5G RedCap就快来了!但其全面商用有多难?
作者 | 物联网智库2022-03-13

RedCap在5G物联网场景中的地位毋庸置疑,但在笔者看来,其商用的过程要从一个长远的角度来看,因为在未来数年中,RedCap的商用面临巨大挑战。

5G RedCap就快来了!但其全面商用有多难?

根据3GPP的计划,今年6月,5G最新版标准R17将冻结,对于物联网从业者来说,RedCap是业界最关注的领域之一,这是3GPP为了使5G网络能够赋能大量中低性能物联网场景,专门推出的“低配版”5G。

去年年底,5G Advanced首个版本R18主要演进方向研究课题尘埃落定,RedCap的持续增强成为其中重点方向之一,可见RedCap在5G物联网场景中的地位之重。业界对RedCap抱有很高期望,但在笔者看来,其商用的过程要从一个长远的角度来看,因为在未来数年中,RedCap的商用面临巨大挑战。

补齐5G网络能力的中间地带:RedCap是蜂窝物联网又一重要演进

RedCap全称是ReducedCapability,即“降低能力”,是在5G R17阶段确定的专门方向,相对于eMBB和uRLLC,它可以说是轻量级的5G,但相比NB-IoT这类低功耗广域网,其性能高一些。已经冻结并开始商用的5G R16标准对eMBB、uRLLC和mMTC都有完善的标准,但对于处于这三者的“中间地带”则没有相应的技术标准,使5G网络能力并不能完全覆盖所有无线场景,而RedCap则补齐了这一“中间地带”,因此对5G标准和能力的完善意义重大。

5G RedCap就快来了!但其全面商用有多难?

在3GPP R17研究方向的讨论中,各厂商代表就提出了RedCap的研究意向,在这些讨论中形成的共识中提出:

5G的一个重要目标是实现工业场景互联互通,在工业环境中场景非常复杂,就传感设来说,包括压力传感器、湿度传感器、温度传感器、运动传感器、加速度计等,未来希望将这些传感器连接到5G接入网和核心网络。3GPP的多个技术研究和规范中都描述过大规模工业无线传感网络(IWSN)的用例和需求,这类用例中不仅包括要求较高的uRLLC服务,还包括设备外形和尺寸较小的相对低端服务,这类服务需要完全无线形态实现无人维护,电池寿命能达到数年的程度。综合来看,这些用例的要求高于LPWAN(如NB-IoT),但低于uRLCC和eMBB。另外,在智慧城市领域,一些用例也有类似的需求,比如一些监控场景;在可穿戴设备场景,包括智能手表、智能手环、健康类设备和医疗监测相关设备一般都需要较小的尺寸,需要在满足通信需求的前提下缩小终端尺寸。

诸如此类场景,在此前5G R16版本标准中并未考虑,而未来5G若要支持这些场景,就必须提出新的课题,对于各类用例都有一些明确要求。其中,通用性要求包括:

  • 设备复杂性:与R15和R16定义的eMBB和uRLLC高要求设备相比,新设备类型的主要的要求是降低设备成本和复杂性,工业互联网场景尤其明显

  • 设备尺寸:大多数用例都有此要求,新的标准要允许设备设计具有紧凑的外形

  • 部署:系统应支持在FR1/FR2所有频段上实现FDD和TDD的功能部署

具体应用场景的要求包括:

  • 工业无线传感网:3GPP TR 22.832和TS 22.104规范文档中对参考用例和要求进行描述,包括通信服务可靠性为99.99%,端到端时延小于100毫秒,参考带宽速率小于2 Mbps,并且设备大部分是静止的,电池至少能用几年。当然,对于安全类相关传感器,延迟要求达到5-10毫秒。

  • 智慧城市视频监控:正如3GPP TR 22.804中所述,一些性价比较高的视频场景要求的带宽为2-4Mbps,时延小于500毫秒,可靠性在99%-99.9%之间;高一级的视频则需要7.5-25 Mbps的带宽。当然,此类场景的业务模式以上行传输为主。


  • 可穿戴设备:智能可穿戴应用的参考带宽为下行5-50Mbps,上行为2-5Mbps,峰值速率下行最高150Mbps、上行最高50Mbps,设备的电池应能使用数天(最多1-2周)。

根据3GPP文档的定义,针对这些场景的研究方向是:

  • 减少终端接收和发射天线;

  • 减少终端带宽,在Sub 6GHz频段下其最大带宽为20MHz;

  • FDD半双工;

  • 减少终端处理时间和终端处理复杂度

从3GPP的技术文档描述中,可以看出RedCap在很大程度上与现有LTE在物联网方面有很多类似的性能,因此可以用于当前LTE所赋能的不少场景。

为了推动RedCap的演进,R18确定了RedCap增强的课题,而其主要方向包括:

  • 基于Rel17的评估方法,研究进一步降低用户终端复杂度的技术,聚焦于在Sub 6GHz频段降低终端带宽至5MHz,以及降低终端的峰值速率。

  • 研究降低功耗的技术,包括eDRX增强,支持更低的终端功率等级。

笔者翻阅了去年3GPP第94次全会针对RedCap讨论的文档,发现大部分参与讨论的厂商都提到RedCap的增强应该覆盖LTE Cat.1和Cat.1 bis,但不应该与低功耗广域网形成重叠,这一提议最终形成共识,可以说未来R18版本的RedCap将会对4G LTE形成全面替代。

RedCap全面商用面临很多挑战,需立足长远

可以说,RedCap将开启4G物联网向5G的迁移之路,在未来4G和5G代际升级中将发挥重大作用。虽然RedCap对用户提供的服务能力与4G类似,但从网络和设备整体性能来看,RedCap在5G时代有明显的优势,主要表现在:RedCap是原生的5G NR技术,包含了所有关键的NR构建要素,如波束成形、网络能效等;RedCap的设备支持NR载波上的共存,该NR载波可配置为针对eMBB或uRLLC通信性能进行优化。

这一优势对于很多场景非常重要,如工业4.0的场景,在这一全自动化工厂的场景下,拥有大量高性能传感器和中低端传感器,因此需要同时支持时间敏感型通信和时延不敏感的通信,而5G网络可统一配置和优化,确保时间敏感通信的性能,同时保证低端传感器设备仍然有效地操作。

然而,技术上的优势不一定能够在短期内转化为商用的优势,虽然RedCap首个版本将于今年6月份冻结,但在物联网市场大范围的应用还面临着很多挑战,其最大的挑战来自于当前的4G。

首先,从成本方面看,预计未来数年内RedCap成本依然高于4G

随着R17的冻结,RedCap将迎来首个完整的标准版本,考虑到从标准确定到商用产品发布需要近2年时间,预估2024年将形成商用芯片和模组,并开启一些场景的应用;R18标准将于2023年底冻结,预计2025年后支持R18的商用终端才会投入市场。

虽然RedCap相对于高性能5G终端将实现成本大幅下降,但与成熟的4G终端相比,初期商用的成本依然会居高不下。当前,Cat.4模组最低成本已达到70元左右,Cat.1模组成本也下探至40元以内,不过,4G物联网模组成本到这一水平,是经历了多年时间,且达到亿级以上的出货量才实现的。RedCap成本的下降,也必然需要经历时间和出货量的考验,在一定规模下才可能实现前期沉没成本和固定成本摊销。

由于面对的是相对低价值的物联网场景,RedCap应用领域对于成本敏感性较高,这将在很大程度上阻碍RedCap的应用推广。

其次,从网络覆盖看,近年内无法形成如4G广度和深度支持

RedCap的大范围应用,也依赖于5G网络的大范围覆盖,然而,在RedCap正式商用的节点,5G网络覆盖是否能够提供无处不在的支持?

当前,随着2G/3G退网深入人心,4G连接已成为蜂窝物联网的发展主力,尤其是Cat.1连接增速最快,而这在一定程度上依赖完善的4G网络。众所周知,我国已建成全球规模最大的4G网络,根据工信部数据,截至2021年底,我国已建成并开通了590万4G基站,占基站总数近60%,即使是偏远地区和农村地区,也实现了4G的覆盖。

5G RedCap就快来了!但其全面商用有多难?

中国4G基站数量(单位:万)

当前,虽然我国已建成并开通5G基站超过140万个,根据《“十四五”信息通信行业发展规划》,到2025年每万人拥有5G基站数量为26个,即基站总数将达到364万个。由于5G基站覆盖距离相对4G小很多,因此这一规模与当前4G相比,其覆盖广度和深度不如4G,在很多物联网场景中,用户可能会选择4G终端。

再次,从终端周期来看,物联网的长周期特性使得未来存量替换难度较大

近日,GSMA发布的《移动经济发展报告》中预测,到2025年中国的4G连接数依然占据总连接的53%,而这一数据并不包括物联网连接,主要是智能手机。

5G RedCap就快来了!但其全面商用有多难?

根据Counterpoint Research的数据,智能手机更换周期达到31个月,在当前5G占据智能手机出货量大部分份额的情况下,未来2-3年5G智能手机用户实现大规模增长。但是,物联网终端更新周期较长,尤其是一些无人值守的场景下,很多达到了10年以上的生命周期。

截至2021年底,我国蜂窝物联网连接数达到13.99亿,而这一规模的终端中大部分为2G终端。随着2G/3G的退网,未来几年蜂窝物联网终端主要通过4G和NB-IoT接入网络,尤其是Cat.1近年来实现较快增长。GSMA预计到2025年国内蜂窝物联网连接数将达到22.9亿。若届时能够达到这一规模,笔者预计新增的连接中Cat.1和NB-IoT占据份额最高,4G其他制式其次。NB-IoT已纳入5G,且与RedCap不形成交叉,Cat.1和4G其他制式的终端由于还在生命周期内,在数年内无法升级至RedCap,RedCap很难实现对存量终端的替代。

最后,4G退网更是遥遥无期,RedCap还需从长计议

2G网络商用已有20年历史,2020年工信部25号文正式提出了2G退网,然而何时能够完全关闭2G网络还不确定。4G商用仅8年多时间,目前是最主流也是非常成功的移动通信网络,正处于“当打之年”,预计在2030年之前依然发挥着重要作用。对于未来4G的退网,未来数年中预计不会形成共识。

回顾过去几年,Cat.1加速发展始于2020年,而这一年2G/3G退网形成了共识且进入了实质性阶段,工信部发布的25号文正式从官方角度提出了退网,给了业界明确的预期。与此相类似,未来4G退网政策明确后,RedCap预计会迎来加速式增长。

2009年,随着3GPP R8标准的冻结,Cat.1首个标准问世,在随后的R13标准中又进一步提出了Cat.1bis,经过多年的努力,Cat.1终于成为蜂窝物联网的一大主力,这一过程超过了10年。而RedCap标准的冻结,或许可以看作是一个提前的技术标准储备,给业界提供一条推进蜂窝物联网发展的长远路径,让业界可以提前规划并渐进式培养这一生态,在若干年后面临4G退网时能够快速切换。


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