagen eine logische Brücke zwischen den vorhandenen 5G-Services: Auf der einen Seite finden sich Technologien wie NB-IoT für sehr geringe Datenraten – mit äußerst geringer Komplexität auf Endgeräteseite und einer vereinfachten Funkschnittstelle für Anwendungen wie etwa klassische Sensornetzwerke. Auf der anderen Seite steht die Effizienzsteigerung des Systems durch ein servicebasiertes Kernnetz, eine flexible Protokollarchitektur und dynamische Luftschnittstellen, ausgerichtet auf High-end Devices wie Smartphones oder Industriemodems.
Vereinfacht gesagt ist die Idee dahinter, ein bisschen mehr als die eine Seite und ein bisschen weniger als die andere Seite zu realisieren und somit neue Anwendungsfälle und Endgeräte-Kategorien innerhalb des Ökosystems Mobilfunk zu ermöglichen. Die RedCap-Technologie soll auch die weitere Miniaturisierung von IoT-Geräten wie etwa Wearables ermöglichen. Sie wird vollständig in die übergreifenden 5G-Systeme integriert sein und ist die erste IoT-Technologie, die komplett auf 5G basiert und somit auch den Operatoren Vorteile bietet, wie beispielsweise die Anwendung von Network Slicing.
RedCap – Endgeräte und Netzwerkarchitektur
Zentrale Aspekte von 5G RedCap betreffen sowohl die Endgeräte (UE) als auch das Netzwerk selbst – denn die Reduzierung der Komplexität der Endgeräte und deren Merkmalen erfordert auch ein angepasstes Netzwerkverhalten.
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Ziel von RedCap ist klar die Reduzierung der Komplexität der Endgeräte, um günstigere Herstellungskosten und damit neue UE-Kategorien zu realisieren. Dies geschieht in erster Linie durch die Spezifikation von Einschränkungen wie etwa eine maximale Bandbreite, in Release 17 von maximal 20 MHz, Release 18 von 5 MHz, den Betrieb mit nur einer Antenne, Halbduplex und ein reduziertes Modulationsschema. Eine weitere funktionelle Einschränkung ist, ein Endgerät unterstützt nur eine Funkzugangstechnologie (RAT) gleichzeitig, sodass ein 5G-Netz, das RedCap anbietet, im 5G-Standalone-Modus arbeiten muss. Darüber hinaus müssen Signalisierungsverfahren, wie beispielsweise die Koordination der Bandbreitenanteile aktualisiert werden, weil die reduzierte Bandbreitenleistung der Endgeräte eine Reaktion oder Anpassung seitens des Netzes erfordert.
Das Reduzieren der Bandbreite für das Senden von Systeminformation wäre so ein Beispiel: Entweder reduziert das Netz die Bandbreite der Systeminformation für alle Endgeräte, oder es sendet diese doppelt, als Systeminformationen für 5G-Endgeräte, die eine höhere Bandbreite unterstützen parallel zu einer Systeminformation mit reduzierter Bandbreite für RedCap-Endgeräte.
Eine wichtige Eigenschaft sind Zellzugriffsbeschränkungen – abhängig von den Fähigkeiten des Endgeräts. Um vom Netz optimal verwaltet werden zu können, muss sich das Endgerät daher so früh wie möglich während des Random-Access-Verfahrens als RedCap-Endgerät identifizieren. RedCap-Tests, vor allem im Zusammenhang mit Konformitäts- oder Zertifizierungstests, sind deswegen nicht nur für die Endgeräte-Implementierung relevant, sondern betreffen auch das Netz selbst und speziell die Signalisierung von Netzzugangsbeschränkungen.
RedCap-Tests und -Verifizierung
Rohde & Schwarz hat RedCap-Testfunktionen für seinen Mobilfunktester CMX500 implementiert. Diese Systemsimulator-Testplattform deckt Sender- und Empfängermessungen (TX/RX) auf HF-Ebene genauso ab wie Tests von Signalisierungsszenarien und die relevanten Protokolltest-Aspekte einschließlich Testszenarien zum Energiemanagement. Letztere helfen maßgeblich dabei, Energiesparmaßnahmen zu entwickeln. Die maßgeschneiderte Hardware-Konfiguration CMX500 OBT lite adressiert Anwendungen mit geringeren Datenraten in allen Produktionsphasen – von der frühen Forschung und Entwicklung bis hin zu Konformitätstests für die Typzulassung.
Wichtig ist es auch, im Hinblick auf ein erfolgreiches Deployment von RedCap und die Tatsache der veränderten Signalisierungsmöglichkeiten, das Mobilfunknetz zu testen und zu verifizieren. Diese Aufgabe ermöglicht ein Scanner, der Empfangsleistungs- oder Coverage-Messungen einer klassischen Spektrumanalyse um die Funktionalität der Dekodierung von Systeminformationen erweitert. Ein solcher Scanner, wie etwa der R&S TSMA6B, ermöglicht die Verifizierung der ordnungsgemäßen und funktionsspezifischen Signalisierung von Netzzugangsregeln und dadurch die Optimierung des Netzes für RedCap.
Zellulare und nicht-zellulare IoT-Technologien
Verschiedene Wireless-Technologien erheben den Anspruch, die Kommunikation zwischen Maschinen und, weiter gefasst, das Internet der Dinge zu unterstützen. Daher ist es wichtig, ein Klassifizierungsschema zu entwickeln und die Bedeutung von RedCap für dieses Ökosystem zu begründen. Beispielsweise lassen sich die IoT-Technologien in zellulare und nicht-zellulare Typen unterteilen. Prominente Beispiele nicht-zellularer IoT-Technologien sind Bluetooth, IEEE Wi-Fi, IEEE UWB sowie die von der Connectivity Standard Alliance (CSA) unterstützten Standards.
Das 3GPP-Konsortium hat mehrere Technologien für die Maschinenkommunikation definiert, darunter GPRS, EC-GSM, NB-IoT und LTE-M. Mit RedCap erweitert sich das Internet der Dinge nun auf 5G-Konnektivität. Die Motivation für RedCap ist vielschichtig. Es besteht Bedarf an Geräten mit geringerer Komplexität und niedrigerem Energieverbrauch. Diese sollen dennoch höhere Durchsatzraten für die Maschinenkommunikation ermöglichen und dabei die Flexibilität des 5G-Systems sowie die QoS-zentrierte Netzwerkarchitektur effektiv nutzen. Ein grundlegendes Ziel ist die vollständige Integration des IoT in 5G. Letzteres bietet erhebliche Vorteile für den Netzbetreiber. Er kann die service-basierte, dynamische und flexible 5G-Netzarchitektur nutzen. Beispielsweise lässt sich das Network Slicing nun speziell für IoT-Anwendungen konfigurieren.
Verschiedene IoT-Anwendungen
Frühe IoT-Implementierungen fokussierten auf einer einfachen Kommunikation zwischen Maschinen. Die Datenraten waren niedrig und die Anforderungen an die Dienstgüte (Quality of Service, QoS) gering. Der Fokus lag auf einem sensorbasierten, endgeräteorientierten Netzwerk. Spätere IoT-Implementierungen deckten anspruchsvollere Klassifikationen ab. Ein Beispiel ist der Übergang von datenzentrischen, hauptsächlich auf den Downlink ausgerichteten Smartphone-Geräten hin zu ereignisgesteuerten IoT-Geräten, die in der Lage sind, in Uplink-Richtung ein größeres Datenvolumen zu übertragen – wie etwa Überwachungskameras.
Massive IoT: Effiziente Vernetzung vieler Geräte
Massive IoT deckt in erster Linie weiträumige Anwendungsfälle ab: die Vernetzung einer großen Anzahl einfacher, preiswerter Geräte, die bei relativ geringem Datendurchsatz lange Batterielaufzeiten bieten. Meist sind damit sporadisch auftretende Datenverbindungen ohne explizite QoS-Anforderungen realisiert. NB-IoT- und Cat-M-Technologien ergänzen sich. Weltweit haben 124 Diensteanbieter NB-IoT-Netze aufgebaut oder kommerziell in Betrieb genommen, 57 unterhalten ein Cat-M-Netz und 56 beide Typen. NB-IoT und Cat-M erlauben eine reibungslose Evolution hin zu 5G – sie können auch nach der Einführung von 5G in den gleichen Bändern weiterbetrieben werden. Zu den kommerziellen Geräten für Massive IoT gehören zahlreiche Messgeräte, Sensoren, Tracker und Wearables. Next-Generation eNB (NG-eNB) stellt hier eine wichtige Erweiterung dar. NG-eNB bedeutet eine Erweiterung der bisherigen LTE-Basisstation eNB, indem sie eine direkte Verbindung zum 5G-Kernnetz herstellt. Vereinfacht gesagt, wird der existierende NB-IoT-Standard in das 5G-System integriert und garantiert damit den Fortbestand bestehender IoT-Anwendungen.
Breitband-IoT: Höhere Datenraten und geringere Latenzen
Breitband-IoT geht noch einen Schritt weiter und erweitert die Technologie auf weiträumige Anwendungsfälle mit höheren Durchsätzen, geringeren Latenzen und größeren Datenmengen, als Massive IoT unterstützen kann. LTE unterstützt bereits viele Anwendungsfälle in diesem Segment. Bis Ende 2025 werden 34 % der zellularen IoT-Verbindungen auf Breitband-IoT entfallen, wobei mehrheitlich 4G genutzt wird. Die Einführung von 5G New Radio (NR) sowie die Erweiterungen in 5G-Advanced bewirken, dass die Datenübertragungsraten in diesem Segment erheblich steigen werden.
Critical IoT: Zeitkritische Anwendungen
Eine weitere wichtige Anwendung ist das sogenannte Critical IoT, das für die zeitkritische, resiliente Mission-Critical-Kommunikation sowohl in weiträumigen als auch in lokalen Anwendungsfällen verwendet wird. Diese Anwendungen erfordern eine garantierte Datenübertragung mit vorgegebenen Latenzzielen oder ein QoS-Anforderungsprofil wie beispielsweise ein Prioritätsprofil. Für ein critical IoT werden 5G-Netze mit erweiterten Funktionen für die zeitkritische Kommunikation genutzt. Die ersten Module zur Unterstützung sicherer Mission-Critical-IoT-Anwendungsfälle wurden im Jahr 2021 in Betrieb genommen. Typisch hierfür sind Cloud-basierte künstliche Intelligenz und virtuelle Realität, Cloud-Robotik, sicherheitsrelevante Sensornetze, autonome Fahrzeuge und fortgeschrittenes Cloud-Gaming sowie die Echtzeitkoordination und -steuerung von Maschinen, Prozessen und Notrufdiensten.
Fazit: RedCap als Wegbereiter für das IoT der Zukunft
5G RedCap ist eine Erweiterung des Standards, der die Lücke zwischen Low-End- und High-End-IoT-Technologien schließt. Die Integration in das 5G-Ökosystem verspricht eine neue Generation von IoT-Geräten und Anwendungsfällen, die sowohl Nutzer als auch Netzbetreiber voranbringen.
Der Autor: Reiner Stuhlfauth ist Technology Manager Wireless bei Rohde & Schwarz
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