Autor: Brian Davis, Director de Estrategia Tecnológica, Anritsu Corporation
Los dispositivos de Internet de las Cosas o IoT (Internet of things) se han vuelto omnipresentes y utilizan principalmente técnicas de conectividad de banda estrecha. Con la llegada de 5G existe una creciente necesidad de un protocolo IoT que aprovecha sus capacidades.
Esta es la motivación para el desarrollo de RedCap (Reduced Capability). RedCap es la especificación inalámbrica de 3GPP IoT diseñada para cubrir varios casos de uso genéricos y específicos para 5G NR. El estado actual de RedCap se puede resumir en varios requisitos en el sector que desembocan en varios requisitos superpuestos dependiendo del caso de uso y del segmento vertical de IoT.
3GPP 5G NR Release 15 (Rel-15) fue diseñada inicialmente para abordar casos de uso en entornos que exigen una menor latencia, mayores velocidades de transmisión de los datos y una fiabilidad muy elevada que supera a las antiguas redes inalámbricas 4G. Todo esto se complementó con 5G NR Rel-16, que añadió TSN (Time-Sensitive Networking) y nuevos avances en las especificaciones de fiabilidad y latencia de 3GPP.
Estas dos versiones fueron muy beneficiosas para los casos de uso de IoT, pero no se acercaron suficientemente a las especificaciones ya existentes 4G 3GPP Rel-13 y 14, que mejoraron la eficiencia energética, la cobertura y el coste del dispositivo. Había una clara necesidad de un protocolo que permitiera casos de uso basados en TSC (Time Sensitive Communications) y que aprovecharan la eficiencia y los costes de 4G, así como la fiabilidad y la latencia de 5G.
El resultado fue RedCap, que fue incluida oficialmente en las especificaciones 3GPP en junio de 2022.
Por qué los operadores necesitan RedCap
Hay varias razones por las que los operadores necesitan RedCap.
Aunque se están desplegando redes 5G en todo el mundo, no todas son iguales sino que son de dos tipos: SA (Stand Alone) y NSA (Non-Stand Alone). Las redes SA cumplen íntegramente las especificaciones 3GPP 5G para todos los dispositivos y todos los equipos de la infraestructura, mientras que las redes NSA cumplen las especificaciones 3GPP 4G y 5G.
Esto significa que los dispositivos “sólo SA” están especialmente diseñados para redes 5G y no son compatibles con tecnologías 4G como LTE-M y NB-IoT. Esto puede ser un problema para los operadores de redes 5G puras que no dispongan de instalaciones 4G antiguas.
Para que un dispositivo sea conforme a las especificaciones 5G debe cumplir unos mínimos requisitos, como un ancho de banda de 100 MHz y cuatro antenas RX. Esta capacidad es mucho mayor que la necesaria para muchos casos de uso en IoT; dado que incrementan el consumo, estos requisitos hacen que los dispositivos sean inadecuados para redes LPWA (low power wide area). Estos requisitos mínimos del dispositivo 5G se aplican tanto a redes SA como NSA.
RedCap ofrece una vía de migración de 4G a 5G ya que el espectro pasa a nuevas bandas y cubre la brecha existente entre las tecnologías 4G IoT y 5G NR.
Ventajas de RedCap
Las principales ventajas de RedCap son los nuevos casos que permite el desarrollo de dispositivos económicos. La industria requiere tres casos de uso iniciales de IoT 3GPP Rel-17: sensores inalámbricos industriales, videovigilancia y wearables (vestibles). Cada uno de ellos presenta diferentes requisitos en cuanto a velocidad de los datos, latencia, fiabilidad y autonomía de la batería, tal como refleja la Tabla 1.
Gráfico: Tabla 1
Dado que las prestaciones técnicas de los dispositivos basados en RedCap son inferiores a las de los smartphones 5G, puede utilizar diseños de módems y RF menos complejos, lo cual a su vez disminuye el coste del dispositivo, el consumo y el tamaño.
El hardware inalámbrico menos de complejo de los dispositivos simplifica las arquitecturas del modem y la etapa de entrada de RF, mientras que el menor número de antenas y MIMO permite reducir los costes del dispositivo. La menor cantidad de duplexores, amplificadores y filtros también puede disminuir enormemente el número de componentes de los dispositivos RedCap.
Ante los requisitos más bajos del hardware y los costes más reducidos, es previsible que veamos muchos dispositivos y casos de uso nuevos de 5G en los próximos años e incluso podría haber smartphones 5G con un coste mucho más bajo basados en RedCap.
Comparación entre RedCap, 5G y LTE
La Tabla 2 muestra cómo RedCap reduce la complejidad del dispositivo y las características exigidas, ofreciendo así una panorámica de la comparación entre los requisitos de RedCap, los requisitos mínimos de la UE para 5G y LTE.
Estos son algunos de los aspectos más destacados:
- Ancho de banda:
Un máximo de 20 MHz en FR1 y 100 MHz en FR2 reducirá el consumo y el coste de los componentes; sin embargo, no alcanzarán las altas velocidades de transmisión de los datos de los dispositivos totalmente NR.
- Despliegues:
– Las redes SA son las únicas que admiten dispositivos RedCap. Esto significa que la conectividad 2G/3G/4G no requiere un hardware de RF complejo, por lo que disminuye el consumo y el tamaño.
– Los smartphones NR suelen ser compatibles con decenas de bandas de frecuencia en todo el mundo. Los dispositivos RedCap se diseñarán para determinados casos de uso que pueden ser ubicaciones estacionarias.
– No obstante, estos dos puntos pueden ser un inconveniente hasta que se amplíe el despliegue de la red SA. Las capacidades inherentes de NR, como SCS (Sub- Carrier Spacing), reducen la latencia.
- Antenas:
– Los dispositivos RedCap pueden incorporar hasta dos antenas de recepción, mucho menos que las 4×4 requeridas por los smartphones NR. Esto puede limitar la cobertura porque MIMO se puede utilizar para incrementar el rendimiento del enlace descendente.
- Potencia máxima de transmisión (TX):
– Los menores niveles de TX respecto a los smartphones NR reducirán el consumo, lo cual permite reducir el tamaño de las baterías y el coste. Sin embargo, esto puede reducir la cobertura en el borde la célula.
- Agregación de portadora (Carrier Aggregation, CA):
– Al no admitir CA, un dispositivo RedCap solo necesita utilizar un canal de frecuencia a la vez. Esto disminuirá el consumo de energía, el coste y el tamaño.
Desarrollos actuales y futuros
Las especificaciones de RedCap se incluyeron en 3GPP Rel-17, finalizaron en junio de 2022 y alrededor de un año más tarde llegaron a los módems y las etapas de entrada de RF.
Por último, los módulos y los dispositivos finales necesitarán otro año, más menos, de manera que los primeros dispositivos RedCap aparecerán en 2024, dependiendo del nivel de complejidad y de la integración del dispositivo RedCap. Esto es oportuno porque los operadores globales desplegarán redes 5G SA continuamente durante los próximos años.
Rel-17 RedCap acaba de iniciar el proceso de reducción de la complejidad para disminuir el coste e incrementar la autonomía de la batería, y aún queda mucho por hacer. 3GPP ha empezado a estudiar elementos para RedCap Rel-18 (NR Avanzado) y la Fase 2 de RedCap está prevista para 2024.
Estos son algunos de los aspectos estudiados:
- Sidelink – dispositivo 5G directo para comunicación del dispositivo.
- Posicionamiento – mejor localización para aplicaciones que exijan exactitud.
- Banda sin licencia – disponibilidad para espectro compartido.
- MBS (Multicast y Broadcast) – servicios punto a multipunto.
- Tipos de dispositivos RedCap – clasificación de dispositivos RedCap.
Queda claro que RedCap tiene un gran futuro y es de prever que surgirán nuevos casos de uso destinados a aplicaciones como drones, redes eléctricas, robótica, industria, transporte, seguimiento de activos y vehículos de guiado automático, entre otras muchas.
