Mitä 5G voisi tarkoittaa LPWA- eli vähävirtaisten WAN-verkkojen osalta. Eikö 5G olekin tarkoitettu tehosyöpöille, nopean datan ja pienten latenssien sovelluksille? Kun yhdelle neliökilometrille pitää sopia miljoona laitetta, 5G:n täytyy olla hyvin älykäs, kirjoittaa u-bloxin Sylvia Lu.

 Kesäkuussa 2018 koko 5G-ekosysteemi saavutti taas yhden merkittävän virstanpylvään, kun 3GPP hyväksyi Kalifornian La Jollassa RAN#80-kokouksessa uudet radiomääritykset 5G NR Standalone (SA) -tekniikalle. Tämä tarkoitti ensimmäisen vaiheen 5G-radiotekniikan (3GPP Release 15) valmistumista, mikä oli iso askel kohti 5G-tekniikan kaupallistamista.

Minulta on usein kysytty, mitä 5G voisi tarkoittaa LPWA- eli vähävirtaisten WAN-verkkojen osalta. Eikö 5G olekin tarkoitettu tehosyöpöille, nopean datan ja pienten latenssien sovelluksille? Eivätkö teknologiaratkaisut kuten NB-IoT (Narrowband-Internet of Things) ja LTE-M, jotka määriteltiin jo 4G:ssä, jo vastauksia LPWA-vaatimuksiin? Mitä voitaisiin tämän lisäksi tehdä IoT:lle 5G-aikana?

Jos tutkitaan hetki 5G:n suhdetta NB-IoT:een ja LTE-M:een, voimme vastata näihin kysymyksiin.

5G, NB-IoT ja LTE-M

Yleinen periaate on, että jotta missä tahansa standardointiorganisaatiossa määritelty tekniikka voisi tulla hyväksytyksi kansainvälisen televiestintäliiton ITU:ssa, sen pitää arvioinnin jälkeen vastata IMT-2020-standardin minimivaatimuksiin. Nykyään 5G:tä käytetään kuitenkin paljon laajemmassa kontekstissa ja sillä viitataan laajaan valikoimaan uusia palveluja, joita tulevaisuudet langattomat tekniikat mahdollistavat.

ITU-jäsenmaat ovat hahmotelleet tekniset suorituskyvyn minimivaatimukset 5G-IoT:lle ja mMTC:lle, joka tarkoittaa massiivista koneiden välistä tietoliikennettä (massive machine time communications): ainakin 10 vuoden toiminta-aika paristovirralla (mielellään 15 vuotta), kantaman parannus 20 dB:llä, ja tuki miljoonalle laitteelle neliökilometriä kohti.

3GPP informoi ITU:a aiemmin tänä vuonna, että se antaa sekä NB-IoT- että LTE-M-tekniikat kandidaateiksi 5G-ratkaisuiksi, jotka vastaavat IMT-2020 5G mMTC -vaatimuksiin. Näin molemmista tekniikoista odotetaan tulevan keskeisiä ja elinvoimaisia 5G-komponentteja. Lisäksi päätettiin varmistaa, että LPWA-käyttötapoihin kiinnitetään edelleen huomiota kehittämällä NB-IoT- ja LTE-M-tekniikoita osana 5G-määrityksiä, mikä varmisti molempien statuksen osana 5G-standardeja.

Tälle päätökselle oli kaksi keskeistä syytä: LPWA-investointien arvon säilyminen ja asennettujen LPWA-laitteiden pitkäikäisyyden varmistaminen. Ensimmäinen syy pyrkii varmistamaan, että teollisuuden jo tekemien globaalien LPWA-investointien tuotto maksimoidaan. GSMA-järjestön mukaan maailmanlaajuisesti on jo otettu käyttöön yli 60 kaupallista LPWA-verkkoa. Tämän takia monien intresseissä on maksimoida verkkojen, verkkolaitteiden ja päätelaitteiden elinikä.

Toinen syy on, että useimpien LPWA-laitteiden odotetaan kestävän käytössä yli 10 vuoden ajan. Niitä voidaan myös käyttää hankalissa, jopa vaarallisissa paikoissa kuten kaivoissa MANHOLES (veden mittaamisessa), kaukaisissa kohteissa (ympäristömonitoroinnissa ja -hälytyksissä) tai ajoneuvojen rungoissa (turvahälytykset), sekä älykkäässä maataloudessa. Siksi on erittäin tärkeää tukea LPWA-laitteissa 5G-runkoverkoissa, jotta IoT-palvelujen pitkä elinkaari varmistetaan.

Kuva 1: NB-IoT- ja LTE-M-tekniikoiden evoluutio osaksi 5G:tä, rinnan NR-IIoT:n kanssa.

Tämän takia 3GPP tutkii mahdollisuuksia tukea NB-IoT- ja LTE-M-radioverkkoja osana Release 16 -määritysten 5G-runkoverkkoa. Halutaan myös varmistaa, että NB-IoT ja LTE-M voivat toimia yhtä aikaa NR-radioiden kanssa 5G NR -taajuuskaistoilla esimerkiksi käyttämällä NB-IoT- ja LTE-M-yhteyksiä NR-kantoaallon sisällä. Tämä mahdollistaa sujuvan siirtymän 5G-verkkoihin tämän päivän LPWA-laitteille vain ohjelmistopäivityksen avulla, jos tarvetta on. Tämä osaltaan varmistaa sekä NB-IoT:n että LTE-M:n pitkäaikaisen roolin osana 5G-standardeja.

Mitä uutta 5G tuo IoT:lle?

Ensimmäisen vaiheen 5G NR -verkoissa tavoitteena oli kasvattaa mobiililaajakaistaa, vaikka siihen on lisätty joitakin toimintoja, joilla estetään NR:n ja LTE-M:n tai NB-IoT:m väliset häiriöt, kuten alikanavan matriisin sovittaminen (sekä ylä- että alavirtaan), resurssien varaamisen konfigurointi ja joustavat vuorotus- eli skedulointiyksiköt.

Toisen vaiheen 5G NR (Release 16) tuo liitettävyysratkaisuja monille eri alueille, kuten teollisuuteen, tuotantoon, ajoneuvoihin ja satelliitteihin. Useimmat näistä edellyttävät tiukempia vaatimuksia, kuten nopea datansiirto, korkean tason luotettavuus, alhainen latenssi, korkea käytettävyys ja tiheä liitettävyys eli konnektiviteetti.

Jos katsomme näitä uusia palvelu- ja markkinamäärityksiä (3GPP TS 22.261 ja TS 22.804), on selvää, että on kyse useista erilaisista käyttötapauksista, joilla on hyvin erilaisia vaatimuksia ja suorituskyvyn avainindikaattoreita. Yksi hyvä esimerkki on Tulevaisuuden Tehdas, joka on mullistamassa tavaroiden tuotantoa, kuljetusta ja niihin liittyviä palveluita yli koko tuotteiden elinkaaren. Vaaditun joustavuuden, mobiliteetin, monipuolisuuden ja energiatehokkuuden toteuttaminen langattomalla tekniikalla on yksi keskeisiä ja tärkeimpiä kohtia, kun Release 16:n NR-IIoT-osuutta suunnitellaan.

NR-IIoT (New Radio Industrial IoT) on uusi 3GPP:ssä tutkittava toiminto, jonka on tarkoitus mahdollistaa uudenlaisia IIoT-käyttötapoja erityisesti tehdasautomaatiossa, sähkön jakeluverkossa ja kuljetusteollisuudessa. Uusi järjestelmä tuo lyhyen latenssin hyödyntämällä lyhyitä lähetysten välisiä aikoja (TTI, transmission time interval) sekä Release 15 URLLC:ssä määriteltyjä menetelmiä luotettavuuden parantamiseksi. TSN-yhteydet (Time Sensitive Networking) mahdollistavat avainpalvelut tehdasautomaatiossa, kuten aikasynkronoinnin ja tarkan referenssiajan. Harkinnan alla ovat sekä FR1- (450 MHz … 6 GHz) ja FR2-taajuusalueet (24,25- 52.6 GHz).

Lisäksi teleala on kiinnostunut laajentamaan autoteollisuuden alustaa tuomalla liitäntäratkaisuja V2X-yhteyksiä (vehicle- to-everything: vehicle-to-vehicle, vehicle-to-infrastructure, vehicle-to-network, vehicle-to-pedestrian) on kaistalla 47 (5,9 GHz) ja sitä korkeammilla taajuuksilla. Ensimmäiset perustason V2X-palveluja (ei turvakriittisiä) tukevat standardit saatiin valmiiksi Release 14- ja 15-määrityksissä. 5G-aikana on tarkoitus keskittyä edistyneempiin käyttötapoihin, kuten ajoneuvojen peräkkäiseen ajoon, laajentuneihin antureihin, kuljettajan avustimiin ja etäajamiseen. Tämä kaikki vaativat suorituskyvyltä enemmän luotettavuuden, latenssin ja käytettävyyden suhteen. 3GPP tutkii tätä parhaillaan NR-V2X-tutkimuksessaan.

Kuva 2: 3GPP:ssä kehitettävän mobiiliverkkojen V2X-tekniikan (C-V2X) evoluutio ja aikataulu.2

Mitä uutta Release 16:ssa?

NB-IoT ja LTE-M esiteltiin Release 13 -määrityksissä, jotka toivat kapeakaistaisen perustason ilmarajapinnan erittäin yksinkertaisille LPWA-laitteille. Määritysten avulla on mahdollista liittää massiivisia määriä laitteita verkkoon haastavalla peitolla ja erittäin pitkällä akkutoiminta-ajalla. Usieta parannuksia ja lisätoimintoja tekniikkaan tuotiin Release 14- ja 15-määrityksissä.

Release 14:ssa oli kyse tehonkulutuksen vähentämisestä (avuksi tuotiin esimerkiksi Release Assistance Indicator) ja käyttötapojen laajentamisesta. Viimeksi mainittuun tuotiin lisätoimintoja kuten paikantaminen, multicast-lähetys, konnektiviteetti liikkeessä, suurempi datanopeus ja tuki teholuokan 6 (14 dBm) päätelaitteille, mikä mahdollisti laitteiden käytön pienikokoisilla paristoilla rajoitetulla virtahuipulla.

Yhteisiä uusia ominaisuuksia NB-IoT- ja LTE-M-määrityksille Release 15:ssa olivat latenssin ja tehonkulutuksen vähentäminen (NWUS- ja MWUS- tekniikoiden muodossa, sekä NB-IoT- ja LTE-M-linkkien herätyssignaalien muodossa) sekä datankeruuajan lyhentäminen. NB-IoT:een lisättiin myös TDD-lähetys (Time Division Duplex) ja tuki pienille soluille.

Käynnissä oleva NB-IoT- ja LTE-M-kehitystyö Release 16:ssa liittyy verkko-operaatioiden ja tehokkuuden parantamiseen (esimerkiksi laiteryhmän herätyssignaali) sekä valmistautuminen sujuvaan siirtymään 5G-runkoverkkoihin.

Kun IoT-teknologiat laajentuvat lähivuosina, yhä enemmän laitteita liittyy ”asioiden” listalle IoT:ssä muodostaen uusia IoT-ekosysteemejä eri aloilla. NB-IoT- ja LTE-M-tekniikat näyttelevät jatkossakin tärkeää osaa 5G-aikana.

Tämän lisäksi nousee erittäin tärkeäksi hyödyntää langattomia yhteyksiä vastaamaan Tulevaisuuden Tehtaaseen asetettuihin joustavuuden, mobiliteetin, monipuolisuuden ja energiatehokkuuden vaatimuksiin, ja tietysti verkottuneiden, autonomisten ajoneuvojen vaatimuksiin. Kaikki tämä muodostaa tärkeän askeleen, kun näytetään 5G-teknologioiden suomia mahdollisuuksia 5G IoT -aikana.