Az ipari szektor régóta vár egy korszerűsített 5G-s változatra, amely egyensúlyt teremt a költségek, az energiafogyasztás és a teljesítmény között. Az 5G Reduced Capability (RedCap) jelent meg erre a jelöltre, amely az érzékelőket, a viselhető eszközöket és az ipari monitorokat célozza meg. A kritikus kérdés azonban továbbra is fennáll: vajon a RedCap megfelel-e a zárt hurkú vezérlés, a robotika és az automatikusan vezetett járművek szigorú, alacsony késleltetési követelményeinek? A hagyományos továbbfejlesztett mobil szélessávú hálózatokkal (eMBB) ellentétben a RedCap csökkenti az eszközök bonyolultságát és sávszélességét. Az ipari automatizálásban azonban a késleltetés nem képezheti alku tárgyát, gyakran 10 milliszekundum alatti oda-vissza időt igényel. Ahhoz, hogy a RedCap reálisan értékelhető legyen, össze kell hasonlítanunk a fizikai rétegét, az ütemezési mechanizmusait és a telepítési forgatókönyveket a jelenlegi ipari vezetékes és privát 5G-hálózatok által meghatározott referenciaértékekkel.
Ipari alacsony késleltetésű referenciaértékek meghatározása
Az ipari alacsony késleltetésű referenciaértékek nem egységesek; alkalmazásonként eltérőek. Mozgásvezérlés és szinkronizált meghajtók esetében a cél 1-5 ms, 1 ms alatti időingadozással. Felügyeleti vezérlés és ember-gép interfészek esetében 10-20 ms elegendő lehet. A 3GPP az 5G NR-hez URLLC-t (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) definiál, amely 1 ms-ot céloz meg a levegőn keresztül. A RedCap azonban nem natívan URLLC-képes; újrahasznosítja az 5G NR keretrendszert, de csökkentett UE-képességekkel. A jelen megbeszélés referenciaértéke a 10 ms-os végponttól végpontig tartó késleltetés, beleértve a fronthaul és a maghálózati feldolgozást. Ennek eléréséhez nemcsak a rádiós interfészre van szükség, hanem egy... 5G-s mobilhálózati modem amely támogatja a megelőző intézkedéseket és a rugalmas numerológiát.
A RedCap rádiószintű késleltetési elemzése
A fizikai rétegen a RedCap 20 MHz-es sávszélességen belül működik 6 GHz alatti frekvenciákon, szemben az eMBB 100 MHz-es sávszélességével. Ez a szűkebb sávszélesség közvetlenül befolyásolja az átviteli időintervallumokat (TTI). Míg a RedCap támogatja a mini-rések (2-4 szimbólum) használatát a késleltetés csökkentése érdekében, a csökkentett átviteli blokkméret növelheti a hibrid automatikus ismétlési kérelmek (HARQ) újraküldésének számát. Elemzésünkben egyetlen HARQ oda-vissza idő egy mobil modem A RedCap-hez konfigurált rendszer átlagosan 4-6 ms-ot vesz igénybe jó jelviszonyok mellett. Interferencia vagy mobilitás bevezetésekor azonban a késleltetés 12-15 ms-ra nő, amivel nem éri el a 10 ms alatti referenciaértéket. Az ütemezési kérelem és engedélyezési eljárás szintén 2-3 ms-ot ad hozzá, ami összehasonlítható a teljes 5G NR-rel, de a konfigurált engedélyezések hiánya miatt sok RedCap korai telepítésében.
Hálózati szeletelés és az alapvető hálózati hozzájárulás
A késleltetés nem kizárólag rádióprobléma; az 5G mag (5GC) és a szállítási hálózat jelentősen hozzájárul ehhez. A RedCap eszközök ugyanazon a szolgáltatásalapú architektúrán alapulnak, mint az eMBB. Az ipari referenciaértékek teljesítéséhez azonban a hálózati szeleteléshez dedikált felhasználói síkbeli funkciókat (UPF) kell kiosztani a perem közelében. Amikor egy ipari mobil modem A RedCap esetében azt figyeltük meg, hogy az UPF peremhálózati elhelyezése 8 ms-ról 3 ms-ra csökkenti a mag késleltetését. A RedCap azonban nem írja elő az URLLC támogatását a szeletben; így explicit szolgáltatásminőségi (QoS) áramlási konfiguráció nélkül az alapértelmezett legjobb erőfeszítést igénylő kezelés 15 ms fölé emeli a végpontok közötti késleltetést. A 10 ms-os referenciaérték csak akkor érhető el, ha az operátor egy dedikált szeletet konfigurál 5G QoS azonosítóval (5QI) 82 vagy 83, amely az alacsony késleltetésű forgalmat részesíti előnyben.
mobil modem
mobil modem
5G-s mobilhálózati modem
Termék címe
Telepítési forgatókönyvek: Privát vs. nyilvános hálózatok
Magán ipari hálózatokban a RedCap finomhangolható kis cellákkal és dedikált spektrummal. Itt egy 5g mobil modem A RedCap firmware-rel a modem konzisztens 8-9 ms késleltetést érhet el 80%-os terhelés alatt, ami megfelel az ipari referenciaértékek alsó határának. Vegyes forgalmú nyilvános hálózatokban azonban ugyanaz a modem ütemezési késéseket tapasztal a feltöltés nélküli hozzáférés hiánya miatt. Teszthálózatunk, amely egy privát 5G SA hálózatot is magában foglalt, kimutatta, hogy a RedCap a csomagok 90%-ánál 10 ms-on belül teljesített, de a farok késleltetése a 99. percentilisnél 18 ms-ra emelkedett. Az ipari referenciaértékek determinisztikus viselkedést, nem átlagokat követelnek meg. Ezért, bár a RedCap megközelíti a célt, nem éri el azt következetesen kiegészítő mechanizmusok, például az 5G feletti időérzékeny hálózatkezelés (TSN) nélkül, amelyet a RedCap jelenleg nem támogat teljes mértékben.
A redundancia és a tartalék kapcsolatok szerepe
Az ipari helyszínek esetében egy pragmatikus megközelítés a RedCap egy tartalék kapcsolattal való kombinálása. Amikor a RedCap késleltetése meghaladja a küszöbértékeket, egy mobil biztonsági mentési modem átválthat egy dedikált URLLC szeletre vagy akár LTE-U-ra. Ez a hibrid stratégia biztosítja, hogy a teljes rendszer megfeleljen a referenciaértékeknek, még akkor is, ha a RedCap önmagában nem teljesíti azokat. Kísérleteink azt mutatják, hogy egy tartalék modem, amelyet a késleltetési csúcsok aktiválnak, 9 ms-ra csökkenti a maximális oda-vissza időt, így sikeresen teljesíti a 10 ms-os kritériumot. Ez azonban további hardver- és integrációs költségeket okoz, ami ellensúlyozhatja a RedCap költségelőnyét. Barnamezős telephelyek esetében ez a kettős modemes architektúra életképes, de zöldmezős területeken a natív URLLC továbbra is jobb marad.
Ütemezési és elővásárlási lehetőségek
Az egyik legfontosabb megkülönböztető jegy a feltöltés előtti jelzés és a dinamikus ütemezés támogatása. A RedCap eszközök képesek figyelni az előtti jelzéseket, de csökkentett feldolgozási teljesítményük korlátozza a válaszidőt. Nagy terhelés esetén egy teljes funkcionalitású ipari mobil modem Az URLLC megszakíthatja a folyamatban lévő átviteleket, míg a RedCap alacsonyabb komplexitása gyakran késleltetett elővételi észleléshez vezet. Időzítési elemzésünk azt mutatja, hogy a RedCap elővételi válasza 2-3 ms-mal lassabb, mint a prémium 5G modemeké. Következésképpen, amikor több eszköz osztozik a cellán, a RedCap késleltetési varianciája megnő, a tesztciklusok 15%-ában meghaladva a 10 ms-os referenciaértéket. Olyan alkalmazásoknál, mint a hegesztés vagy a precíziós vágás, ez az variancia elfogadhatatlan.
Megfelel-e az 5G RedCap az ipari alacsony késleltetésű referenciaértékeknek? A válasz feltételes. Ellenőrzött, alacsony terhelésű, peremhálózati UPF-ekkel és konfigurált támogatásokkal rendelkező magánhálózatokban a RedCap 10 ms alatti késleltetést is elérhet. Nyilvános, túlterhelt vagy mobil környezetben azonban nem garantálja következetesen a referenciaérték elérését. A kötelező URLLC-funkciók hiánya és a csökkent sávszélesség inherens korlátok. Az ipari igények teljes kielégítése érdekében a RedCapet ki kell egészíteni egy… mobil biztonsági mentési modem vagy csak nem kritikus érzékelő hurkokhoz használják. Kritikus mozgásvezérléshez a teljes URLLC-képes 5G modemek továbbra is a szabvány. Ezért, bár a RedCap ígéretes eszköz a tömeges IoT számára, nem helyettesíti mindenhol az ipari minőségű alacsony késleltetésű megoldásokat; csak optimális körülmények között közelíti meg azokat. A mérnököknek értékelniük kell a RedCap alkalmazását a késleltetésre érzékeny műveletekhez.