5G RedCap来了,但真的能取代Cat.4与Cat.1吗?

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随着5G的发展,其与实体经济融合日益深化,一些现实的问题浮出了水面。其中成本与性能成为最突出的两个问题:一是,5G终端芯片、模组到终端高昂的成本与5G在垂直行业应用之间的矛盾二是,很多应用场景的实际需求是速率要求中等、性能要求中等、功耗要求中等,要求高于NB-IoT又低于5G。

在这种情况下,RedCap成为产业界应对这些问题给出的解决方案。

性能折中

RedCap剑指物联网中高速应用场景

RedCap,全称Reduced Capability NR。顾名思义,这是降低NR能力的意思,亦即对5G NR进行了功能裁剪。

那么,究竟裁剪掉了哪些功能?主要包括带宽、天线能力、最小下行MIMO层数以及最大下行调制阶数。

 

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RedCap主要裁剪的物联网层能力情况

此外,在R17中,RedCap还引入了半双工模式,可支持TDD和FD-FDD模式,有利于设备的小型化。

通过最大化功能剪裁后,RedCap在FR1频段范围内可支持约20Mbps-100Mbps范围的上下行理论峰值速率。

为了实现更高的峰值速率,RedCap终端设备也可以适当调整性能裁剪程度,选择更高级的功能,比如支持2个接收天线、2个下行MIMO层、256QAM、全双工FDD等。此外,通过在5G网络引入独立初始BWP和非小区定义的同步信号,RedCap充分发挥5G的大带宽优势和大系统容量等代际差异,并实现与eMBB终端的高效共存。总的来说,在数据速率方面,RedCap与Cat.4终端能力接近。

当然了,除了剪裁了以上列出的物理层功能,RedCap也对一些更高层的功能进行了剪裁,比如规定DRB的最大数量从16个减少至8个,将PDCP SN和RLC-AM SN长度从18比特减少至12比特,可选支持ANR功能等。RedCap还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),采用更长的休眠模式,让终端减小功耗,获得更高的续航能力。

作为Rel-17标准的主要内容之一,RedCap 实现了面向中高速物联场景的5G网络服务能力,进一步拓展了5G应用场景与解决方案。其面向智能可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控等典型应用场景,预计到2030年全球连接数可达到近百亿。

RedCap直面当打之年的cat.1和cat.4

成本终成阻碍

随着5G Rel-17正式冻结,RedCap芯片有望在2023年推出。

经过裁剪之后,不仅RedCap终端复杂度有所下降,基于上述方案,成本也能随之下降。业界预计,届时RedCap模组成本相对eMBB能够大幅降低,价格大概会在200元以内。

目前,市场上Cat.4通信模组的价格在60-80元之间,RedCap规模化商用之后,模组价格或有机会与Cat.4模组价格相媲美。

既然剑指中高速物联网应用场景,那么其对手就不止是Cat.4,在Rel-17中旨在替换Cat.4,而在后续的Rel-18中将再定义一个版本,届时RedCap最大带宽为5MHz,旨在替换Cat.1。

同样从成本方面来看,目前Cat.1模组价格已经下降在30-40元之间,随着未来Cat.1在各垂直行业中的应用,价格依然能得到进一步下探至20元左右。届时替代 Cat.1的RedCap通信模组有望在50元上下,能否顺利接棒交接,还要看整个产业链生态的良性发展。

也就说,虽然RedCap相对于高性能5G模组成本将实现大幅下降,但与4G模组相比,初期商用的成本依然高出不少。

4G模组成本下降到这一水平,是经历了多年时间,且达到亿级以上的出货量才实现的。因此,RedCap成本的下降同样需要经历时间和出货量的考验。由于RedCap面对的是相对低价值的物联网场景,其应用领域对于成本敏感性也较高,这将在一定程度上限制RedCap行业应用的发展。

与4G较量

5G仍需新突破

4G网络经过这么多年的发展,各方面都得到了业界乃至用户的认可。在与4G的较量中,5G网络绝不仅仅是靠着更高的传输速率、更低的功耗以及更低的延迟更加强版的性能就可以的,而是需要更多的突破。事实上,5G也确实正往更新、更有可能的方向在努力。

加入定位功能为例,基于以前的蜂窝网络定位技术,5G R16引入了新的定位参考信号(PRS),采用了DL-TDOA、UL-TDOA、DL-AoD、UL-AOA、E-CID多种定位技术来合力提升定位精度。

 

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同时,由于5G时代超密集网络增加了参考点的数量和多样性,Massive MIMO多波束可让AoA估计更精确,以及更低的网络时延可提升基于时间测量的精度等,这些优势可进一步提升5G定位能力。

根据3GPP R16定义,5G定位能力必须满足以下最低要求:

? 对于80%的终端,水平定位精度优于50米,垂直定位精度优于5米。

? 端到端时延低于30秒。

对于要求严苛的商业用例,5G定位能力至少需满足以下要求:

? 对于80%的终端,水平定位精度优于3米(室内)和10米(室外)。

? 对于80%的终端,垂直定位精度优于3米(室内和室外)。

? 端到端时延小于1秒。

从室内定位的角度来看,5G在室内定位中不仅提供了自身的带内定位能力,还提供了融合定位能力,通过蓝牙、UWB等多种技术和定位终端的信息进行综合定位,技术间优势互补,降低综合定位成本,提高定位精度和鲁棒性。

目前,基于位置服务的融合应用业务已初步发展,包括汽车装配利用5G+蓝牙定位满足其生产定位需求,电力能源利用5G+UWB定位满足生产需求;在机场室内定位服务中,利用5G+蓝牙定位满足消费者导航以及管理者需求;仓储物流场景中利用5G+蓝牙AOA定位满足智能化物流管理。

此外,5G与无源物联网的结合。近日,中国移动携手华为推出了一个蜂窝物联eIoT技术,这是一种新型的无源物联网技术,将5G与UHF RFID进行组合应用。该技术的特点包括:

覆盖提升,站间资源协同与联合调度优化,集中式收发与分布式激励,规避读写间的干扰,以提升通信距离。在中国移动的测试中,可以实现室外200m,室内20m的覆盖。

成本与功耗的降低,极简协议栈与信令设计,降低无源物联网设备的成本与功耗。

支持亚米级定位,与基于蜂窝的5G定位技术相结合提供高精度室内定位。

使能局域/广域组网,端到端网络架构设计,拓展了蜂窝系统支持无源物联网能力,实现广域标签定位与传感信息采集。

而这些正好能够解决目前传统RFID技术面临的没有基础网络且工作距离短的问题。

相较于UHF RFID独立布设读写器,基于5G可大范围覆盖的优势,该种方案拥有更远的工作距离且能降低用户部署成本。此外,这种方案下,高精度定位能力依靠5G小基站所采用的ToA或TDoA的算法计算,标签只是起到一个信号发射器的作用。

eIoT技术的应用意味着,借助5G赋予RFID更多的能力,进一步刺激标签更快更多地应用。反过来,5G网络不再只是完成数据传输的功能,有了更多的实用价值。

写在最后

从以往的发展来看,通信技术都是一代代向前更迭,4G终将退出历史舞台,5G取而代之。虽然,相比Cat.1、Cat.4,即便在实际应用中RedCap的性能不一定更好,成本上也更高,但是这并不会阻挡业界对于新技术的探索,让5G有更多新的突破。

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