Moduły do komunikacji bezprzewodowej
Moduły komunikacyjne odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu łączności między urządzeniami i maszynami oraz węzłami IoT. Realizują wymianę danych, umożliwiając urządzeniom skuteczną komunikację i interakcję. Obsługują różne technologie komunikacji bezprzewodowej, takie jak Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN, ZigBee i oczywiście te do sieci komórkowych. Ich wszechstronność pozwala im obsługiwać całe spektrum aplikacji, od inteligentnych domów i automatyki przemysłowej, po opiekę zdrowotną i rolnictwo.
Cechą rynku modułów komunikacji bezprzewodowej jest ogromna różnorodność urządzeń, standardów, protokołów, wersji i wykonań. Co chwila pojawiają się nowe standardy i wersje, które rozwiązują 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 albo 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, odnosząc to do innych krajów Unii Europejskiej, co ma wpływ na potencjał i tempo rozwoju rynku modułów komunikacyjnych w tym standardzie, gdyż aby rynek się rozwijała 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.
Istotne nowości w obszarze komunikacji bezprzewodowej
Zestawienie najbardziej istotnych trendów, produktów i technologii w zakresie komunikacji bezprzewodowej otwiera miniaturyzacja i niski pobór mocy, który jest wspólnym mianownikiem wielu nowych rozwiązań kierowanych do świata IoT, AMR i urządzeń mobilnych. Podobne wskazanie uzyskały nowe moduły do sieci 5G. Kolejne trzy pozycje o mniej więcej tym samym udziale procentowym to moduły dwa w jednym, moduły LTE niskich kategorii (a więc zapewniające mały pobór mocy kosztem wydajności) oraz nowe wersje Bluetooth.
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 wykorzystywanych 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, niskie opóźnienia, sieci prywatne i sieci typu NTN (z komunikacją satelitarną nie korzystające z nadajników naziemnych). 5G idzie więc wyżej, szerzej, a także zapewnia rozszerzone wsparcie dla urządzeń o ultramałym zużyciu energii i uproszczone implementacje protokołu (takie jak w LTE "niskie kategorie", NB, M).
Wiele z funkcji 5G będzie prawdopodobnie bezużytecznych do 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 dla większości urządzeń IoT/M2M. Na razie ceny jednostek "5G" są dość wysokie.
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 względu 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 do sprzedawcy oraz zawarty w treści zamówień, po to aby, w razie problemów, można było ustalić odpowiedzialność.
RedCap
Pierwsza publikacja standardu 5G skupiała się głównie na rozwiązaniu eMBB, dedykowanym przede wszystkim do urządzeń mobilnych, takich jak smartfony oraz tablety, gdzie istotne jest przede wszystkim zapewnienie wysokiej przepustowości sieci i dużej szybkości transmisji danych. Istnieje jednak duża grupa urządzeń, szczególnie istotna w rozwiązaniach przemysłowych, gdzie szybkość transmisji danych nie jest tak ważna, znacznie większe znaczenie odgrywa zaś koszt urządzenia oraz zużycie energii. Z myślą o tego typu produktach opracowany został standard Reduced Capability (RedCap). Standard ten, będący elementem technologii 5G, pozwala na osiągnięcie szybkości transmisji do 150 Mbit/s (downlink) oraz 50 Mbit/s (uplink). Stanowi swego rodzaju uzupełnienie dla trzech głównych przypadków użycia technologii 5G. Powstał z myślą o urządzeniach, które nie potrzebują tak dużej szybkości transmisji jak eMBB, ani tak niskich wartości opóźnień komunikacji jak URLLC. RedCap koncentruje się na zapewnieniu wysokiej energooszczędności oraz skalowalności sieci, jednak w sposób mniej restrykcyjny niż w przypadku mMTC. Jednym słowem, jest to swego rodzaju kompromis pomiędzy trzema skrajnymi przypadkami użycia technologii 5G.
Główna różnica pomiędzy charakterystyką standardów eMBB oraz RedCap to maksymalna szybkość transmisji danych, która jest ściśle powiązana z szerokością pasma transmisyjnego, w efekcie zaś wpływa na złożoność oraz koszt modułu komunikacyjnego. W przypadku eMBB szerokość pasma to 100 MHz (dla FR1, czyli zakresu częstotliwości poniżej 6 GHz), zaś dla RedCap jest to nie więcej niż 20 MHz. Dodatkowo, urządzenia eMBB mogą zwiększać szybkość transmisji poprzez złożone techniki modulacji (CA, Carrier Aggregation), które nie są wspierane w standardzie RedCap.
Dzięki ograniczeniu szerokości pasma komunikacyjnego oraz uproszczeniu sposobu kodowania i modulacji sygnału radiowego możliwe było znaczne ograniczenie kosztów modułów komunikacyjnych przeznaczonych dla układów RedCap w porównaniu do analogicznych komponentów w standardzie eMBB. Uproszczeniu uległ cały tor radiowy – od układu antenowego, poprzez ścieżki sygnałowe aż do układu odbiornika. Z tego powodu standard RedCap pozwala na upowszechnienie technologii 5G w urządzeniach IoT, które korzystały uprzednio ze starszych rozwiązań komunikacyjnych, jak np. technologii 4G.
Należy mieć jednak świadomość, że nie w każdym przypadku korzystanie ze standardów RedCap przyniesie wymierne korzyści. Przykładowo, jeśli urządzenie typu RedCap zostanie wykorzystane w aplikacji wymagającej cyklicznej transmisji dużej ilości danych, może to doprowadzić do znacznego wzrostu obciążenia sieci radiowej. Poprawna praca systemu może w takim przypadku wymagać rozbudowy pojemności sieci, co przełoży się na wzrost kosztów całego rozwiązania, nawet pomimo obniżenia kosztów pojedynczego urządzenia. Z tego powodu istotne jest zrozumienie możliwości i ograniczeń poszczególnych profili urządzeń opisanych w technologii 5G – w praktycznych zastosowaniach moduły standardu RedCap, szczególnie te niskobudżetowe, powinny być wykorzystywane przede wszystkim w urządzeniach przeznaczonych do wymiany ograniczonej ilości danych.
Główne trendy techniczne
Za najważniejsze trendy techniczne zmieniające rynek komunikacji bezprzewodowej uznano możliwość zdalnego zarządzania urządzeniami oraz dokonywania aktualizacji oprogramowania drogą radiową (FOTA) dzięki którym projektowanie rozproszonych sieci czujnikowych, IoT i podobnych rozwiązań staje się łatwiejsze a eksploatacja tańsza. Na drugim miejscu znalazł się niski pobór mocy, co jest uniwersalną wartością zmieniającą cały rynek elektroniki, a zwłaszcza technologie mobilne. Za znaczącą nowość uznano moduły SoM pozwalające na stworzenie aplikacji bez konieczności dodawania zewnętrznego hardware (MCU, pamięć), jak również coraz doskonalsze oprogramowanie projektowe przyspieszające i ułatwiające tworzenie aplikacji.
Do typowych obszarów zastosowań standardu RedCap zaliczyć można m.in. system typu smart home, urządzenia noszone (zegarki, opaski) oraz systemy pomiarowe.
Przyszłym kierunkiem ewolucji standardu RedCap będzie prawdopodobnie rozszerzenie wsparcia dla urządzeń o jeszcze niższych wymaganiach w zakresie pasma transmisyjnego, kosztu oraz zapotrzebowania energetycznego. Kolejnym kamieniem milowym w rozwoju tej technologii ma być standard eRedCap (enhanced RedCap), pozwalający na ograniczenie pasma radiowego wykorzystywanego przez pojedyncze urządzenie do 5 MHz. Standard ten zapewniać ma szybkość transmisji porównywalną do LTE Cat-1.
W ogólności RedCap ma na celu zapewnienie tańszej alternatywy dla modułów oferujących pełne wsparcie technologii 5G, jego zadaniem jest również zapewnienie łatwej i taniej ścieżki migracji z LTE do 5G dla wielu grup urządzeń korzystających uprzednio ze standardów LTE Cat-1 do LTE Cat-4. Istnieje jednak pewna grupa urządzeń, dla których wymagania energetyczne standardu RedCap są zbyt wysokie. Z myślą o tego typu produktach opracowywany jest nowy standard komunikacyjny w ramach technologii 5G – Ambient IoT (A-IoT).
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.
======
