5G輕量化（RedCap）發(fā)展解析

文 | 開山

近日，工信部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)5G輕量化（RedCap）技術(shù)演進(jìn)和應(yīng)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(shù)作為5G實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)的重要路徑，其加快演進(jìn)和應(yīng)用創(chuàng)新，將對(duì)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)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(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。

5G瘦身，兼顧性能與成本

5G的規(guī)模商用推動(dòng)了萬物互聯(lián)的發(fā)展進(jìn)程，帶動(dòng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，截止2023年上半年，我國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)已經(jīng)達(dá)到18.45億，成為全球主要經(jīng)濟(jì)體中率先實(shí)現(xiàn)“物超人”的國(guó)家。全球范圍移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)也保持快速增長(zhǎng)，據(jù)GSMA預(yù)測(cè)，到2030年全球移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)有望達(dá)到53億，年增長(zhǎng)保持20%以上。

不過，5G在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中，5G NR能力最強(qiáng)，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(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。而物聯(lián)?應(yīng)?場(chǎng)景復(fù)雜、各?各業(yè)甚?個(gè)別客戶的訴求差異化明顯，導(dǎo)致實(shí)際?戶對(duì)?絡(luò)指標(biāo)要求并不一致，有些商用場(chǎng)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(wǎng)絡(luò)普及進(jìn)程，影響5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

?如，在?度?動(dòng)化的智慧???，雖然5G的超?帶寬和超低時(shí)延?可靠特性，能夠滿??業(yè)機(jī)器?精準(zhǔn)控制的需求。但??中往往還有很??部分設(shè)備如視頻傳輸、?業(yè)傳感設(shè)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(luò)更低時(shí)延的連接?持。

因此，為了兼顧5G網(wǎng)絡(luò)性能與成本，3GPP在R17中提出5G輕量級(jí)（reduced-capability, RedCap）終端。在繼承5G NR關(guān)鍵特性的同時(shí)，RedCap降低了對(duì)數(shù)據(jù)速率、時(shí)延等的要求，同時(shí)降低設(shè)備成本、復(fù)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(shí)延??， uRLLC的?標(biāo)時(shí)延為1ms，RedCap應(yīng)?在?業(yè)傳感器的?標(biāo)時(shí)延低于100ms，視頻監(jiān)控的?標(biāo)時(shí)延低于500ms；傳輸速率??， eMBB的?標(biāo)峰值速率在下?鏈路中可達(dá)20Gbit/s，在上?鏈路中可達(dá)10Gbit/s。?要求最?的RedCap應(yīng)?（例如可穿戴設(shè)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(biāo)是10-15年，?對(duì)于RedCap應(yīng)?來說，?業(yè)傳感器的?標(biāo)是?年，可穿戴設(shè)備的?標(biāo)是?到兩周。

RedCap技術(shù)的提出，補(bǔ)齊了5G移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(xié)同的網(wǎng)絡(luò)體系。隨著5G-Advanced技術(shù)的發(fā)展和商用，RedCap還將支持當(dāng)前Cat1所覆蓋的中速率場(chǎng)景，蜂窩無源互聯(lián)網(wǎng)可支持更低速率、零功耗的千億級(jí)物聯(lián)，形成全場(chǎng)景5G移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，全面助力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

圖2?移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

具體來看，在移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中：

- 面向超高速率場(chǎng)景（>100Mbps），由5G NR承載；

- 面向高速率場(chǎng)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(chǎng)景 (100kbps-10Mbps)，由4G Cat1承載，未來隨著5G R18標(biāo)準(zhǔn)版本完善，RedCap也特具備永我該場(chǎng)景的能力；

- 面向低速率場(chǎng)景(<100kbps)，由NB-IOT承截，是5G低功耗大連接場(chǎng)景的主要技術(shù)；

- 面向更低速率場(chǎng)景(<10kDps)，正在研究的蜂窩無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是5G-Advanced關(guān)鍵技術(shù)方向之一，以其更低成本、零功耗的優(yōu)勢(shì)可支持物流倉(cāng)儲(chǔ)管理、貨物追蹤、資產(chǎn)盤存等千億級(jí)物聯(lián)場(chǎng)景。

標(biāo)準(zhǔn)完成，終端復(fù)雜度降低60%

2022年6月，3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)版本凍結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)著RedCap標(biāo)準(zhǔn)正式完成。標(biāo)準(zhǔn)主要涵蓋以下內(nèi)容：終端復(fù)雜度降低、駐留與接入控制、移動(dòng)性、終端識(shí)別、 BWP 配置以及功耗等。

相較于傳統(tǒng)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(shù)目（最低1T1R）、降低上下行最大調(diào)制階數(shù)（如64QAM）等手段，使得終端復(fù)雜度相較傳統(tǒng)eMBB終端降低約60%。另外，為RedCap終端引?了擴(kuò)展不連續(xù)接收（eDRX）機(jī)制和放寬?線資源管理（RRM）的?式延?電池壽命。

當(dāng)然，RedCap也延續(xù)了5G NR的各類優(yōu)秀特性，如大帶寬、低時(shí)延、高可靠性、業(yè)務(wù)保障、數(shù)據(jù)不出廠、低功耗、強(qiáng)覆蓋等諸多優(yōu)勢(shì) ，可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景按需引入，有效滿足業(yè)務(wù)需求。

在未來的R18標(biāo)準(zhǔn)中，RedCap對(duì)標(biāo)4G Cat1/1bis，將通過縮減業(yè)務(wù)帶寬、降低峰值速率等進(jìn)一步降低終端復(fù)雜度，同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展支持中速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。R18版本RedCap預(yù)計(jì)將會(huì)在2024年Q1結(jié)項(xiàng)。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)CCSA與也在同步推進(jìn)RedCap研究，正在開展RedCap基站、終端、模組等行標(biāo)征求意見稿討論。

聚焦工業(yè)、視頻、可帶穿戴設(shè)備和電力場(chǎng)景

在眾多5G應(yīng)用場(chǎng)景中，3GPP提出了三類RedCap典型應(yīng)用場(chǎng)景：工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控、可穿戴設(shè)備，關(guān)鍵指標(biāo)要求見下表。表1?3GPP?RedCap典型場(chǎng)景及關(guān)鍵指標(biāo)要求

工業(yè)無線傳感器場(chǎng)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(lǐng)域主要是以數(shù)據(jù)采集類應(yīng)用為主。這類數(shù)據(jù)采集類應(yīng)用對(duì)接企業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)，特點(diǎn)是數(shù)量規(guī)模較大，對(duì)終端成本控制要求嚴(yán)。設(shè)備包括工業(yè)環(huán)境中的工業(yè)控制類、傳感器數(shù)采類、預(yù)測(cè)性維護(hù)、物流AGV、掃碼槍、打印機(jī)、AI機(jī)器視覺等。數(shù)據(jù)速率往往小于2Mbps，電池使用壽命要求至少可持續(xù)幾年。預(yù)估5G的市場(chǎng)空間在20萬/年，逐步提升到百萬/年的連接數(shù)。

廣域的視頻監(jiān)控場(chǎng)景是RedCap規(guī)模發(fā)展的重要領(lǐng)域，預(yù)估監(jiān)控?cái)z像頭規(guī)?？赏黄苾|級(jí)。通過將5G終端模組與監(jiān)控?cái)z像機(jī)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(wù)需求如下：經(jīng)濟(jì)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(wù)量以上行為主；視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的時(shí)延要求小于500ms；通信可靠性要求在99%-99.9%之間。

可穿戴設(shè)備場(chǎng)景，主要特點(diǎn)是尺寸比較小，采用電池供電，對(duì)5G模組的尺寸和功耗有較高要求，且對(duì)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(shè)備等，普遍要求設(shè)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(shù)天甚至1-2周。

此外，5G對(duì)電力行業(yè)發(fā)、輸、變、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。據(jù)南方電網(wǎng)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2025年接入終端設(shè)備將超過2億只，2030年終端數(shù)有望達(dá)到4億只。電力數(shù)字化業(yè)務(wù)可分為智能控制類和智能采集類，控制類業(yè)務(wù)包括智能分布式能源調(diào)控、用電負(fù)荷需求響應(yīng)、配電自動(dòng)化；采集類包括高級(jí)計(jì)量、變電站巡檢、輸電線路無人機(jī)巡檢、配電房視頻綜合監(jiān)控等。這些場(chǎng)景對(duì)速率的要求較低，對(duì)時(shí)延和可靠性要求較高，是RedCap的重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。

表2?RedCap適用的能源電力業(yè)務(wù)需求

2023年產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速

運(yùn)營(yíng)商加速驗(yàn)證

為加速推動(dòng)產(chǎn)業(yè)成熟，2022年7月，IMT-2020 5G推進(jìn)組牽頭完成RedCap關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制定，引導(dǎo)終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)業(yè)快速具備商用條件。

中國(guó)移動(dòng)于2023年上半年成?6?RedCap戰(zhàn)隊(duì)，聯(lián)合開展RedCap商?攻關(guān)。目前，華為、中興、愛立信、諾基亞、中信科等5家網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備廠家已參與中國(guó)移動(dòng)組織的RedCap技術(shù)驗(yàn)證，支持終端接入、用戶識(shí)別、移動(dòng)性、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)然竟δ埽七M(jìn)多BWP等增強(qiáng)型特性。通過拉通端到端產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，縮短從產(chǎn)品研發(fā)到應(yīng)?落地的周期，預(yù)計(jì)于2023年底前推出RedCap商用版本，開始具備商用能力。試點(diǎn)方面，8月30日發(fā)布5G RedCap“1+5+5”創(chuàng)新示范之城，為產(chǎn)業(yè)鏈上下游提供技術(shù)試驗(yàn)和應(yīng)用示范平臺(tái)，加快推動(dòng)RedCap規(guī)?；逃?。

中國(guó)電信?2021年起便不斷探索RedCap的應(yīng)?場(chǎng)景。2022年初，中國(guó)電信在江蘇鎮(zhèn)江港、浙江國(guó)?電?、河北澳森鋼鐵、內(nèi)蒙古準(zhǔn)能煤礦、江?星?化?等企業(yè)展開了?業(yè)應(yīng)?場(chǎng)景的RedCap?絡(luò)驗(yàn)證。2023年，為進(jìn)?步驗(yàn)證RedCap在?域范圍內(nèi)?業(yè)應(yīng)?的拓展及協(xié)同，中國(guó)電信在深圳進(jìn)?了“ RedCap 城市” 試點(diǎn)，并同時(shí)啟動(dòng)全國(guó)15個(gè)?業(yè)試點(diǎn)單位進(jìn)?場(chǎng)景驗(yàn)證。?前，中國(guó)電信已對(duì)接RedCap?業(yè)終端超過50款，驗(yàn)證了超20個(gè)?業(yè)應(yīng)?場(chǎng)景。

中國(guó)聯(lián)通?發(fā)百站連?試驗(yàn)?，同時(shí)啟動(dòng)了多個(gè)省市分公司的?絡(luò)試驗(yàn)，開展覆蓋?有頻段、相關(guān)?商的RedCap功能、性能、?絡(luò)優(yōu)化、端?協(xié)同等技術(shù)驗(yàn)證。

2023年7?，中國(guó)?電聯(lián)合產(chǎn)業(yè)合作伙伴，基于?電5G?絡(luò)配置，在?電 700MHz和4.9GHz頻段開展RedCap商?關(guān)鍵功能和性能端到端測(cè)試，協(xié)同開展RedCap技術(shù)研討、部署?案優(yōu)化、業(yè)務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建分析等。

芯片、模組加大研發(fā)力度

芯片廠商對(duì)RedCap技術(shù)高度關(guān)注，積極規(guī)劃相關(guān)商用產(chǎn)品。2022年芯片廠商已推出原型樣機(jī)，參加技術(shù)驗(yàn)證。

今年2月，?通宣布推出全球?個(gè)5G NR-Light （也稱“5G RedCap” ）驍? ?X35 5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)。自2023年第二季度起，高通、聯(lián)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(jìn)程加速。其中，聯(lián)發(fā)科參與了今年幾乎所有海外主流運(yùn)營(yíng)商RedCap的測(cè)試。預(yù)計(jì)部分芯片廠有望2023年下半年推出先發(fā)產(chǎn)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(jì)劃與芯片節(jié)奏緊密相關(guān)，包括移遠(yuǎn)、廣和通、鼎橋、芯訊通、海信、美格、有方、中興、中移物聯(lián)等模組廠家均在進(jìn)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(lián)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(yīng)?；中國(guó)電信天翼物聯(lián)與芯模?商智聯(lián)安、利爾達(dá)聯(lián)合發(fā)布的全球?款5G RedCap低功耗定位模組；移遠(yuǎn)通信基于?通驍??X35 5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)的5G RedCap模組Rx255C系列；中國(guó)聯(lián)通發(fā)布?款通?型5G RedCap商?模組產(chǎn)品NX307等。

今年，聯(lián)通雁?、美格、廣和通、南瑞配網(wǎng)自動(dòng)化終端、中移物聯(lián)企業(yè)網(wǎng)關(guān)、中微普業(yè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)等RedCap終端相繼推出，RedCap終端增加至21款。預(yù)計(jì)2023年下半年，將推出面向電力、視頻監(jiān)控、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物探等場(chǎng)景的終端樣機(jī)，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(yīng)用落地。

在價(jià)格方面， RedCap相關(guān)芯片模組的成本也有望大幅下降，RedCap模組商用初期預(yù)計(jì)售價(jià)在200-300元，隨著商用節(jié)奏加速、市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展，預(yù)計(jì)可降至百元，期望最終能與現(xiàn)階段4G Cat4模組價(jià)格持平。

國(guó)外紛紛測(cè)試

2023年8月24日，Verizon宣布成功完成RedCap的測(cè)試，其采用愛立信的軟件和聯(lián)發(fā)科RedCap測(cè)試平臺(tái)，完成基于Verizon 5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和語音會(huì)話。測(cè)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(wǎng)完成。

此前，美國(guó)另一家運(yùn)營(yíng)商AT&T宣布在實(shí)驗(yàn)室和場(chǎng)外完成了美國(guó)首個(gè)RedCap數(shù)據(jù)通信測(cè)試，測(cè)試基于AT&T 5G SA現(xiàn)網(wǎng)。AT&T這次測(cè)試是和諾基亞、聯(lián)發(fā)科合作實(shí)施的，基于諾基亞的AirScale平臺(tái)和聯(lián)發(fā)科的RedCap測(cè)試平臺(tái)完成的。

澳洲兩大運(yùn)營(yíng)商也完成了5G RedCap的測(cè)試。Telstra宣布和愛立信、聯(lián)發(fā)科完成首個(gè)基于RedCap的VoNR測(cè)試，在Telstra的5G現(xiàn)網(wǎng)上使用了愛立信預(yù)商用RedCap軟件和聯(lián)發(fā)科的RedCap測(cè)試設(shè)備。本次VoNR的測(cè)試會(huì)話由FDD承載，標(biāo)志著Telstra在5G功能的持續(xù)測(cè)試和驗(yàn)證的開始；澳大利亞第二大運(yùn)營(yíng)商Optus與愛立信、聯(lián)發(fā)科合作完成首個(gè)RedCap遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)會(huì)話。

亞洲的運(yùn)營(yíng)商也同樣跟進(jìn)，韓國(guó)SK電信宣布與諾基亞、聯(lián)發(fā)科合作，完成了基于商用頻段的RedCap開發(fā)和外場(chǎng)測(cè)試。

2025年連接數(shù)有望實(shí)現(xiàn)千萬級(jí)增長(zhǎng)

據(jù)《推進(jìn)5G輕量化技術(shù)演進(jìn)和應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展的通知》提出，我國(guó)計(jì)劃到2025年實(shí)現(xiàn)5G RedCap標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)演進(jìn)，技術(shù)能力滿足多樣化場(chǎng)景需求，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)芯片、模組、終端等成本持續(xù)下降，終端產(chǎn)品超過100款，連接數(shù)實(shí)現(xiàn)千萬級(jí)增長(zhǎng)，打造5個(gè)以上實(shí)現(xiàn)百萬連接的5G RedCap應(yīng)用領(lǐng)域。5G RedCap的發(fā)展將有望進(jìn)一步激活5G市場(chǎng)，解決目前物聯(lián)網(wǎng)終端功耗大成本高的問題，覆蓋40%-50%的5G中速率場(chǎng)景，為5G規(guī)模發(fā)展帶來新機(jī)遇。

RedCap技術(shù)的引?，只需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)軟件升級(jí)，不過對(duì)網(wǎng)絡(luò)接?管理、資源管理、信令開銷、?絡(luò)覆蓋等多個(gè)方面亦有影響，下一步如何確保?絡(luò)采?合適的管理策略，發(fā)展5G RedCap同時(shí)避免對(duì)?RedCap終端造成負(fù)?影響，對(duì)?絡(luò)運(yùn)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(dòng)5G RedCap標(biāo)準(zhǔn)制定，完善產(chǎn)業(yè)體系，加快網(wǎng)絡(luò)能力升級(jí)和應(yīng)用創(chuàng)新，未來發(fā)展能否達(dá)到預(yù)期，讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)

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