5G RedCap技术发展及应用白皮书

5G RedCap技术发展及应用白皮书 目录 引言3 市场趋势6 应用场景7 未来发展 移远通信能提供什么10 结论11 附录I12 引言 随着全球2G和3G网络的逐步淘汰，市场亟需一种经济高效的蜂窝网络替代方案，用于满足相关物联网设备的连接需求。目前已经出现的替代方案中，针对中低速率连接，采用的是LTE Cat 1和Cat 1 bis，窄带物联网（NB-IoT）和Cat M1。这些技术已经有效地服务于相关市场，满足了带宽需求较低的应用场景。 针对中高速率连接，基于4G网络的解决方案是LTE Cat 4。针对更高速率的连接，很显然，我们的选择对象是已经全面崛起的5G。5G凭借强大的网络性能，可以轻松实现千兆以上的下行速率，以及毫秒级的时延。它的网络切片等业务特性，正是垂直行业应用场景所迫切需要的。 随着通信技术的不断进步，4G网络终将向5G演进。全功能5G连接虽然拥有更强的性能，却也带来了更高的价格和功耗，对于大部分物联网应用（终端数量庞大，对成本和功耗敏感）来说并不实际。因此，我们需要一种基于5G的新型物联网技术，专门针对中高速连接需求，且具备5G的基本特性，能够带给客户更完美的功耗、成本、时延和容量等多维度的平衡。 轻量化5G（RedCap）技术，应运而生。 技术特点 RedCap是Reduced Capability的缩写，中文意思是“降低能力”。从本质上讲，RedCap是5G的简化版本。在满足一定性能的前提下，RedCap通过精简协议和下调指标，达到降低设备复杂度、削减成本、缩小尺寸、降低功耗等目标，充分满足中高速物联网应用对低成本、低功耗、广覆盖的需求。 首先，RedCap采用了更小的频谱带宽。在Sub-6GHz频段，RedCap的带宽为20MHz，小于5G NR的100MHz；在毫米波频段，RedCap的带宽为100MHz，小于5G NR的800MHz。这不仅确保了基本速率指标的实现，还帮助运营商充分利用已有的频段资源。 RedCap削减的能力，主要集中在连接速率上。通常，5GRedCap可以提供超过220Mbps的下行速率（@256QAM）和超过120Mbps的上行速率（@256QAM）。这个速率值虽然与5G的千兆级相比并不显眼，但依然比NB-IoT、Cat M1、Cat 1强大得多，也比LTE Cat 4更快。 其次，RedCap在终端天线数量上也进行了裁减，并降低了MIMO层数。对于Sub-6GHz频段，RedCap终端的接收链路可减少为1个或2个，相应下行MIMO降低为1层或2层接收。这降低了对终端射频收发信机和基带处理模块的能力要求。 第三，RedCap采用了64QAM这种更简单的调制方式（可选上/下行256QAM），对射频和基带的要求大幅降低。 在时延上，RedCap仍然保留了5G极具竞争力的低延迟性能，这意味着它可以支持近乎实时的通信场景。这一点对于车联网和工业制造等时延敏感型场景尤为重要。 第四，RedCap可以采用半双工FDD（HD-FDD），在不同时刻、不同频率上进行收发，不需要双工器。不仅节约了成本，还获得了更好的集成能力（双工器通常体积较大），减小了对设备空间的占用，有利于设备的小型化。 RedCap是基于标准5G推出的技术，具备5G网络的核心优势，能够原生支持网络切片、5G LAN以及高精定位等新功能。 第五，RedCap引入了一些节省功耗的手段，例如增强的非连续接收特性（eDRX），以及RRM测量放松，显著降低了长服务周期的静态终端功耗，使得终端能够获得更强的续航能力。 为了实现所需要的轻量化，RedCap在精简方向上进行了深度考量。 45G RedCap技术发展及应用白皮书 多个技术方向的合理裁减，帮助5G RedCap获得了更加均衡的网络能力，成为图1所示技术的有力替代方案。研究公司TransformaInsights表示，RedCap价格比标准5G降低80%1，同时还实现了90%的功耗节省。 分析公司Analysys Mason2指出，RedCap通过改进能效，在功能性和电池寿命之间达成了一种平衡。该公司还认为RedCap设备的成本将显著低于传统设备。 当然，RedCap并不是唯一的5G技术，用户还在同步评估大规模机器通信（mMTC）、先进的5G感应技术和无源物联网的应用。 5G的各项技术都有各自明确的定位。5G eMBB的网络性能最强，专门应对超高速率、超低时延的严苛应用场景。mMTC目前主要是指以NB-IoT为代表的技术，负责低速率、低功耗、长待机的应用场景，例如水电表计。无源物联网（Passive-IoT）正处于起步阶段，面向极低速率场景，例如仓储物流、资产管理等。RedCap则面向中高速率应用场景，其既可以提供对标4G LTE Cat 4的连接能力，又实现了更低的功耗和成本，与其它5G技术形成了互补，补齐了5G能力覆盖的短板。 55G RedCap技术发展及应用白皮书 市场趋势 随着2G和3G的退网以及5G技术的引入，5G RedCap迎来了巨大的发展机遇。研究公司Omdia的最新发现显示，2G和3G连接数正在迅速减少，而RedCap技术在短期内推动了5G的普及3。该公司认为，5GRedCap、5G海量物联网和4G LTE Cat 1 bis模组是到2030年实现54亿蜂窝物联网连接预测的关键因素。 Omdia的研究还发现，5G RedCap的大规模应用将从2024年开始，该技术将作为一种中高速网络连接方案，适用于不需要超可靠低延迟通信（URLLC）、增强型移动宽带（eMBB）等高规格5G的设备。此外，行业预测将在2030年后逐步淘汰4G，5G RedCap也将成为确保设备未来兼容性的关键，因此，RedCap特别适用于预期寿命较长的设备。 预测。基于对RedCap明确市场定位以及均衡性能指标的认可，产业界上下游已纷纷加大了对RedCap的研究和推广投入。RedCap芯片和模组解决方案正在不断走向成熟。终端厂商也陆续推出了种类繁多的垂直行业RedCap终端产品。 RedCap的网络基础设施建设也在提速。目前，中国移动已经建成了全国规模最大的RedCap商用网络，拥有30多万个RedCap基站，在200多个城市实现了连续覆盖，并在广东、江苏、浙江等17省完成了省内连续覆盖。中国电信和中国联通方面，此前也已在浙江、贵州、广东、河南、上海五省市开展了全球首个全频段、全制式、全场景5G RedCap商用验证，并开启了百城规模商用计划。大规模且连续覆盖的RedCap网络，将有助于坚定用户信心，进一步加快这项技术的商用落地步伐。 Counterpoint Research的预测与Omdia不谋而合4，该公司指出，到2030年，5G RedCap模组将占蜂窝物联网模组总出货量的18%。这展示出了RedCap技术巨大的市场潜力，尤其是在成本是推动数字化转型和新技术应用的关键因素的发展中国家。 RedCap全球产业生态的发展情况也初步验证了上述机构的 65G RedCap技术发展及应用白皮书 应用场景 RedCap设备的商用普及正在不断加速。得益于模组的可用性和市场对RedCap技术认知的增加，越来越多的RedCap产品开始应用于可穿戴设备、智能安全以及工业无线传感器等领域。 以智能手表为代表的可穿戴设备市场近年来增长迅猛。该类产品屏幕较小，对视频质量和传输带宽要求不高，但对产品尺寸和功耗（影响待机时长）要求较高。RedCap的性能指标非常匹配可穿戴设备的需求。Analysys Mason立足可穿戴设备这一领域进行深入分析，并指出RedCap技术提供了5G的低延迟、高数据速率和高精定位功能，同时使得设备尺寸更小、能效更高且成本更低。 工成本并缩短开通周期，已经成为近年来的趋势。早期的无线视频设备主要由LTE Cat 4提供服务，如果直接升级为全功能5G，将带来巨大的成本压力。RedCap的吞吐量足以支持绝大部分视频设备的码流传输需求，但成本却远远低于全功能5G，几乎接近于LTE Cat 4。这给行业客户提供了一个极佳的选项。 随着5G技术的不断成熟，越来越多的工厂园区开始重视5G专用网络的建设。除了可以对智能安全等业务进行支撑之外，将5G技术应用于工业无线传感器也成为必然。这类传感器可以用于远程监测、预测性维护、能源管理和资产跟踪，对于提升工厂园区的数字化水平意义重大。同样是因为成本和功耗的原因，全功能5G不适用于工业无线传感器场景，RedCap显然是更好的选择。 除了在消费者市场进行应用之外，可穿戴设备在工业制造等垂直行业领域也开始批量普及。它比传统平板终端更加小巧，可以实时查看设备运行状态、接收企业通知和设备告警信息，还可以远程操作机器设备，大幅提升工作效率。可穿戴设备还可以通过内置传感器，实施监测员工的心率、血压、血氧饱和度等身体健康状态数据，及时进行预警或协助员工求助，有效保证员工的安全。 智能安全市场对RedCap技术的需求也同样迫切。传统视频设备主要以有线通信为主。安装过程需要进行线缆敷设施工，过程复杂且成本高昂。部分应用场景因场地客观原因无法进行施工，导致应用落地受阻。将视频设备从有线改为无线，有助于减少施 RedCap早期的应用主要集中在那些对超低延迟要求不高的场景，Counterpoint Research认为，路由器和CPE、车联网、POS机以及远程信息处理设备是RedCap技术初期的主要应用领域。该公司认为RedCap的吞吐量足以支持这些应用的数据流。 与当前的LTE Cat 4相比，RedCap具备较高的成本和功耗，但在低延迟和高可靠性方面的表现优秀，更适用于需要高可用性的场景。随着技术的发展，RedCap技术将更好地利用5G定位改进和网络切片等功能，为市场带来一条超越4G物联网连接的新路径。更重要的是，随着RedCap技术的普及，其成本将实现逐步下降，预计未来将接近LTE Cat 4的水平 。 RedCap在智能安全设备、车联网和其他系统同样应用前景广阔。其提供的低成本5G连接能力能够拓展终端产品的商用范围。 值得一提的还有，RedCap技术受到了5G固定无线接入(FWA)市场的关注和青睐。设备厂商们陆续都推出了基于RedCap技术的客户终端设备（CPE）、MiFi和Dongle等，以满足移动办公、小微企业、校园用户等市场的需求。采用5G RedCap，使得这些产品体型更紧凑且更具性价比，从而促进其在更多领域实现更广泛的应用。 除了终端和产品之外，我们还注意到，围绕RedCap的物联平台和服务体系也在加速发展。这些平台能够帮助运营企业和行业客户更好地进行数据采集和管理，也有助于实现安全可控、灵活计费以及自主运营。而完善的服务体系是RedCap产业生态健康发展的可靠保障，为用户降低了应用门槛。 目前，RedCap已经在能源电力、工业制造、交通物流、矿山、码头、城市治理、视频传输、海洋经济等领域成功落地，这些案例具有示范带动的作用，可以加速打通产业全链条，推动RedCap技术的进一步规模应用。 未来发展 2020年6月，3GPP启动了5G RedCap标准制定工作。历时两年，2022年6月，3GPP R17 RedCap标准冻结。又过了两年，2024年6月，3GPP R18版本也已经冻结，并提出了5G RedCap的新版本⸺ 增强RedCap（eRedCap），该技术通过将频谱带宽缩减至5MHz等方式，进一步降低了终端复杂度，适用于目前由LTE Cat 1和LTE Cat 1 bis服务的应用场景。 Counterpoint Research预测，5G eRedCap将于2026年实现商用，到2030年，5G eRedCap模组将占蜂窝物联网模组总出货量的8%。 5G RedCap技术日趋成熟，产品生态也在高速发展。随着网络基础设施的不断完善，RedCap的商用进程将逐步提速。一系列强大的基于5G的选项组合正在变得可用，客户可以根据5G场景的具体