Cechą rynku modułów komunikacji bezprzewodowej jest ogromna różnorodność urządzeń, standardów, protokołów, wersji i wykonań. Co chwila pojawiają się nowe standardy i wersje, rozwiązujące problemy, które jeszcze chwilę wcześniej były dużym kłopotem (np. pobór mocy), dają lepsze parametry lub są lepiej powiązane z resztą infrastruktury w cały system. Rosnący stopień skomplikowania i zależności technologii oraz wspomniana szybka ewolucja niestety nie sprzyja dobrej orientacji klientów i utrudnia dokonywanie optymalnych wyborów. Mamy Wi-Fi, Bluetooth, moduły do sieci komórkowych, wersje RF na pasma ISM w dziesiątkach odmian i moduły do sieci LPWAN. Konstruktor ma do wyboru nie tylko kilka generacji sieci Wi- Fi i komórkowych oraz Bluetooth różniących się nie tylko przepustowością, ale i poborem mocy, z których nie wszystkie są ze sobą kompatybilne. Do dyspozycji są też inne rozwiązania otwarte i protokoły własnościowe. Wiele modułów komórkowych to wielosystemowe platformy z procesorem aplikacyjnym, pamięcią oraz wersje z wbudowanym odbiornikiem lokalizacyjnym lub Bluetooth czy Wi-Fi. Razem tworzy to ogromne możliwości i wybrać optymalne rozwiązanie do projektu staje się coraz bardziej skomplikowane.
Technologia 5G stała się faktem
Dostępność sieci komórkowej w technologii 5G w Polsce stała się faktem w ostatnich dwóch latach, gdyż po wielu problemach natury politycznej zakończyły się wielokrotnie zapowiadane i przekładane aukcje częstotliwości dla operatorów. Zmiana ta widoczna jest już w dostępnych usługach świadczonych przez operatorów, a abonamenty z opcją "5G" są codziennością. Faktem jest, że 5G w naszym kraju pojawia się stosunkowo późno, w stosunku do innych krajów Unii Europejskiej, co ma wpływ na potencjał i tempo rozwoju rynku modułów komunikacyjnych w tym standardzie, gdyż aby rynek się rozwijał, a sprzedaż była możliwa, operatorzy muszą mieć gotową infrastrukturę. W tym kontekście należy pamiętać, że "5G" jest terminem bardzo pojemnym, jeśli chodzi o zakres dostępnych usług jak też o wykorzystywane pasma częstotliwości. Nie zawsze dostępność "5G" oznacza pełny zakres możliwości. Raczej, na etapie początkowym, jest to "fragment". Podobnie jest z zasięgiem, który na początku pojawia się w centrach dużych miast, potem dopiero jest rozszerzany na ich peryferia. Operatorzy podają, że docierają z usługami 5G "do połowy mieszkańców Polski" i że czekają ich dwa lata intensywnych inwestycji.
Operatorzy komórkowi w Polsce oferują usługi w sieci 5G od 2022 roku. Państwo nie udostępniło im jeszcze wtedy częstotliwości, które w Europie do tego celu wskazano (700 MHz, 3,6 GHz oraz 26 GHz), zatem w większości radzili sobie, dzieląc już posiadane zasoby od usług starszego typu np. Internetu LTE. Wyjątkiem był Polkomtel, który na 5G przeznaczył konkretne pasmo (2,6 GHz). Pasmo 3,6 GHz to tzw. pasmo pojemnościowe, co oznacza, że więcej urządzeń czy aplikacji może korzystać z nadajnika w tym samym czasie. Dopiero niedawno rozdysponowano pasmo 700 MHz między operatorów sieci komórkowych, operatora systemu łączności dla służb (PPDR, Public Protection and Disaster Relief) oraz organizatorów specjalnych wydarzeń masowych (PMSE). Pasmo 700 MHz ma inne właściwości: zapewnia zasięg sygnału na większym obszarze i potencjalnie do większej liczby domów i firm, stąd określane jest mianem "pokryciowego". Z punktu widzenia sprzedaży modułów 5G dostępność 700 MHz jest istotna, bo poszerza możliwości użycia. Sytuacja będzie jeszcze lepsza, gdy UKE rozdysponuje pasmo 800 MHz.
2G/3G – decyzje operatorów są jednoznaczne
Świat telekomunikacji szybko się zmienia, stąd wielu operatorów sieci całkowicie wycofuje wsparcie dla technologii 2G. Nie jest ono używane przez zdecydowaną większość mobilnych urządzeń używanych obecnie, a zapotrzebowanie klientów praktycznie nie istnieje poza obszarami wiejskimi. 3G szybko odchodzi do lamusa z bardzo podobnych powodów. Nowoczesne urządzenia wymagają wyższej przepustowości, niż może zapewnić 3G, a wspieranie tej technologii ma mało sensu dla nowoczesnego operatora. Chociaż wsparcie dla 3G na świecie jest znacznie większe niż dla 2G, dni tego standardu też są policzone.
Można przyjąć, że minimalny poziom możliwości komórkowych zapewniają sieci LTE, a w kolejnych latach będzie to sieć 5G. 5G zapewnia nie tylko większą wydajność, ale także pozwala na niezawodną komunikację dla wielu jednocześnie działających urządzeń, małe opóźnienia, sieci prywatne i sieci typu NTN (z komunikacją satelitarną niekorzystające z nadajników naziemnych). 5G idzie więc wyżej, szerzej, a także ma mniejsze potrzeby energetyczne poprzez rozszerzone wsparcie dla urządzeń o ultra-niskim zużyciu energii i uproszczone implementacje protokołu (takie jak w LTE "niskie kategorie", NB, M).
Wiele z funkcji 5G będzie prawdopodobnie bezużytecznych dla zastosowań M2M/ IoT/ Embedded. Ogromna przepustowość może stanowić wyzwanie dla mikroprocesora, a pasma mikrofalowe niekoniecznie muszą zapewnić efektywność energetyczną. Prawdopodobnie minie jeszcze kilka lat, zanim na rynku pojawi się masowo produkowany, tani modem 5G o praktycznym zastosowaniu do większości urządzeń IoT/ M2M. Na razie ceny jednostek "5G" są dość wysokie.
eSIM – pożyteczny standard
W przypadku modułów do sieci komórkowych, tak samo jak w telefonach komórkowych, konieczne jest wykupienie usługi u operatora. Identyfikacja urządzenia następuje z użyciem karty SIM, która zawiera unikalny numer identyfikujący każde urządzenie w sieci komórkowej IMSI, który jest już zarejestrowany w bazach danych sieci komórkowej oraz pozwala na bezpieczne dołączenie do sieci. Karta SIM dzisiaj ma formę elektroniczną, tj. są to zapisane w pamięci urządzenia dane stanowiące tzw. embedded SIM (eSIM). Zapewnienie obejmuje aktywację profili sieci łączności zapisanych na karcie SIM, w tym wszystkich partnerów roamingowych. Karta SIM może również zawierać informacje o abonencie, konfigurację sieci i zasady korzystania, takie jak całkowite limity zużycia danych i wymagania dotyczące jakości usług, które są wykorzystywane do prawidłowego wystawiania rachunków klientowi zgodnie z umową. Elektroniczny SIM znacząco uprościł zarządzanie urządzeniami, gdyż nie trzeba nic montować w gnieździe, nie ma problemu z niezawodnością, zakresem temperatur, bezpieczeństwo jest większe, gdyż karty eSIM nie da się wyjąć. Zmiana operatora też stała się łatwiejsza. Bezsprzecznie eSIM stał się dużym ułatwieniem w rozwoju komunikacji M2M i IoT.
ESIM pozwala też łatwo skorzystać z usług globalnych operatorów specjalizujących się w obsłudze aplikacji IoT. Firmy takie zapewniają centralne zarządzanie wieloma kartami SIM za pomocą własnego oprogramowania, w tym powiadomienia, dają przydział danych na konto zamiast na urządzenie, co może dodatkowo obniżyć koszty i ułatwia pracę.
Certyfikacja
Moduły komunikacyjne znacząco upraszczają konstrukcję urządzeń elektronicznych, gdyż dzięki nim konstruktor skupia się na zagadnieniach aplikacyjnych i użytkowych zamiast na realizacji toru radiowego, budowie protokołu, modulacjach itp. Poza wymienionymi aspektami dużą wartością dodaną jest certyfikacja, a więc zgodność modułów z wymaganiami dyrektywy RED i innych podobnych regulacji obowiązujących w pozostałych regionach świata jak FCC. Moduły muszą być też certyfikowane na zgodność ze standardem protokołu, wymaganiami sieci komórkowych, po to, aby potrafiły działać z innym zgodnym sprzętem tworzącym infrastrukturę dostępową.
Z certyfikacją wiążą się opłaty, gdyż nierzadko rozwiązania związane z komunikacją są chronione patentami, których właścicielami są organizacje i firmy odpowiedzialne za rozwój standardu. Niewiele firm ma świadomość, że wprowadzając produkt na rynek, bierze odpowiedzialność za regulowanie opłat patentowych. Ze wzglądu na tysiące zarejestrowanych patentów jest to szczególnie ważne w przypadku łączności komórkowej. Producenci modułów najczęściej lakonicznie odpowiadają na pytanie czy prawa patentowe są przez nich opłacane (nie muszą ich opłacać, ale wtedy negocjacje z właścicielami patentów musiałby prowadzić klient końcowy, bo to on jest odpowiedzialny), najczęściej są opłacane, ale tylko ich niewielka część, o czym klient końcowy nie ma świadomości, a można zawsze ogólnie powiedzieć "tak, opłacamy".
Stan uregulowanych opłat patentowych jest zatem niełatwy do ustalenia i powinien być przedmiotem pytań skierowanych do sprzedawcy oraz zawarty w treści zamówień, po to aby, w razie problemów można było ustalić odpowiedzialność.
LTE Cat 1 Bis
LTE Cat 1 Bis to wersja standardu LTE, która została opracowana specjalnie do obsługi aplikacji IoT. Cat 1 Bis wykorzystuje istniejące sieci LTE, ale co najważniejsze, działa z jedną anteną, w przeciwieństwie do LTE Cat 1, które wymaga, aby urządzenia IoT miały dwie anteny (MIMO). Ma to oczywiste zalety pod względem zapewnienia bardziej kompaktowych wymiarów aplikacji IoT i większej prostoty w projektowaniu niż dla sprzętu LTE Cat 1.
Inną ważną zaletą jest to, że Cat 1 Bis może oferować taką samą szybkość transmisji danych, opóźnienie, możliwości roamingu jak LTE Cat 1, mimo korzystania z jednej anteny. Wykorzystuje też tę samą infrastrukturę i standardy co LTE Cat 1, więc nie ma potrzeby przerabiania i dostosowywania projektów pod tym kątem.
Podobnie jak LTE Cat 1, "Bis" zapewnia 10 Mb/s w dół i 5 Mb/s w górę, wykorzystuje pasmo o szerokości 20 MHz i daje opóźnienie mniejsze niż 100 ms. Te kryteria wydajności odróżniają Cat 1 bis od innych wariantów LTE, które obsługują komunikację z jedną anteną, w tym LTE Cat 0, LTE Cat M1 i LTE Cat NB1 (NB-IoT), które oferują przepustowość poniżej 1 Mb/s.
LTE Cat 1 bis jest zatem atrakcyjną propozycją dla aplikacji IoT o optymalnej wydajności. Jednak moduły Cat 1 bis mogą być droższe niż LTE-M i NB-IoT, więc pojawiają się głównie tam, gdzie można wykorzystać większą szybkość transmisji danych. Oczywiście cały czas dostępne są funkcje takie jak tryb oszczędzania energii (PSM) i rozszerzony nieciągły odbiór (eDRX), które minimalizują pobór mocy.
Typowe zastosowania Cat 1 Bis obejmują aplikacje związane ze śledzeniem zasobów, logistyką, transportem towarów, telematyką, sieciami czujników i aplikacjami mikromobilności. W miarę dojrzewania rynku przewiduje się, że ceny modemów Cat 1 bis zbliżą się do kosztów modemów LTE-M i NB-IoT, co dodatkowo napędzi sprzedaż.
5G RedCap
5G Reduced Capability (RedCap) to z kolei nowy wariant sieci 5G zaprojektowany do obsługi aplikacji o średnich wymaganiach w zakresie przepustowości, żywotności baterii i złożoności. RedCap kierowany jest jako tańsza alternatywa tam, gdzie nie jest wymagana duża wydajność standardowej technologii 5G.
RedCap (Reduced Capability) ma na celu bycie zamiennikiem dla rozwiązań LTE, na których często polegają producenci urządzeń IoT klasy średniej. 5G RedCap oferuje porównywalną wydajność przepustowości do LTE Cat-4 i LTE Cat-6. Moduły tego typu obsługują transmisję 150 Mb/ s DL i 50 Mb/s UL, korzystają z jednej anteny i mniejszej mocy nadawania, używają prostszego wariantu modulacji QAM (np. 64QAM zamiast 256QAM) i węższego pasma częstotliwości, na przykład 20 MHz dla sub-7 GHz lub 100 MHz dla mmWave. Jest to znacząco mniej niż dla zwykłego NR, gdzie pasma te wynoszą odpowiednio 100 i 200 MHz.
Kolejny aspekt to redukcja kanałów MIMO, w tym umożliwienie operacji półdupleksowych (HD), a więc działanie na jednej antenie i tym samym kanale. Zasada jest taka, że w pasmach, w których moduł bazowy NR musi być wyposażony w co najmniej dwie gałęzie odbiorcze, urządzenie RedCap musi mieć tylko jedną.
Podobnie moduł NR obsługuje pełny dupleks (FD) w paśmie FDD, tj. ma możliwość nadawania i odbierania na różnych częstotliwościach w tym samym czasie. Do tego celu wymagany jest specjalny filtr wąskopasmowy tzw. duplekser, pozwalający pracować odbiornikowi i nadajnikowi z jedną anteną w tym samym czasie. Często wymagana jest obsługa wielu pasm FDD i w module może być potrzebnych wiele drogich duplekserów.
W przypadku urządzenia RedCap obsługa FD-FDD jest opcjonalna, tzn. nie jest wymagane odbieranie i nadawanie na tej samej częstotliwości w tym samym czasie, tylko na przemian. Taka operacja to półdupleks FDD (HD-FDD). HD-FDD eliminuje potrzebę stosowania filtrów. Zamiast tego używa się przełącznika nadawanie-odbiór, który jest znacznie tańszy.
Kolejne uproszczenie to rezygnacja z agregacji nośnych, czyli tego, aby działać jednocześnie w różnych pasmach częstotliwości, co wymaga użycia min. dwóch niezależnych transceiverów radiowych.
Przykładowe aplikacje dla RedCap to elektronika noszona (zegarki, aplikacje medyczne, gogle AR/ VR), przemysłowe czujniki bezprzewodowe i kamery nadzoru wideo. Uznano, że mają one mniej rygorystyczne wymagania dotyczące szybkości transmisji danych, niż daje szerokopasmowy eMBB i nie wymagają deterministycznego małego opóźnienia (URLLC). Takie zastosowania mają zupełnie inne wymagania niż aplikacje niskiej mocy z obszaru LPWA, którymi obecnie są rozwiązania LTE- M i NB-IoT. Na przykład, szybkości transmisji danych muszą być większe niż w przypadku LPWA. Innymi słowy, RedCap jest pozycjonowany jako niższy segment niż eMBB, ale wyższy niż LPWA.
Sieci LPWAN się rozwijają
Sieci LPWAN (Low-Power Wide- Area Network) to rozwiązania, gdzie przy małej przepustowości zapewniony został znacznie większy w porównaniu do innych standardów zasięg komunikacji. W warunkach krajowych oznacza to sieci LoRaWAN oraz LTE Cat. M / NB-IoT (Narrow-Band IoT) oraz opisane wyżej wersje 5G RedCap i LTE cat 1 Bis, które służą głównie do zbierania danych z rozległych aplikacji telemetrycznych. Typowe aplikacje, jak liczniki wody, gazu czy ciepła, systemy alarmowe, czujniki zadymienia, śledzenie ludzi i zwierząt, produkty AGD, kontrola dostępu do budynku, sterowanie oświetleniem, różnego rodzaju czujniki, np. stacje meteorologiczne itp., nie potrzebują większych wydajności, stąd LTE niskiej kategorii może być dobrym pomysłem.
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród krajowych dostawców komponentów do komunikacji bezprzewodowej.
