Apple Watch 3 -älykellossa on sisäinen liitäntä matkapuhelinverkkoon ja siten suora pääsy nettiin ilman lähellä olevaa älypuhelinta. Monien mielestä tämä voisi olla oikea tapa edetä puettavissa laitteissa, kun mobiiliverkoissa siirrytään 5G-aikakauteen.

Matkapuhelinverkkojen edut ovat kiistattomia, koska yhä useampien puettavien laitteiden ei enää tarvitse olla riippuvaisia älypuhelimista. Ainoa kysymys on, ovatko kännykkäverkkoon liittämisen edut siitä syntyvien lisäkustannusten ja energiantuhlauksen arvoisia?

Liitettävyys on oleellista puettavan elektroniikan toiminnallisuuden kannalta, mutta nykyiset puettavat laitteet hyödyntävät yleensä erillistä Bluetooth- tai Wifi-yhteyttä älypuhelimen kautta pilvipalveluun. Älypuhelinten kasvaessa jatkuvasti kooltaan yhä isommiksi ja kömpelömmiksi tämä toimintamalli tuskin jää pysyväksi.

Kukaan tuskin haluaa raahata mukanaan suurta älypuhelinta esimerkiksi lenkille lähtiessään. Jopa pikainen pistäytyminen lähikahvilaan tai kauppaan voi tuntua vaivalloiselta, jos on pakko kantaa mukanaan phablet-kokoista murikkaa. Lisäksi älypuhelimen akun tyhjeneminen on älykellon käyttäjien yleinen valituksen aihe, sillä erillistä Bluetooth-yhteyttä käyttävät renkilaitteet syövät myös isäntälaitteen akun varausta.

Suora liitettävyys matkapuhelinverkkoon ratkaisee kaikki nämä ongelmat. Sisäänrakennetun verkkoliitännän avulla puettavat laitteet voivat toimia itsenäisinä laitteina, joissa on täydet toiminnot käytettävissä myös silloin, kun niitä käytetään ilman lähellä olevaa älypuhelinta.

Toisin kuin Bluetooth- tai Wifi-yhteyksillä nämä suoraan kännykkäverkkoon liitetyt puettavat laitteet eivät ole riippuvaisia isäntäjärjestelmästä tai nettiin kytketystä reitittimestä. Älypuhelinten tapaan laitteet kytkeytyvät automaattisesti lähimpään matkapuhelinverkon tukiasemaan. Tämän ansiosta käyttäjän ei tarvitse kantaa huolta mistään hapuilusta hotspot-liitäntäpisteiden tai monimutkaisten Bluetooth-laiteparitusprosessien kanssa - kaikki toimii yksinkertaisesti 'kytke ja käytä' -periaatteella.

Matkapuhelinverkon haasteet

Lukuisten etujen ohella matkapuhelinliitännän toteuttaminen puettavaan elektroniikkalaitteeseen tuo myös monia haasteita. LTE-liitettävyys on melkoinen energia-ahmatti. Radio-osa on yksi älypuhelimen suurimmista tehonkuluttajista, eikä yhden radion lisääminen puettavaan laitteeseen muuta tätä tosiasiaa. Itse asiassa tästä muodostuu jopa isompi ongelma, sillä puettavilla laitteilla on usein erittäin niukasti akkuresursseja käytettävissä.

LTE-liitettävyys ei ole ilmaista - sen paremmin loppukäyttäjille kuin OEM-käyttäjillekään. LTE-modeemi on paljon kalliimpi ja monimutkaisempi komponentti kuin Bluetooth-radio, ja jokaiseen verkkoliitäntäiseksi haluttuun puettavaan laitteeseen tarvitaan oma maksullinen verkkoliittymä. Tämä poikkeaa täysin Bluetooth- ja Wifi-liitettävistä laitteista, jotka ovat vaivalloisia käyttää mutta eivät aiheuta kuukausittaisia lisäkustannuksia.

Vaikka puettavat laitteet voisivat hyötyä matkapuhelinliitännästä, kaikki laitteet eivät kuitenkaan tarvitse älypuhelinten tasoista LTE-liitäntää. Laite, jossa on vain parin tuuman kokoinen näyttöruutu tai ei ruutua lainkaan, ei yksinkertaisesti tarvitse täyttä 4G-tasoista verkkoliitäntää.

Puettava laite kännykkäverkkoon

Monet puettavien laitteiden liitettävyyteen liittyvät tekniset asiat on käsitelty LTE-standardin uusissa kategorioissa. Useimmat tuntevat LTE-teknologian omien älypuhelimiensa ansiosta, mutta todellisuudessa standardi jakaantuu useisiin eri luokkiin, joille on määritelty eri nopeudet, päätelaitteet ja jopa siirtoprotokollat. Älykello ei ehkä tarvitse samantasoista LTE-teknologiaa kuin älypuhelin, mutta standardin uudet kategoriat tarjoavat mahdollisuuden sillekin.

LTE-kategoriat antavat tukiasemalle mahdollisuuden tunnistaa siihen kytkeytyvän laitteen suorituskyvyn ja kapasiteetin, jotta kommunikointi laitteen kanssa voi sujua asianmukaisesti. Mitä ylempi on kategoria, sitä korkeampaa suorituskykyä tarvitaan, mutta niin tarvitaan myös enemmän tehonkulutusta ja laskentakykyä.

Älypuhelimissa käytettävä matkapuhelinviestintä edustaa yleensä kategoriaa 8 tai siitä ylöspäin, jolloin alalinkin suuntaan päästään jopa 3,0 gigabitin sekuntinopeuteen ja ylävirtaan 1,5 gigabittiin sekunnissa. Nämä ylimmät kategoriat soveltuvat esimerkiksi elokuvien katseluun ja hotspot-jakeluun, mutta ne vaativat myös tavallista enemmän antenneja ja lähetystehoa sekä kalliimpaa piiritekniikkaa, joka taas on täysin tarpeetonta useimpien puettavien laitteiden vaatimuksiin nähden.

Havaittuaan, että LTE-teknologialla on lukuisia etuja puettavien ja IoT-laitteiden tarpeisiin mutta merkittävästi pienemmällä kaistanleveydellä, alan kehitysyhteisö 3GPP on luonut joukon pienemmillä siirtonopeuksilla toimivia uusia kategorioita, jotka on erityisesti tarkoitettu IoT-sovelluksiin.

LTE Cat 1

LTE Cat 1 -luokka on puettavien ja IoT-laitteiden markkinoille suunnattujen kategorioiden ylin luokka. Se säilyttää osan ylimpien LTE-kategorioiden suorituskyvystä mutta sisältää optimointeja, jotka pidentävät akun käyttöaikaa ja alentavat kustannuksia.

Suorituskyky on enimmillään 10 megabittiä sekunnissa alavirtaan ja 5 megabittiä ylälinkin suuntaan. Vaikka tämän on huomattavasti vähemmän kuin älypuhelinyhteyksien satojen ja jopa tuhansien megabittien sekuntinopeudet, kaistanleveys riittää kuitenkin VoLTE -yhteyksiin (Voice-over-LTE) ja jopa videosignaalin striimaukseen.

Tämä tekee siitä varteenotettavan liitäntävaihtoehdon suurta kaistanleveyttä vaativille puettaville laitteille kuten älykelloille ja vartalokameroille. Alhainen 10 - 15 millisekunnin latenssi mahdollistaa reaaliaikaisen telematiikan ja anturien luennan.

LTE Cat 1 tarjoaa saumattoman kanavanvaihdon aivan kuten ylemmätkin LTE-luokat, joten se soveltuu mainiosti puettavia laitteita varten. Kun LTE Cat 1 -laite siirtyy tukiasemalta toiselle, yhteydensiirto tapahtuu ilman katkoksia.

Vaikka LTE Cat 1 -kategoria tarjoaa vahvaa suorituskykyä ja mobiilitoimintoja, se vähentää myös laitteiden tehonkulutusta. Pääpaino on puettaviin sovelluksiin riittävässä suorituskyvyssä, ja sen laajennetut lepo- ja horrostilat mahdollistavat huomattavasti vähäisemmän tehonkulutuksen kuin LTE:n ylemmät kategoriat.

Kuva 1. Esisertifioitu LTE Cat 1 -kategorian modeemi Digi XBee.

LTE Cat 1 -kategorian järjestelmällä on vastaavat suorituskykymääritykset kuin 3G:n alemmalla tasolla tai2G-verkon ylemmällä tasolla. Itse asiassa LTE Cat 1 -tason moduuleissa on 2G/3G-tasoiset fall-back-toimintamuodot, jotka mahdollistavat yhteyksien jatkuvan toiminnan sellaisillakin alueilla, joissa LTE-yhteydet ovat käytettävissä vain paikoin.

Ylempiin kategorioihin verrattuna LTE Cat 1 vaatii vähemmän antenneja ja yksinkertaisempaa piiritekniikkaa, joten radio-osan kustannukset saadaan selvästi pienemmiksi. Lisäksi alhaisempien kaistanleveysvaatimusten ansiosta verkonkäytön kustannukset ovat merkittävästi kohtuullisemmat kuin älypuhelimille tarkoitetuilla verkkoliittymillä.

Yksi suoraviivainen ja kätevä tapa matkapuhelinliitännän integroimiseksi puettavaan/IoT-laitteeseen on Cat 1 -kategorian modeemi Digi XBee (kuva 1). Tämän kompaktin yksikön avulla raskaat suunnittelutyön ja -ajan panostukset kehitys- ja sertifiointitoimiin voidaan välttää.

LTE-M

LTE-M puolestaan on suhteellisen uusi LTE-kategoria, joka esiteltiin 3GPP LTE -standardin Release 13 julkaisun yhteydessä. Verkko-operaattorit ottavat paraikaa järjestelmää jo vahvasti käyttöön. LTE Cat 1 -kategoriaa voidaan pitää astinlautana matkapuhelinliitäntöjen ja IoT-järjestelmien välillä, mutta LTE-M on erityisesti räätälöity puettavan elektroniikan kaltaisiin sovelluksiin.

Jatkuvan datavirran siirtotehokkuuden sijasta LTE-M-kategoriassa pääpaino on jaksoittain toimivan katkonaisen datan käsittelyssä ja siirrossa, joka on tyypillistä puettavissa laitteissa ja IoT-anturien välisessä tiedonsiirrossa. Standardiin on liitetty uudet tehonsäästön ja syvän horroksen toimintatilat, jotka vähentävät järjestelmän tehonkulutusta selvästi alle Cat 1 -kategorian tason.

LTE-M on spesifioitu tarjoamaan yhden megabitin sekuntinopeuksia sekä ylä- että alavirtaan täysdupleksimuodossa, mutta tehonkulutukseltaan optimoidut LTE-M-laitteet käyttävät usein puolidupleksisiirtoa, joka mahdollistaa 375 kilobitin sekuntinopeudet ylä- ja alavirtaan. Vaikka laadukkaan videon striimaus ei enää näillä nopeuksilla onnistukaan, järjestelmä tukee kuitenkin VoLTE-äänipuheluja.

Vain 1,4 MHz vievä kapeakaistainen LTE-M-siirto tarjoaa erittäin hyvän kattavuusalueen (suurin kytkentähäviö MCL yli 156 dB). Vaihtelevien datanopeuksien lisäksi järjestelmä varmistaa laajan verkkotoiminta-alueen. Pitkien yhteysvälien lisäksi LTE-M tarjoaa myös siirtosignaalin vahvan tunkeutumisen rakennusten sisätiloihin, mikä mahdollistaa käytön kaupunkiympäristöissä.

LTE-M-laitteiston kustannukset ovat vieläkin alhaisemmat kuin LTE Cat 1 -laitteiston. Alhaisen kaistanleveysvaatimuksen ja sen myötä edullisten liittymäkustannusten lisäksi LTE-M-järjestelmä tarjoaa hinnaltaan erittäin kilpailukykyisen vaihtoehdon matkapuhelinverkon käytölle. Se tarjoaa LTE Cat 1:n tavoin myös saumattoman yhteydensiirron tukiasemaa vaihdettaessa.

LTE puettaviin

Vielä vuosi tai pari sitten monet ajattelivat, että jokaiseen älykelloon tulee erillinen matkapuhelinyhteys vasta joskus kaukaisessa tulevaisuudessa. Apple Watch 3 -älykellon esittely kuitenkin osoitti, että se on mahdollista jo nyt ilman riippuvuutta hankalan kokoisiin ja kömpelöihin älypuhelimiin.

Alhaiseen tehonkulutukseen ja edullisiin laitekuluihin yltävät LTE-standardin uudet kategoriat tekevät matkapuhelinverkkoon liittymisen entistä houkuttelevammaksi vaihtoehdoksi. Ja tämä suuntaus näyttäisi edelleen jatkuvan, kun seuraavan sukupolven 5G-järjestelmät lopulta otetaan käyttöön.