Ultrabetrouwbare lange afstand communicatie met lage latency

IoT en IIoT drijven op draadloze communicatie. Protocollen als Wi-Fi, Bluetooth en 3G/4G/5G zijn gemeengoed, en ook minder bekende draadloze technologieën, zoals ultrabreedband (UWB), LoRa, Sigfox en ISM worden steeds meer toegepast. Een relatief nieuw draadloos communicatieprotocol voor de IoT- en IIoT-markt is DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) NR+ (New Radio plus). Dit protocol adresseert een aantal beperkingen van de meer gangbare communicatiemethoden en onderscheidt zich op het gebied van ultrabetrouwbare communicatie over lange afstand met lage latency.

Bij de selectie van een draadloos protocol voor IoT en IIoT draait het vooral om overdrachtssnelheid, latency, bereik, energieverbruik en topologie. Het overbrengen van grote hoeveelheden gegevens in een zo kort mogelijk tijdsbestek is voor veel toepassingen essentieel. Voor sommige toepassingen zijn echter geen hoge snelheden vereist. Een eenvoudige IoT-temperatuursensor bijvoorbeeld verzendt slechts enkele bytes per minuut. WiFi heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt, zoals WiFi 6 met gigabit-snelheden. Waar 4G met download-snelheden van 30 Mbps zo ongeveer aan zijn max zit, haalt 5G in de praktijk bij telecomaanbieders enige honderden Mbps, waar in theorie meer dan 4 Gbps haalbaar is. Low-speed kandidaten zijn onder andere Bluetooth met 1 Mbps, LoRa tot 27 Kbps en cellulaire NB-IoT met 127 Kbps.

Latency

Met de latency wordt de tijd bedoeld die een signaal nodig heeft om zijn bestemming te bereiken en vervolgens een bevestiging terug te sturen. Eventuele vertragingen kunnen een beperkende factor zijn voor highspeed communicatie, omdat het wachten op een bevestiging van een datapakket de doorvoer vermindert. Latency is belangrijk voor realtime applicaties die een deterministische en voorspelbare timing van de reactie vereisen. Een lage latency is vitaal voor industriële automatiseringssystemen, een belangrijk doel voor de inzet van 5G. 5G belooft een aanzienlijke verbetering van de cellulaire latency: 5 ms vergeleken met een gemiddelde van 80 ms voor 4G.

Het effectieve bereik van een draadloze verbinding kan aanzienlijk variëren. Muren en vloeren hebben een negatief effect op draadloze signalen, waardoor deze in sterkte afnemen. Daardoor blijft de meeste WiFi-communicatie beperkt tot afstanden van enkele tientallen meters. Het bereik buitenshuis wordt beïnvloed door omgeving, planten en bomen en, bij zeer hoge frequenties, door neerslag.

Energieverbruik is vooral van belang bij batterijgevoede ingebedde systemen. De hoeveelheid stroom die een draadloze transceiver verbruikt om een betrouwbare verbinding tot stand te brengen en te behouden, is van grote invloed op de levensduur van de batterij. WiFi is wat dat betreft een notoire grootverbruiker.

DECT NR+ speelt in op de groeiende behoefte bij de uitrol van IoT- en IIoT-implementaties aan grootschalige, ultrabetrouwbare, draadloze communicatie met lage latency.

DECT NR+

Opmerkelijk aan DECT NR+ is dat het, in tegenstelling tot 5G, geen cellulaire norm is, maar wel de ITU-R goedkeuring heeft voor 5G met de IMT-2020 (internationale standaard voor mobiele telecommunicatie) op basis van zijn URLLC (ultrabetrouwbare communicatie met lage latency) en mMTC (massieve machine-type communicatie).

De belangrijkste kenmerken van DECT NR+ zijn:

• Werking in het draadloze spectrum van 1,9 GHz, dat nagenoeg wereldwijd beschikbaar is en waarvoor geen licentie is vereist. Dit biedt de mogelijkheid om één enkele versie van een product te ontwikkelen in plaats van regionale varianten, wat een aanzienlijke besparing betekent op productie- en goedkeuringskosten.

• Functionaliteit in verschillende topologieën, waaronder star, mesh en P2P, met zelforganiserende en zelfherstellende netwerkcapaciteiten.

• Extreem lage latency, tot 1 ms, wat het toepassingsperspectief voor draadloze communicatie vergroot.

• Betrouwbaarheid van meer dan 99,99%, gebaseerd op bewezen cellulaire technieken, zoals FEC

Aan DECT NR+ worden in het 5G-applicatiespectrum kansen toegedicht voor toepassingen op het gebied van met name mMTC (massive Machine Type Communications) en URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications).

(voorwaartse foutcorrectie) en HARQ (hybride automatisch herhaalverzoek). Deze komen laag in de protocolstack voor, zodat hogere lagen daarvoor niet te hoeven worden aangesproken.

• Beveiliging op basis van AES en CCM.

• Grote schaalbaarheid: tot 4 miljard knooppunten en 16 miljoen netwerken.

• OFDM (orthogonale frequentiedivisie multiplexing) -modulatie met efficiënte kanaalcodering en highlevel modulatie.

• Een niet-cellulaire netwerkbenadering, zodat klanten privénetwerken kunnen creëren zonder noodzaak van toegang tot basisstations of de infrastructuur van een serviceprovider.

• Grootschalige inzetbaarheid met een bereik van een kilometer en een maximale gegevenssnelheid van 9 Gbps.

• Geen abonnementen of SIM-kaarten nodig.

Modulatie

De fysieke laag (PHY) van de NR+ protocolstack maakt binaire phase shift keying (BPSK, ook bekend als binaire PSK), kwadratuur PSK (QPSK) en kwadratuur-amplitudemodulatie (QAM) van het OFDM-signaal mogelijk. De DECT NR+ specificatie ondersteunt tot 1024 QAM voor maximaal 9 Gbps. Door de gegevenssnelheid al naargelang de applicatie te verlagen, wordt het energieverbruik voor ingebedde toepassingen met een laag vermogen geoptimaliseerd.

Vergelijking van DECT NR+ met andere populaire draadloze communicatieprotocols.

Foutcorrectie

Een ander kenmerk van de PHY-laag is de HARQ (hybrid automatic repeat request) foutcorrectietechniek. Met het opnieuw verzenden binnen de PHY verdwijnt de noodzaak voor de applicatielagen om deze functionaliteit te leveren en zijn tevens acht gelijktijdige HARQ-processen mogelijk. Aangezien het opnieuw verzenden ter verbetering van de betrouwbaarheid binnen de PHY plaatsvindt, bedraagt de latency van de hertransmissie minder dan 417 μs.

Platform voor DECT NR+ Nordic Semiconductor ondersteunt het DECT NR+ protocol met de laag-vermogen nRF91 DECT NR+ draadloze transceiver, die samen met referentieontwerpen en een evaluatieplatform in de loop van dit jaar beschikbaar zijn. Voortbouwend op de gevestigde nRF91 Cellular (LTE en NB-IoT) system-in-package (SiP) werkt Nordic hierin samen met de IoT-softwareleverancier Wirepas om de Wirepas Mesh Connectivity Suite te integreren met de nRF91. Hiermee komt het bedrijf tegemoet aan de groeiende behoefte aan grootschalige, ultrabetrouwbare, draadloze communicatie met lage latency, die met de toenemende schaalvergroting van IoTen IIoT-implementaties ontstaat. DECT NR+ is mede dankzij zijn beveiliging en betrouwbaarheid op cellulair niveau goed gepositioneerd om hierin een belangrijke rol te spelen.

Beschikbare modulatie I/Q van het fysieke gegevenskanaal met DECT NR+.

Productnieuws

TOP-electronics

5G NR modules

Gebaseerd op de Snapdragon X75 en X72 5G Modem-RF Systemen van Qualcomm kunnen de RG650E en RG650V 5G New Radio (NR) module- series van Quectel zowel in 5G nonstandalone (NSA) als standalone (SA) modes werken. De RG650E ondersteunt een maximale bandbreedte van 300 MHz in het sub-6GHz spectrum, terwijl de RG650V tot 200 MHz bandbreedte ondersteunt. Het gebruik van Option 3x/ 3a/ 3 en Option 2 netwerkarchitecturen maakt de modules achterwaarts compatibel met wereld- wijde LTE- en WCDMA-netwerken. Quectel biedt ook een RG650x-gebaseerde System-on-Chip (SoC) oplossing met de nieuwste WiFi 7-technologie, die de overdrachtssnelheden aanzienlijk verhoogt, de latency vermindert en de totale netwerkcapaciteit voor klantentoepassingen verhoogt. Bovendien kan de module dankzij de ondersteuning van Open-

HARQ binnen de PHY verbetert de betrouwbaarheid, introduceert een minimale latency en belast de applicatielaag minder.

WRT geavanceerde netwerkfuncties bieden in een groter aantal upstream systeemtoepassingen.