5g下的物联网「Omdia：5G RedCap成为物联网持续增长的关键」

首个5G新空口(NR)网络于2019年4月推出，自那以后79个国家陆续推出了202个网络。Omdia预测，到2027年底全球5G连接数将逼近68亿。然而，大多数连接都集中于智能手机，大规模5G物联网(IoT)尚未实现。

3GPP已经定义了5G标准，它们几乎都聚焦消费者智能手机以及高数据吞吐量/低时延用例。许多物联网应用并不需要这些特性，并且这些特性会给物联网设备的设计、制造和操作带来极大的复杂性。此外，增加的成本将超过潜在的效益，导致大规模物联网无法实现--至少在中端连接能力领域是如此。

3GPP在R17规范中宣布了5G RedCap标准，旨在满足对中端5G连接能力的需求。RedCap将实现从4G中端连接选项（LTE Cat-1/1bis和LTE Cat-4）的演进。本报告介绍了5G RedCap在2023年的最新发展情况，并且探讨了该技术为何将成为物联网持续增长的关键。

何为5G RedCap？

3GPP在2018年定义了5G规范，其中包括三大支柱: 增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)以及大规模机器类通信(mMTC)。eMBB和URLLC被认为是挑战技术进步的极限，旨在展示5G在未来实现的令人难以置信的高吞吐量和低时延特性。与此同时，mMTC采用低功率广域(LPWA)连接技术，被用来以低成本连接大量设备。

虽然这些新技术在功能上取得了进步，但近年来很明显的一点是许多物联网用例不需要eMBB和URLLC提供的高速度或低时延。但是，它们需要比mMTC更好的功能。因此，3GPP推出了轻量化版本5G RedCap来满足需要中端连接能力的用例。

3GPP R17在2022年推出的 5G RedCap包含以下主要特性:

• 降低设备复杂性，从而降低设备成本

-在Sub-7GHz频段的最大带宽为20 MHz，在毫米波频段的最大带宽为100MHz—采用单载波，因此不支持载波聚合或双连接

-在Sub-7GHz频段使用单个接收器

-降低对设备内存的要求

• 降低功耗

-增强型低功耗模式，支持扩展的增强型非连续接收(eDRX)以及更低的发射功率

-放宽无线电资源管理措施

• 数据传输速率至少不低于LTE Cat-1标准

-下行速率为150Mbps，上行速率为50Mbps

-工业传感器的时延目标为100毫秒，视频监控为500毫秒（最低要求）--不过 5G RedCap可以实现更低的时延

-一根发射天线和至少一根接收天线（最多可选择两根）

我们在下面列出了5G RedCap在物联网生态中的一些潜在用例，但所有的中速物联网用例都可以使用5G RedCap:

• 传感器：压力传感器、湿度传感器、温度感测器、运动传感器、加速度传感器和致动器

• 工业无线传感器网络

• 监控摄像头: 智慧城市、工厂以及其它工业场所

• 可穿戴设备：智能手表、戒指、电子健康设备和医疗监控设备

• 智能电网

• 销售点终端系统(POS)

• 智能仪表

• 远程信息处理

• 工业物联网（IIoT）：增强现实头盔、自动导引车和机器人控制

定于2024年一季度发布的3GPP R18将包含额外的功能。具体来说，R18将着眼于性能介于3GPP R17 RedCap和现有LPWA设备(如LTE-M和 NB-IoT)之间的物联网设备。需要注意的是，该类别不应与LPWA重叠，因为LPWA保有更好的功耗和覆盖范围指标。

被纳入考虑范围的新特性/功能包括：

• 与R17规定的数据速率相比拥有更高的数据传输速率

• 定位：基于位置的服务应用(如资产跟踪)

• 设备对设备协议(侧行链路):设备(如可穿戴设备)可以直接与附近的智能手机或联网车辆通信

• 支持使用非授权频谱

• 进一步降低5G RedCap用户设备的复杂性与成本

同样值得注意的是，预计R18中的5G RedCap设备类型类似于LTE Cat-1和Cat-1bis，将具有10Mbps的数据速率(下行链路)能力。这种能力使得RedCap非常适合成为这些LTE类别的长期延续。

Omdia分析

4G中端连接能力技术(LTE Cat-1、Cat-3和Cat-4)构成模块出货量的主体

图1显示了出货的物联网模块中LTE Cat-1、Cat-3或Cat-4模块相较于其它模块(包括所有的2G、3G以及剩余的4G和5G模块)的比例。中速4G LTE标准(Cat-1、 Cat-3和Cat-4)是全球最受欢迎、最为广泛使用的蜂窝物联网标准，占到2023年模块出货量的50.3%。

1. Figure 1: Over half of modules (50.3%) shipped in 2023 are either LTE Cat-1, Cat-3, or Cat-4

与低速LTE类别相比，4G LTE Cat-1、Cat-3和Cat-4标准提供了优化的数据传输速率与时延；与高速LTE类别相比，其硬件价格更具竞争力、复杂性更低。相比之下，5G标准目前还没有与4G标准中的LTE Cat-1、Cat-3和Cat-4相对应的中速应用；5G标准只提出了eMBB、URLLC和mMTC这三个极端场景。

4G中端连接技术没有演进

目前，LTE Cat-1、LTE Cat-1bis、LTE Cat-3和LTE Cat-4等4G中端连接技术还没有演进。如本报告的序言所述，eMBB和URLLC等高性能技术将成为更高等级的LTE技术（介于LTE Cat-6和Cat-24之间）的延续。2G和3G等较低级别的技术将在未来几年切换为mMTC (NB-IoT或LTE-M)网络，特别是在许多2G和3G网络已经关闭的情况下。因此，确保目前使用4G技术的物联网设备/用例的使用期限尤其需要5G中端连接技术。至少从长远来看，如果没有对应的5G中端连接技术，目前使用LTE技术的设备将会面临网络衰落的风险。在经历从2G/3G切换到NB-IoT/LTE-M的复杂历程后，没有人希望看到这种情况再次发生。

从逻辑上讲，由于设计标准非常相似且可以用于相同的用例，RedCap将成为LTE Cat-1/1bis和LTE Cat-4的演进技术。请考虑以下示例:

高通公司的QCX216 LTE Cat-1bis芯片于2022年12月推出；根据产品介绍，该产品专为智能水电表、跟踪器、电子计量和智慧城市等用例而设计。UNISOC是LTE Cat-1bis领域的最大参与者，其8910DM模块已经被部署在支付系统(POS)、智能电表和工业控制系统中。与LTE Cat-1的用例相比，这些用例在尺寸上受到的限制要略微多一些-- LTE Cat-1需要两根天线，而LTE Cat-1bis只需要一根天线。

自2008年3GPP R8发布LTE Cat-1以来,该技术一直发展得很好。它已经被部署在工业自动化、远程信息处理、视频监控、数字标牌和支付系统中(没有受到太大的尺寸限制)。

对中速连接技术而言，电动汽车(EV)充电站是一个快速发展的用例。近年来，电动汽车得到了政府的大力支持，比如美国出台了《基础设施法案》，将在2030年前建设50万个充电站。英国也有类似的举措，要求所有新建的住宅、工作场所和购物中心都要安装电动汽车充电站。这些设备将产生对司机和充电站运营商有用的数据，比如基于使用情况的分析、电池状况数据以及计费信息。它们将需要能够处理足够数据吞吐量、安装和操作成本足够便宜的连接技术; 因此，中端连接技术最适合这些设备。

这些都是5G RedCap将要支持的用例，从而确保这些设备在4G关闭之后(预计许多将在2030 - 2040年之间关闭)能够连接到下一代电信网络。