5G-yhteyden rakentamiseen ei välttämättä tarvita matkapuhelinoperaattoria, SIM-kortteja eikä lisensoitua radiotaajuutta. DECT NR+ tuo 5G-standardin ominaisuuksia paikallisiin IoT-verkkoihin, joissa tarvitaan pitkää kantamaa, pientä viivettä ja luotettavaa tiedonsiirtoa. Uusi tekniikka yhdistää itsestään järjestäytyvän mesh-verkon, energiatehokkuuden ja nopean tiedonsiirron tavalla, joka haastaa monet nykyiset langattomat ratkaisut.

Miljoonat laitteet, koneet, anturit ja ajoneuvot ovat jo yhteydessä esineiden internetiin. Langattomia tiedonsiirtotekniikoita on tarjolla runsaasti, mutta kaikilla on omat rajoituksensa. Osa soveltuu vain pienten tietomäärien lähettämiseen, osa edellyttää operaattoriverkkoa ja osa kärsii ruuhkaisista radiotaajuuksista.

DECT NR+ (New Radio Plus) pyrkii täyttämään näiden ratkaisujen väliin jäävän aukon. Se yhdistää pitkän kantaman, pienen viiveen, suuren laitemäärän ja suhteellisen nopean tiedonsiirron. Tekniikkaa voidaan käyttää paikallisissa verkoissa ilman operaattorin infrastruktuuria tai SIM-kortteja.

Kyseessä on maailman ensimmäinen ei-solukkopohjainen 5G-standardin mukainen radiotekniikka. Sen taustalla on eurooppalainen DECT-standardi, joka tunnetaan ennen kaikkea langattomista puhelimista.

Langattomista puhelimista teollisuuden automaatioon

DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) esiteltiin vuonna 1992, ja ensimmäiset tuotteet tulivat markkinoille seuraavana vuonna. Tekniikka kehitettiin alun perin langattomaan puhelinliikenteeseen, jossa päätelaitteiden piti voida siirtyä saumattomasti tukiasemasta toiseen.

Euroopassa kehitetystä DECTistä tuli maailmanlaajuisesti käytetty langattomien puhelimien standardi. Sittemmin sitä on hyödynnetty myös kodin automaatiossa. DECT ULE- ja HAN-FUN-määritysten avulla esimerkiksi lämmityksen säätimet, pistorasiat ja valokytkimet voivat kommunikoida langattomasti yhteensopivien reitittimien kanssa.

Vuosien mittaan DECTiä on kehitetty uusilla versioilla ja äänikoodekeilla. Merkittävä askel otettiin, kun Kansainvälinen televiestintäliitto ITU hyväksyi DECT-2020 NR -tekniikan osaksi IMT-2020-standardikokonaisuutta eli 5Gä.

DECT Forum käyttää uudesta tekniikasta nimeä DECT NR+. Vaikka sen juuret ovat langattomassa puhelintekniikassa, uusi standardi on suunniteltu aivan toisenlaisiin käyttökohteisiin.

Miten DECT NR+ liittyy 5G?

5G tunnetaan ennen kaikkea matkapuhelinverkkojen viidentenä sukupolvena. Sen tavoitteena on tarjota aiempaa suurempia tiedonsiirtonopeuksia, pienempiä viiveitä ja mahdollisuus liittää samaan verkkoon huomattavasti enemmän laitteita.

5G käyttötapaukset jaetaan tavallisesti kolmeen pääluokkaan.

Enhanced Mobile Broadband eli eMBB tarkoittaa suuren kapasiteetin mobiililaajakaistaa. Sen käyttökohteita ovat esimerkiksi erittäin tarkkojen videoiden suoratoisto, nopeat tiedostolataukset sekä lisätyn ja virtuaalitodellisuuden sovellukset.

mMTC (massive Machine Type Communications) puolestaan keskittyy valtavien laitemäärien yhdistämiseen. Tällaisissa IoT-verkoissa yksittäiset laitteet lähettävät yleensä pieniä tietomääriä, mutta yhteyksien on toimittava luotettavasti ja mahdollisimman pienellä energiankulutuksella.

Kolmas luokka on URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications), jossa korostuvat erittäin pieni viive ja tiedonsiirron luotettavuus. Näitä ominaisuuksia tarvitaan esimerkiksi teollisuusautomaatiossa, autonomisissa järjestelmissä ja kriittisen infrastruktuurin ohjauksessa.

DECT NR+ sijoittuu erityisesti mMTC ja URLLC alueille. Se tarjoaa skaalautuvan radiotekniikan, jonka avulla voidaan yhdistää suuria laitemääriä ja toteuttaa viiveherkkiä sovelluksia ilman perinteistä matkapuhelinverkkoa.

Kuva 1. DECT NR+ täydentää 5G käyttötapauksia erityisesti massiivisen laiteviestinnän (mMTC) ja erittäin luotettavan, pienen viiveen tiedonsiirron (URLLC) alueilla. Tekniikka toimii lisenssivapailla taajuuksilla ilman matkapuhelinoperaattoria. Kuva: Nordic Semiconductor.

Miten DECT NR+ toimii?

DECT NR+ on suunniteltu erityisesti teollisuuden ja laajojen IoT-järjestelmien tarpeisiin. Sen keskeisiä ominaisuuksia ovat skaalautuvuus, toimintavarmuus, standardointi ja mahdollisuus käyttää lisenssivapaita radiotaajuuksia.

Tekniikka tukee kolmea verkkotopologiaa: kahden laitteen välistä point-to-point-yhteyttä, tähtiverkkoa ja mesh-verkkoa.

Erityisen kiinnostava on mesh-topologia, jossa verkon laitteet voivat välittää toistensa liikennettä. Verkko järjestäytyy automaattisesti ja pystyy mukautumaan muutoksiin ilman keskitettyä ohjausta.

Jos yksi verkkosolmu lakkaa toimimasta esimerkiksi laitevian tai huoltotoimenpiteen vuoksi, liikenne voidaan ohjata muiden solmujen kautta. Näin yksittäisen laitteen vikaantuminen ei välttämättä katkaise koko verkon toimintaa.

Ominaisuus on tärkeä erityisesti teollisuusympäristöissä, joissa laitteita voidaan siirtää, poistaa tai lisätä verkkoon tuotantoprosessien muuttuessa.

DECT NR+ mahdollistaa useiden kilometrien mittaiset langattomat yhteydet ja megabittiluokan tiedonsiirtonopeudet. Standardin tavoitteena on myös erittäin pieni viive ja suuri laitetiheys. Verkon skaalautuvuudeksi ilmoitetaan jopa miljoona solmua neliökilometrillä.

Tekniikka toimii noin 1,9 gigahertsin taajuusalueella. Tämä erottaa sen monista IoT-ratkaisuista, jotka käyttävät ruuhkaisempia ISM- ja SRD-taajuuksia. Taajuusalueen käyttöehdot vaihtelevat kuitenkin alueittain.

Koska DECT NR+ -verkko voidaan rakentaa ilman matkapuhelinoperaattoria, sen käyttö ei edellytä SIM-kortteja tai operaattorin liittymämaksuja. Paikallinen verkko voidaan myös pitää kokonaan erillään julkisista matkapuhelinverkoista.

Tämä voi olla merkittävä etu turvallisuuskriittisissä ympäristöissä, joissa verkon hallinta halutaan pitää kokonaan omissa käsissä.

Myös energiankulutukseen on kiinnitetty erityistä huomiota. Tehokkaiden lähetys- ja vastaanottomenetelmien ansiosta paristokäyttöiset laitteet voivat toimia vuosia ilman pariston vaihtoa. Todellinen toiminta-aika riippuu kuitenkin tiedonsiirron määrästä, yhteysolosuhteista ja käytettävästä akusta tai paristosta.

Miten DECT NR+ vertautuu muihin IoT-tekniikoihin?

Langattomissa IoT-verkoissa käytetään jo useita vakiintuneita tekniikoita. Niitä ovat esimerkiksi LoRa, Mioty, Sigfox, LTE-M ja NB-IoT. Jokaisella on omat vahvuutensa ja käyttökohteensa.

LoRa, Mioty ja Sigfox kuuluvat vähävirtaisiin laajaverkkotekniikoihin eli LPWAN-ratkaisuihin. Niiden avulla voidaan lähettää pieniä tietomääriä kilometrien päähän erittäin pienellä energiankulutuksella.

Vastapainoksi tiedonsiirtonopeudet ovat pieniä ja viiveet voivat olla pitkiä. Tämä rajoittaa niiden käyttöä esimerkiksi reaaliaikaisessa ohjauksessa ja suurempien tietomäärien siirtämisessä.

LoRa- ja Mioty-verkkoja voidaan rakentaa paikallisesti ilman matkapuhelinoperaattoria. Esimerkiksi kaupungit ovat ottaneet käyttöön LoRaWAN-verkkoja, joihin voidaan liittää suuri määrä vähän tietoa lähettäviä antureita.

Nämä tekniikat käyttävät Euroopassa pääasiassa alle gigahertsin lisenssivapaita taajuuksia. Samoilla taajuuksilla toimii kuitenkin paljon muitakin laitteita, mikä voi lisätä häiriöitä.

Lisäksi taajuuksien käyttöön liittyy lähetysaikarajoituksia. Joillakin taajuusalueilla laite saa lähettää vain yhden prosentin ajasta. Tämä voi hankaloittaa esimerkiksi suurten anturiverkkojen kuittausliikennettä ja ohjelmistopäivitysten jakelua.

Alueelliset taajuuserot vaikeuttavat myös maailmanlaajuisille markkinoille suunnattavien laitteiden kehittämistä. Euroopassa käytetään tyypillisesti 868 megahertsin taajuusaluetta, kun taas Yhdysvalloissa vastaavat ratkaisut toimivat usein 915 megahertsin alueella.

DECT NR+ etuna on laajasti käytettävissä oleva 1,9 gigahertsin taajuusalue, joka voi yksinkertaistaa laitesuunnittelua ja vähentää alueellisten tuoteversioiden tarvetta.

LTE-M ja NB-IoT eroavat näistä ratkaisuista siinä, että ne käyttävät matkapuhelinoperaattoreille osoitettuja lisensoituja taajuuksia. Niiden merkittävä etu on mahdollisuus hyödyntää jo olemassa olevaa laajaa matkapuhelinverkkoinfrastruktuuria.

NB-IoT on optimoitu erityisesti vähäiseen energiankulutukseen ja hyvään kuuluvuuteen esimerkiksi rakennusten sisällä. Sen tiedonsiirtonopeus on kuitenkin rajallinen ja viive voi olla suuri. LTE-M tarjoaa enemmän kapasiteettia ja tukee paremmin liikkuvia laitteita.

DECT NR+ sijoittuu näiden tekniikoiden väliin. Se yhdistää LPWAN-ratkaisujen pitkän kantaman ja energiatehokkuuden selvästi suurempaan tiedonsiirtokapasiteettiin ja pienempään viiveeseen.

Samalla se tarjoaa mahdollisuuden rakentaa operaattorista riippumattomia yksityisiä verkkoja.

Taulukko. DECT NR+, LoRan, Miotyn, Sigfoxin, LTE-M ja NB-IoT keskeiset erot. Vertailussa ovat taajuusalueet, kantama, tiedonsiirtonopeus, viive, energiankulutus, skaalautuvuus, verkkotopologia ja tyypilliset käyttökohteet. Arvot ovat suuntaa antavia ja riippuvat toteutuksesta sekä käyttöympäristöstä.

Sovelluksia teollisuudesta älykaupunkeihin

DECT NR+ soveltuu erityisesti teollisuuden IoT-järjestelmiin, älykkääseen energianmittaukseen, kaupunkien infrastruktuuriin ja ammattikäyttöön tarkoitettuihin langattomiin äänijärjestelmiin.

Teollisuudessa keskeisiä vaatimuksia ovat tiedonsiirron luotettavuus, pieni viive ja mahdollisuus yhdistää suuria laitemääriä samaan verkkoon. DECT NR+ mesh-topologia tukee näitä tarpeita ja mahdollistaa verkon laajentamisen ilman, että jokainen laite tarvitsee suoran yhteyden keskitettyyn tukiasemaan.

Tuotantolaitoksessa verkkoon voidaan liittää esimerkiksi antureita, koneita ja ohjausjärjestelmiä. Itsestään järjestäytyvä verkko voi helpottaa muutoksia tuotantolinjojen rakenteessa ja vähentää manuaalisen verkkokonfiguroinnin tarvetta.

Älykaupungeissa DECT NR+ voidaan hyödyntää esimerkiksi liikenteenohjauksessa, pysäköintipaikkojen seurannassa, jätehuollon optimoinnissa ja katuvalaistuksen ohjauksessa.

Sama verkko voi palvella myös muita sovelluksia, kuten valvontakameroita ja langatonta äänensiirtoa. Erityisen kiinnostavia kohteita ovat lentoasemat, kampukset ja kauppakeskukset, joissa pienelle alueelle keskittyy paljon erilaisia langattomia laitteita.

Energiamittauksessa DECT NR+ tarjoaa standardoidun vaihtoehdon valmistajakohtaisille tiedonsiirtoratkaisuille. Mesh-verkon avulla voidaan yhdistää paikallisia mittariryhmiä ja kasvattaa verkon kokonaiskantamaa.

Älymittarit voivat lähettää sähkön- ja vedenkulutustietoja lähes reaaliaikaisesti. Kaksisuuntainen yhteys mahdollistaa myös mittareiden etähallinnan, laitteiden ohjauksen ja esimerkiksi tariffimuutoksia koskevien tietojen välittämisen.

Yksi kiinnostava sovellusalue on ammattimainen langaton äänensiirto. Konserteissa, festivaaleilla ja urheilutapahtumissa tarvitaan vakaata yhteyttä, jonka viive on mahdollisimman pieni.

DECT NR+ 1,9 gigahertsin taajuusalue voi tarjota vaihtoehdon 2,4 gigahertsin taajuuksille, joilla Bluetooth- ja Wi-Fi-laitteiden suuri määrä voi aiheuttaa häiriöitä.

Ensimmäiset DECT NR+ -piirit ovat jo saatavilla

DECT NR+ ei ole enää pelkkä standardointihanke. Markkinoilla on jo tekniikkaa tukevia puolijohderatkaisuja.

Nordic Semiconductor tarjoaa DECT NR+ -yhteensopivia tuotteita nRF91-sarjassaan. Mesh-verkon ohjelmistoratkaisun toimittaa suomalainen Wirepas, kun taas äänisovelluksiin on tarjolla Lynqin ohjelmisto.

Nordicin valikoimaan kuuluvat nRF9161 SiP, nRF9151 SiP ja nRF9131 mini SiP. Kaikki kolme tukevat DECT NR+ -tekniikkaa sekä LTE-M- ja NB-IoT-yhteyksiä.

Piireihin on integroitu Arm Cortex-M33 -prosessori, joka pystyy hoitamaan sekä tiedonsiirtoprotokollan että varsinaisen sovelluksen suorittamisen. Erillistä mikro-ohjainta ei siten välttämättä tarvita.

Ratkaisut tukevat myös GNSS-paikannusta. Usean radiotekniikan tuki antaa laitevalmistajalle mahdollisuuden valita käyttökohteeseen sopivimman yhteystavan.

Esimerkiksi DECT NR+ -verkossa toimiva laite voi hyödyntää LTE-M- tai NB-IoT-yhteyttä varayhteytenä, jos paikallista NR+ -verkkoa ei ole käytettävissä.

nRF9151 on kooltaan noin 20 prosenttia pienempi kuin edeltäjänsä nRF9161. Se tukee myös 20 desibelin milliwattiin suhteutettua lähetystehoa eli 20 dBm teholuokkaa.

nRF9131 mini SiP on puolestaan suunniteltu erityisesti pienikokoisiin ja suurina sarjoina valmistettaviin laitteisiin. Sen kokoa on pienennetty jättämällä erillinen virranhallintapiiri pois moduulista.

Kolmen vaihtoehdon avulla laitevalmistaja voi valita sopivan kompromissin koon, energiankulutuksen, sertifiointivaatimusten ja yhteystapojen välillä.

Kuva 2. Nordic Semiconductorin nRF9161, nRF9151 ja nRF9131 mini SiP -ratkaisut tukevat DECT NR+ -tekniikkaa. Samoilla piireillä voidaan toteuttaa myös LTE-M- ja NB-IoT-yhteyksiä, mikä helpottaa eri verkkotekniikoiden yhdistämistä samaan laitteeseen. Kuva: Nordic Semiconductor.