RedCap: Công nghệ IoT di động mới cho kỷ nguyên 5G

Trong những năm qua, thị trường di động đã giới thiệu một số công nghệ vô tuyến để kết nối các thiết bị Internet of Things (IoT) với Internet. Các công nghệ IoT di động này, được liệt kê trong Bảng 1, bao gồm LTE Cat M, GSM IoT vùng phủ sóng mở rộng (EC-GSM-IoT) và IoT băng hẹp (NB-IoT). Các công nghệ này đều được thiết kế để giảm thiểu chi phí gia tăng của kết nối di động nhằm tối đa hóa lợi ích chi phí của truy cập vô tuyến từ xa.

Công nghệ IoT di động mới và mạnh mẽ nhất này là công nghệ đầu tiên có khả năng tận dụng sức mạnh của 5G. Phiên bản 17 của tiêu chuẩn Third Generation Partnership Project (3GPP’s Release 17) bao gồm các tính năng cải tiến giúp các thiết bị đơn giản hóa tính năng, hay còn được gọi là RedCap, hoạt động trên mạng 5G.

Bảng 1. So sánh các công nghệ IoT di động.

Các thiết bị 5G RedCap có thể kết nối Internet qua 5G, nhưng không có đầy đủ tính năng và hiệu năng của các thiết bị thông thường như điện thoại thông minh và thiết bị người dùng cao cấp khác hoạt động trên mạng 5G. Mặc dù các thiết bị RedCap như thiết bị đeo, cảm biến, thiết bị giám sát và thiết bị IoT không có năng lực đầy đủ về thông lượng, băng thông và độ trễ của thông số kỹ thuật 5G như các thiết bị khác, nhưng chúng thường có những hạn chế nghiêm ngặt hơn về mức tiêu thụ điện năng và chi phí. Các thiết bị RedCap được hưởng lợi từ việc triển khai 5G trên quy mô lớn nhưng sử dụng ít tính năng 5G hơn để tạo ra cân bằng tối ưu giữa tính năng so với chi phí và mức tiêu thụ điện năng.

3GPP cung cấp ba phương án sử dụng cho thiết bị RedCap: cảm biến công nghiệp, thiết bị giám sát và thiết bị đeo. Báo cáo kỹ thuật của 3GPP  38.875 xác định tốc độ dữ liệu tối đa, độ trễ toàn diện  và tính khả dụng của dịch vụ cho từng phương án sử dụng, được thể hiện trong Bảng 2 .

Bảng 2. Những tính năng mở rộng về giảm chi phí và tiêu thụ điện năng trong Release 17.

Cân đối chi phí/hiệu năng của RedCap

Để giảm độ phức tạp, chi phí và mức tiêu thụ điện năng, các thiết bị RedCap sử dụng ít ăng-ten hơn so với các thiết bị 5G tiêu chuẩn. Nhờ vậy, chúng còn có thể giảm số lớp đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) tối đa. Các thiết bị RedCap chỉ hỗ trợ 2x2 MIMO cho đường xuống và một đầu vào một đầu ra cho đường lên. 

RedCap cũng giới hạn năng lực băng thông của thiết bị so với các thiết bị đầu cuối 5G tiêu chuẩn để giảm chi phí bộ khuếch đại công suất. Các thiết bị RedCap chỉ sử dụng băng thông 20 MHz cho dải tần 1 (FR1) và 100 MHz cho dải tần 2 (FR2).

Bảng 3. Lợi ích và những cân đối trong các chiến lược giảm chi phí của RedCap.

Một cải tiến giúp tiết kiệm chi phí khác được giới thiệu trong Release 17 của 3GPP cho các thiết bị RedCap là hỗ trợ truyền dẫn bán song công phân chia theo tần số (FDD). Mặc dù bán song công FDD làm giảm đáng kể chi phí bằng giúp cho các thiết bị RedCap sử dụng bộ chuyển mạch thay vì bộ song công như trong FDD song công, nhưng kỹ thuật này có một số nhược điểm. Thiết bị RedCap không thể thu phát đồng thời. Lý do là thiết bị sử dụng bán song công FDD:

• Sẽ không phát hiện được thông tin phân thời gian cho đường xuống và đường lên trong cùng một bộ ký hiệu
• Không thể giám sát các bản tin đường xuống khi được định cấu hình ở chế độ đường lên
• Không thể gửi thông tin điều khiển đường lên trong khi giám sát đường xuống

Trong trường hợp có xung đột, các thiết bị RedCap có thể quyết định phải làm gì dựa trên cách thức triển khai cụ thể.

Các tính năng mở rộng giúp RedCap tiết kiệm năng lượng

RedCap cũng đơn giản hóa một số thông số kỹ thuật 5G đặc biệt để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời lượng pin của các thiết bị RedCap. Ví dụ: RedCap sử dụng hình thức giám sát mạng giản lược so với thông số kỹ thuật 5G đầy đủ. Các thiết bị RedCap giới hạn số lượng các phần tử điều khiển và giải mã mù được giám sát trong kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH), giảm lượng điện năng cần thiết cho các tác vụ này. 

Một biện pháp đơn giản hoá khác để tiết kiệm năng lượng do RedCap triển khai là công nghệ thu gián đoạn nâng cao (eDRX). RedCap kéo dài các chu kỳ eDRX khi thiết bị ngắt kết nối mạng hoặc không hoạt động, giúp kéo dài đáng kể thời lượng pin của thiết bị RedCap. Chu kỳ eDRX dài hơn đặc biệt có giá trị trong các phương án sử dụng cụ thể, chẳng hạn như cảm biến vô tuyến cố định, bởi vì việc kéo dài chu kỳ eDRX đồng nghĩa với việc giảm hiệu năng di động của thiết bị. (Chẳng hạn một cảm biến vô tuyến giám sát đường ray chỉ cần định kỳ kết nối với mạng để truyền dữ liệu.)

RedCap cũng nới lỏng các yêu cầu quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) đối với các thiết bị không nằm ở biên các cell và bổ sung trạng thái không hoạt động của kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC), cho phép UE truyền những cụm dữ liệu nhỏ mà không cần chuyển sang trạng thái kết nối với RRC. Cả hai tính năng mở rộng này đều được thiết kế để tiết kiệm năng lượng và kéo dài thời lượng pin cho thiết bị RedCap.

Giảm độ phức tạp của thiết bị RedCap

Khía cạnh cuối của các tính năng mở rộng trong RedCap là các biện pháp đơn giản hóa để giảm độ phức tạp của thiết bị RedCap. Những tính năng mở rộng này cũng có thể giảm mức tiêu thụ điện năng và chi phí thiết bị, nhưng mục đích chính là để giảm độ phức tạp của thiết bị sao cho các linh kiện RF có thể lắp vừa các thiết bị có kích thước nhỏ hoặc hình dạng đặc biệt. Ví dụ như các thiết bị đeo như kính thông minh.

Các biện pháp đơn giản hóa RedCap để giảm độ phức tạp của thiết bị bao gồm tính năng chỉ hỗ trợ một sóng mang (không hỗ trợ ghép sóng mang) và hỗ trợ kết nối đơn, cho phép thiết bị RedCap chỉ hoạt động ở chế độ 5G độc lập. RedCap cũng hỗ trợ công suất 5G lớp 3, hạn chế công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả (EIRP) của thiết bị để giảm kích thước pin của thiết bị.

Ý nghĩa đối với mạng 5G

Các tính năng mở rộng nêu trên của Release 17 chủ yếu dành cho các thiết bị RedCap. Nhưng các tính năng mở rộng của RedCap cũng có ý nghĩa đối với mạng 5G.

Tác động lớn nhất của RedCap đối với mạng 5G là mạng phải thích ứng với các tính năng cụ thể của RedCap trong quá trình truy cập ngẫu nhiên và khi thiết bị được kết nối. Các yếu tố thông tin mới được đưa vào RedCap cho phép tự động điều chỉnh băng thông theo hoạt động của thiết bị. Ví dụ: một số yếu tố thông tin mới này liên quan đến cho phép thiết bị đầu cuối RedCap nối với một cell bằng cách sử dụng chế độ bán song công. Cần một số yếu tố thông tin cho phép thiết bị RedCap kết nối với một cell; khi không phát hiện được các yếu tố thông tin này, cell sẽ chặn các thiết bị RedCap kết nối, và thiết bị RedCap sẽ phải khởi động thủ tục RRC để kết nối với một cell khác nơi có các IE cần thiết.

Một yếu tố thông tin mới khác cho phép nới lỏng các yêu cầu của RedCap đối với các thiết bị cố định và thiết bị ở biên cell.

Một số yếu tố thông tin mới liên quan đến lập cấu hình phần băng thông (BWP), cho phép sử dụng phổ linh hoạt để tiết kiệm năng lượng bằng tự động điều chỉnh băng thông được ấn định theo hoạt động của thiết bị người dùng. Băng thông thấp ảnh hưởng đến thủ tục kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH) được các thiết bị sử dụng để truy cập mạng. Mạng có thể xác định phần băng thông BWP cho các thiết bị RedCap hoặc giảm kích thước của BWP để các thiết bị này gắn vào mạng. Tuy nhiên, tính năng mở rộng này có ít giá trị đối với RedCap vì như đã đề cập ở trên, các băng thông hoạt động tối đa của các thiết bị RedCap là 20 MHz.

Các tham số và quy trình báo hiệu mới được đưa vào Phiên bản 17 để cho phép mạng hỗ trợ các thiết bị RedCap đòi hỏi các kỹ sư thiết bị kiểm tra tính tương thích của các thiết bị để đảm bảo kết nối. Các kỹ sư phát triển thiết bị 5G cũng cần công cụ để kiểm tra các tham số RedCap nhằm mục đích gỡ lỗi.

Triển vọng thị trường RedCap

Việc ứng dụng các thiết bị 5G RedCap trong những năm tới có triển vọng rất sáng sủa. Các nhà phân tích dự báo chipset 5G RedCap đầu tiên sẽ bắt đầu xuất hiện trong năm nay và năm 2024, với các thiết bị RedCap thương mại đầu tiên sẽ được tung ra thị trường vào năm 2025 và 2026. Sau năm 2026, các thiết bị RedCap thương mại dự kiến sẽ có tốc độ tăng trưởng nhanh chóng, trong bối cảnh các ngành và người tiêu dùng tăng cường sử dụng thiết bị đeo có kết nối 5G để theo dõi sức khỏe và các ứng dụng khác, cảm biến vô tuyến giá rẻ để thu thập dữ liệu công nghiệp và theo dõi tài sản cũng như thiết bị giám sát để sử dụng trong các ứng dụng đô thị thông minh, nhà máy thông minh và các ứng dụng thông minh khác. 

Tương tự như đối với tất cả các thiết bị di động, thiết bị và phương pháp thử nghiệm toàn diện là yếu tố quan trọng để đưa thiết bị 5G RedCap ra thị trường. Phương pháp thử nghiệm phù hợp là yếu tố thiết yếu để xác thực hiệu năng và mức độ tuân thủ giao thức của các thiết bị 5G RedCap. 

Dylan McGrath, Giám đốc bộ phận Giải pháp Công nghiệp cho 5G tại Keysight Technologies

Theo tạp chí Điện tử & Ứng dụng