文 | 開山
近日,工信部發(fā)布《關于推進5G輕量化(RedCap)技術演進和應用創(chuàng)新發(fā)展的通知》,引發(fā)行業(yè)熱議。5G輕量化(RedCap,Reduced Capability)技術作為5G實現人、機、物互聯的重要路徑,其加快演進和應用創(chuàng)新,將對新型基礎設施建設、傳統產業(yè)轉型升級、數字經濟與實體經濟深度融合等方面發(fā)揮積極作用。本文介紹5G RedCap的背景、技術特點、應用場景和產業(yè)進展。
5G瘦身,兼顧性能與成本
5G的規(guī)模商用推動了萬物互聯的發(fā)展進程,帶動移動物聯網高速發(fā)展。據工信部統計,截止2023年上半年,我國移動物聯網連接數已經達到18.45億,成為全球主要經濟體中率先實現“物超人”的國家。全球范圍移動物聯網也保持快速增長,據GSMA預測,到2030年全球移動物聯網連接數有望達到53億,年增長保持20%以上。
不過,5G在物聯網領域的應用潛力尚未完全發(fā)掘,其中最主要的制約因素之一就是居高不下的成本。在5G物聯網技術體系中,5G NR能力最強,可提供高速率、高性能的連接,滿足100Mbps以上超高速率需求的物聯網業(yè)務。而物聯?應?場景復雜、各?各業(yè)甚?個別客戶的訴求差異化明顯,導致實際?戶對?絡指標要求并不一致,有些商用場景并不需要那么極致的性能,全部采用5G NR將造成較大的性能溢出,提高終端使用成本,影響網絡普及進程,影響5G網絡發(fā)展。
?如,在?度?動化的智慧???,雖然5G的超?帶寬和超低時延?可靠特性,能夠滿??業(yè)機器?精準控制的需求。但??中往往還有很??部分設備如視頻傳輸、?業(yè)傳感設備等,往往不需要那么極致的性能,但?需要?mMTC(NB-IoT和eMTC)更?性能,?4G?絡更低時延的連接?持。
因此,為了兼顧5G網絡性能與成本,3GPP在R17中提出5G輕量級(reduced-capability, RedCap)終端。在繼承5G NR關鍵特性的同時,RedCap降低了對數據速率、時延等的要求,同時降低設備成本、復雜性和功耗等。RedCap與 eMBB、 uRLLC和 mMTC典型性能?較如圖所示。
圖1?RedCap與 eMBB、 uRLLC和 mMTC典型性能比較
時延??, uRLLC的?標時延為1ms,RedCap應?在?業(yè)傳感器的?標時延低于100ms,視頻監(jiān)控的?標時延低于500ms;傳輸速率??, eMBB的?標峰值速率在下?鏈路中可達20Gbit/s,在上?鏈路中可達10Gbit/s。?要求最?的RedCap應?(例如可穿戴設備),其下?鏈路要求為150Mbit/s,上?鏈路要求為50Mbit/s;在電池壽命??, mMTC的?標是10-15年,?對于RedCap應?來說,?業(yè)傳感器的?標是?年,可穿戴設備的?標是?到兩周。
RedCap技術的提出,補齊了5G移動物聯網技術體系,形成能夠滿足低、中、高不同速率要求,兼顧不同性能與成本,且4G/5G協同的網絡體系。隨著5G-Advanced技術的發(fā)展和商用,RedCap還將支持當前Cat1所覆蓋的中速率場景,蜂窩無源互聯網可支持更低速率、零功耗的千億級物聯,形成全場景5G移動物聯網技術體系,全面助力行業(yè)數字化轉型。
圖2?移動物聯網技術體系
具體來看,在移動物聯網技術體系中:
- 面向超高速率場景(>100Mbps),由5G NR承載;
- 面向高速率場景(10-100Mbps),由4G Cat4和5G RedCap承載,未來逐步全部由5G RedCap承載;
- 面向中速率場景 (100kbps-10Mbps),由4G Cat1承載,未來隨著5G R18標準版本完善,RedCap也特具備永我該場景的能力;
- 面向低速率場景(<100kbps),由NB-IOT承截,是5G低功耗大連接場景的主要技術;
- 面向更低速率場景(<10kDps),正在研究的蜂窩無源物聯網技術,是5G-Advanced關鍵技術方向之一,以其更低成本、零功耗的優(yōu)勢可支持物流倉儲管理、貨物追蹤、資產盤存等千億級物聯場景。
標準完成,終端復雜度降低60%
2022年6月,3GPP R17標準版本凍結,標準著RedCap標準正式完成。標準主要涵蓋以下內容:終端復雜度降低、駐留與接入控制、移動性、終端識別、 BWP 配置以及功耗等。
相較于傳統5G終端,RedCap通過將最大傳輸帶寬縮減至 20MHz,裁剪收發(fā)天線數目(最低1T1R)、降低上下行最大調制階數(如64QAM)等手段,使得終端復雜度相較傳統eMBB終端降低約60%。另外,為RedCap終端引?了擴展不連續(xù)接收(eDRX)機制和放寬?線資源管理(RRM)的?式延?電池壽命。
當然,RedCap也延續(xù)了5G NR的各類優(yōu)秀特性,如大帶寬、低時延、高可靠性、業(yè)務保障、數據不出廠、低功耗、強覆蓋等諸多優(yōu)勢 ,可針對不同應用場景按需引入,有效滿足業(yè)務需求。
在未來的R18標準中,RedCap對標4G Cat1/1bis,將通過縮減業(yè)務帶寬、降低峰值速率等進一步降低終端復雜度,同時進一步擴展支持中速率物聯網業(yè)務。R18版本RedCap預計將會在2024年Q1結項。國內標準CCSA與也在同步推進RedCap研究,正在開展RedCap基站、終端、模組等行標征求意見稿討論。
聚焦工業(yè)、視頻、可帶穿戴設備和電力場景
在眾多5G應用場景中,3GPP提出了三類RedCap典型應用場景:工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控、可穿戴設備,關鍵指標要求見下表。表1?3GPP?RedCap典型場景及關鍵指標要求
應用場景 | 數據速率 | 端到端時延 | 可用性/可靠性 | 電池壽命 |
工業(yè)無線傳感器 | <2Mbps | <100ms安全相關的傳感器5-10ms | 可用性99.99% | 至少幾年 |
視頻監(jiān)控 | 經濟型 2-4Mbps
高端型?7.5-25Mbps |
<500ms | 可靠性
99%-99.9% |
—— |
可穿戴設備 | 參考速率
下行5-50Mbps 上行 2-5Mbps 峰值速率 下行 150Mbps 上行 50Mbps |
—— | —— | 幾天(1-2周) |
工業(yè)無線傳感器場景,覆蓋行業(yè)較為廣泛,包含制造業(yè)、鋼鐵、礦山、石化等行業(yè),RedCap在工業(yè)領域主要是以數據采集類應用為主。這類數據采集類應用對接企業(yè)平臺系統,特點是數量規(guī)模較大,對終端成本控制要求嚴。設備包括工業(yè)環(huán)境中的工業(yè)控制類、傳感器數采類、預測性維護、物流AGV、掃碼槍、打印機、AI機器視覺等。數據速率往往小于2Mbps,電池使用壽命要求至少可持續(xù)幾年。預估5G的市場空間在20萬/年,逐步提升到百萬/年的連接數。
廣域的視頻監(jiān)控場景是RedCap規(guī)模發(fā)展的重要領域,預估監(jiān)控攝像頭規(guī)??赏黄苾|級。通過將5G終端模組與監(jiān)控攝像機集成,為視頻監(jiān)控提供靈活、低成本的回傳手段, 其典型業(yè)務需求如下:經濟型視頻監(jiān)控的參考速率要求為 2-4Mbps,高端型視頻監(jiān)控的速率要求為7.5-25Mbps,業(yè)務量以上行為主;視頻監(jiān)控業(yè)務的時延要求小于500ms;通信可靠性要求在99%-99.9%之間。
可穿戴設備場景,主要特點是尺寸比較小,采用電池供電,對5G模組的尺寸和功耗有較高要求,且對廣覆蓋有要求。主要包括智能手表、智能手環(huán)、醫(yī)療監(jiān)控設備等,普遍要求設備體積小、功耗低。下行參考速率為5-50Mbps、上行參考速率為2-5Mbps,下行峰值速率為150Mbps、上行峰值速率為50Mbps;電池的理想工作續(xù)航為數天甚至1-2周。
此外,5G對電力行業(yè)發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)向數字化轉型至關重要。據南方電網數據,預計2025年接入終端設備將超過2億只,2030年終端數有望達到4億只。電力數字化業(yè)務可分為智能控制類和智能采集類,控制類業(yè)務包括智能分布式能源調控、用電負荷需求響應、配電自動化;采集類包括高級計量、變電站巡檢、輸電線路無人機巡檢、配電房視頻綜合監(jiān)控等。這些場景對速率的要求較低,對時延和可靠性要求較高,是RedCap的重點應用場景。
表2?RedCap適用的能源電力業(yè)務需求
2023年產業(yè)發(fā)展提速
運營商加速驗證
為加速推動產業(yè)成熟,2022年7月,IMT-2020 5G推進組牽頭完成RedCap關鍵技術及測試標準制定,引導終端、網絡設備產業(yè)快速具備商用條件。
中國移動于2023年上半年成?6?RedCap戰(zhàn)隊,聯合開展RedCap商?攻關。目前,華為、中興、愛立信、諾基亞、中信科等5家網絡主設備廠家已參與中國移動組織的RedCap技術驗證,支持終端接入、用戶識別、移動性、數據業(yè)務傳輸等基本功能,正推進多BWP等增強型特性。通過拉通端到端產業(yè)鏈各環(huán)節(jié),縮短從產品研發(fā)到應?落地的周期,預計于2023年底前推出RedCap商用版本,開始具備商用能力。試點方面,8月30日發(fā)布5G RedCap“1+5+5”創(chuàng)新示范之城,為產業(yè)鏈上下游提供技術試驗和應用示范平臺,加快推動RedCap規(guī)?;逃?。
中國電信?2021年起便不斷探索RedCap的應?場景。2022年初,中國電信在江蘇鎮(zhèn)江港、浙江國?電?、河北澳森鋼鐵、內蒙古準能煤礦、江?星?化?等企業(yè)展開了?業(yè)應?場景的RedCap?絡驗證。2023年,為進?步驗證RedCap在?域范圍內?業(yè)應?的拓展及協同,中國電信在深圳進?了“ RedCap 城市” 試點,并同時啟動全國15個?業(yè)試點單位進?場景驗證。?前,中國電信已對接RedCap?業(yè)終端超過50款,驗證了超20個?業(yè)應?場景。
中國聯通?發(fā)百站連?試驗?,同時啟動了多個省市分公司的?絡試驗,開展覆蓋?有頻段、相關?商的RedCap功能、性能、?絡優(yōu)化、端?協同等技術驗證。
2023年7?,中國?電聯合產業(yè)合作伙伴,基于?電5G?絡配置,在?電 700MHz和4.9GHz頻段開展RedCap商?關鍵功能和性能端到端測試,協同開展RedCap技術研討、部署?案優(yōu)化、業(yè)務場景構建分析等。
芯片、模組加大研發(fā)力度
芯片廠商對RedCap技術高度關注,積極規(guī)劃相關商用產品。2022年芯片廠商已推出原型樣機,參加技術驗證。
今年2月,?通宣布推出全球?個5G NR-Light (也稱“5G RedCap” )驍? ?X35 5G調制解調器及射頻系統。自2023年第二季度起,高通、聯發(fā)科、 紫光展銳、翱捷科技等芯片廠商不斷加大RedCap芯片研發(fā)力度,芯片商用進程加速。其中,聯發(fā)科參與了今年幾乎所有海外主流運營商RedCap的測試。預計部分芯片廠有望2023年下半年推出先發(fā)產品,具備商用條件,2024年將有更多芯片廠商推出商用Redcap芯片。
模組整體計劃與芯片節(jié)奏緊密相關,包括移遠、廣和通、鼎橋、芯訊通、海信、美格、有方、中興、中移物聯等模組廠家均在進行RedCap模組研發(fā)。2023年上半年RedCap模組由原先的1款增加至6款,其中:中移物聯RedCap模組MR880A系列,?向智慧??、視頻監(jiān)控、智慧電?、智能穿戴、?載通信等多種?業(yè)應?;中國電信天翼物聯與芯模?商智聯安、利爾達聯合發(fā)布的全球?款5G RedCap低功耗定位模組;移遠通信基于?通驍??X35 5G調制解調器及射頻系統的5G RedCap模組Rx255C系列;中國聯通發(fā)布?款通?型5G RedCap商?模組產品NX307等。
今年,聯通雁?、美格、廣和通、南瑞配網自動化終端、中移物聯企業(yè)網關、中微普業(yè)工業(yè)網關等RedCap終端相繼推出,RedCap終端增加至21款。預計2023年下半年,將推出面向電力、視頻監(jiān)控、工業(yè)互聯網、物探等場景的終端樣機,2024年起RedCap終端將在更多行業(yè)落地,終端類型將愈加豐富,在各行各業(yè)應用落地。
在價格方面, RedCap相關芯片模組的成本也有望大幅下降,RedCap模組商用初期預計售價在200-300元,隨著商用節(jié)奏加速、市場規(guī)模發(fā)展,預計可降至百元,期望最終能與現階段4G Cat4模組價格持平。
國外紛紛測試
2023年8月24日,Verizon宣布成功完成RedCap的測試,其采用愛立信的軟件和聯發(fā)科RedCap測試平臺,完成基于Verizon 5G網絡的數據和語音會話。測試是在C波段TDD頻譜和850 MHz FDD頻譜上、通過Verizon的5G SA核心網完成。
此前,美國另一家運營商AT&T宣布在實驗室和場外完成了美國首個RedCap數據通信測試,測試基于AT&T 5G SA現網。AT&T這次測試是和諾基亞、聯發(fā)科合作實施的,基于諾基亞的AirScale平臺和聯發(fā)科的RedCap測試平臺完成的。
澳洲兩大運營商也完成了5G RedCap的測試。Telstra宣布和愛立信、聯發(fā)科完成首個基于RedCap的VoNR測試,在Telstra的5G現網上使用了愛立信預商用RedCap軟件和聯發(fā)科的RedCap測試設備。本次VoNR的測試會話由FDD承載,標志著Telstra在5G功能的持續(xù)測試和驗證的開始;澳大利亞第二大運營商Optus與愛立信、聯發(fā)科合作完成首個RedCap遠程數據會話。
亞洲的運營商也同樣跟進,韓國SK電信宣布與諾基亞、聯發(fā)科合作,完成了基于商用頻段的RedCap開發(fā)和外場測試。
2025年連接數有望實現千萬級增長
據《推進5G輕量化技術演進和應用創(chuàng)新發(fā)展的通知》提出,我國計劃到2025年實現5G RedCap標準持續(xù)演進,技術能力滿足多樣化場景需求,推動產業(yè)芯片、模組、終端等成本持續(xù)下降,終端產品超過100款,連接數實現千萬級增長,打造5個以上實現百萬連接的5G RedCap應用領域。5G RedCap的發(fā)展將有望進一步激活5G市場,解決目前物聯網終端功耗大成本高的問題,覆蓋40%-50%的5G中速率場景,為5G規(guī)模發(fā)展帶來新機遇。
RedCap技術的引?,只需進行網絡軟件升級,不過對網絡接?管理、資源管理、信令開銷、?絡覆蓋等多個方面亦有影響,下一步如何確保?絡采?合適的管理策略,發(fā)展5G RedCap同時避免對?RedCap終端造成負?影響,對?絡運維和優(yōu)化提出了新的挑戰(zhàn)。
總之,5G RedCap發(fā)展已步入快車道,需要持續(xù)推動5G RedCap標準制定,完善產業(yè)體系,加快網絡能力升級和應用創(chuàng)新,未來發(fā)展能否達到預期,讓我們拭目以待。
參考文獻
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[3] 中國移動,《中國移動5G-RedCap技術白皮書》,2022
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[6] 通信世界,《5G RedCap技術能否助力運營商重拾信心?》,2023
[7] 物聯網智庫,《2030年5G RedCap出貨量將超1/4的份額,海外密集進行測試》,2023