2023年RedCap产业进展与应用展望2020(5G)推进组.pdf
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1、IMT-2020(5G)推进组 试验工作组2023年11月编制说明编制说明本报告主要贡献单位(排名不分先后)包括:中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司、中国电信集团有限公司、中国移动通信集团有限公司、中广电移动网络有限公司、中国铁塔股份有限公司、中兴通讯股份有限公司、华为技术有限公司、中信科移动通信技术股份有限公司、上海诺基亚贝尔股份有限公司、爱立信(中国)通信有限公司、高通无线通信技术(中国)有限公司、联发博动科技(北京)有限公司、北京紫光展锐通信技术有限公司、翱捷科技股份有限公司、杭州必博科技有限公司、新基讯通信技术有限公司、无锡摩罗科技有限公司。前前言言2023 年 7 月,
2、国务院新闻办公室举行的 2023 年上半年工业和信息化发展情况新闻发布会上,工业和信息化部新闻发言人、总工程师赵志国提出,“强化 5G 应用产业支撑,大力推动 5G 轻量化(RedCap)技术研发,促进 5G 应用持续降成本、上规模。”2023 年 10 月 16 日,工业和信息化部发布关于推进 5G 轻量化(RedCap)技术演进和应用创新发展的通知,明确提出,到 2025年,5G RedCap 产业综合能力显著提升,新产品、新模式不断涌现,融合应用规模上量,安全能力同步增强。其中,全国县级以上城市实现 5G RedCap 规模覆盖,5G RedCap 连接数实现千万级增长。产业界对 5G
3、RedCap 的需求日益强烈,推动 5G RedCap 产业快速成熟,5G RedCap 商用进入倒计时。本报告在我国 5G RedCap 即将商用的关键时期,简要分析 5G RedCap 技术标准特点,全面呈现我国 5G RedCap 技术试验成果,深度调研 5G RedCap 全产业链发展现状,探索和展示 5G RedCap 应用场景及案例,对我国构建完整的 5G移动物联网综合生态体系,支撑差异化的物联网业务具有重要意义。目目录录一、引言.1二、5G RedCap 标准路线和技术特点.2(一)移动物联网概念.2(二)移动物联网技术发展现状.2(三)5G RedCap 的技术及标准进展.6(
4、四)小结.12三、5G RedCap 产业进展.14(一)概述.14(二)5G RedCap 网络研发进展.14(三)5G RedCap 芯片/模组/终端研发进展.16(四)技术试验推进.21四、RedCap 应用场景与案例.30(一)可穿戴.30(二)视频监控.31(三)智慧电力.33(四)智能制造.34(五)车联网.35五、下一步工作建议及规划.36(一)高效升级/部署 5G 网络支持 RedCap.36(二)持续开展(e)RedCap 技术研究与试验验证.37图图 目目 录录图 15G RedCap 与其它蜂窝物联网技术比较.6图 2RedCap 将引领移动物联网全面过渡到 5G 新时代
5、.13图 3IMT-2020(5G)推进组 RedCap 试验计划.22图 4IMT-2020(5G)推进组制定的 5G RedCap 试验规范.22图 52022 年 5G RedCap 关键技术测试峰值速率.23图 62023 年 5G RedCap 设备级测试峰值速率.25表表 目目 录录表 1LTE 终端类别.3表 2LTE 主要移动物联网技术指标.3表 35G RedCap 典型应用场景及关键指标需求.7表 45G RedCap 主要芯片企业产品研发概况.17表 5不同通信制式的可穿戴设备出货量预期.31表 6不同场景的视频监控对网络的性能需求.32表 7视频监控场景通信需求.32表
6、 8智慧电力通信需求.33表 9智能制造通信需求.34表 105G RedCap 在连接工厂的适用场景.35表 11车联网通信需求.35Redcap 产业进展与应用展望白皮书1一、引言5G 轻量化(RedCap,Reduced Capability 的缩写)技术是 5G 实现人、机、物互联的重要基础,将在构建物联网新型基础设施、赋能传统产业转型升级、推动数字经济与实体经济深度融合等方面发挥积极作用1。2020 年,工业和信息化部办公厅出台关于深入推进移动物联网全面发展的通知,引导新增物联网终端向 NB-IoT 和 Cat1 迁移,建立 NB-IoT、4G(含 LTE-Cat1)和 5G(含 5
7、G RedCap)协同发展的移动物联网综合生态体系。2021 年,工业和信息化部在“十四五”信息通信行业发展规划中提出“推进移动物联网全面发展”。2022年 8 月,我国成为全球主要经济体中首个实现“物超人”的国家,已经形成 NB-IoT(窄带物联网)、4G 和 5G 多网协同发展的格局,网络覆盖能力持续提升。2023 年 7 月,国务院新闻办公室举行的 2023 年上半年工业和信息化发展情况新闻发布会上,工业和信息化部新闻发言人、总工程师赵志国提出,“强化 5G 应用产业支撑,大力推动 5G 轻量化(RedCap)技术研发,促进 5G 应用持续降成本、上规模。”2023 年 10 月 16
8、日,工业和信息化部发布关于推进 5G 轻量化(RedCap)技术演进和应用创新发展的通知,明确提出,到 2025年,5G RedCap 产业综合能力显著提升,新产品、新模式不断涌现,融合应用规模上量,安全能力同步增强。其中,全国县级以上城市实现 5G RedCap 规模覆盖,5G RedCap 连接数实现千万级增长。Redcap 产业进展与应用展望白皮书2产业界对 5G RedCap 的需求日益强烈,推动 5G RedCap 产业快速成熟,5G RedCap 商用进入倒计时。在这个关键阶段,IMT-2020(5G)推进组简要分析 5G RedCap 技术标准特点,全面呈现我国 5GRedCap
9、 技术试验成果,深度调研 5G RedCap 全产业链发展现状,探索和展示 5G RedCap 应用场景及案例,对我国构建完整的 5G 移动物联网综合生态体系,支撑差异化的物联网业务具有重要意义。二、5G RedCap 标准路线和技术特点(一一)移动物联网概念移动物联网概念移动物联网以蜂窝移动通信技术和网络为载体,通过多网协同实现泛在连接、万物互联,是我国新型基础设施的重要组成部分,是应用和产业全面发展的综合生态体系。移动物联网的核心通信功能通常由蜂窝通信模组实现,用于物联网设备与电信运营商蜂窝网络进行连接和通信。相较于 Wi-Fi、LoRA、蓝牙等局域性连接方案,移动物联网通信技术遵循全球统
10、一的 3GPP标准协议,在标准的持续演进过程中技术能力与应用场景结合日益紧密;其产业链成熟,终端类型丰富,能基于运营商网络实现跨区广域部署,具有网络规模优势。(二二)移动物联网技术发展现状移动物联网技术发展现状移动物联网通信技术可以按照协议进行划分,当前我国已应用的移动物联网通信制式包括 2G、3G、4G(含 Cat1/1bis 和 Cat4)、NB-IoT和 5G。随着 2G、3G 退网工作的展开,2G 和 3G 物联网业务正加速迁移替换,NB-IoT、4G 和 5G 融合组网态势初步形成。根据覆盖场Redcap 产业进展与应用展望白皮书3景的不同,窄带物联(NB-IoT)网络应用面向低速率
11、文本类场景,4G 网络应用面向中速率数据类和语音类场景,5G 移动网络应用面向更高速率、更低时延的多样化场景。1.LTE 移动物联网现状网络方面,LTE 提出了 QoS(Quality of Service,服务质量)的概念,针对不同业务类型,网络会配置不同的带宽和接入优先级,为用户提供差异化的服务能力。终端方面,LTE 则从第一版 3GPP 标准版本 Rel-8 就开始了设备分类,推出包括 Cat.1、Cat.4、eMTC、NB-IoT在内的多种终端类别,如表 1 所列。表 1 LTE 终端类别Release 8Release 10Release 11Release 12Release 13
12、Cat.1Cat.2Cat.3Cat.4Cat.5Cat.6Cat.7Cat.8Cat.9Cat.10Cat.11Cat.12Cat.13Cat.14Cat.15Cat.0Cat.M1(eMTC)Cat.NB-1(NB-IoT)Cat.1bisLTE 不同类别的终端设备峰值速率各异,在诸多终端类别中,移动物联网广泛应用的有 Cat.4、Cat.1/1bis、Cat-M1(eMTC)和 NB-IoT,其技术指标对比如表 2 所示。表 2 LTE 主要移动物联网技术指标设备类别设备类别指标指标Cat.4Cat.1/1biseMTCNB-IoT下行峰值速率150 Mbps10 Mbps1 Mbps1
13、70 kbps上行峰值速率50 Mbps5 Mbps1 Mbps250 kbps传输时延毫秒级毫秒级毫秒级秒级国内网络部署全面覆盖全面覆盖无部分地区覆盖Redcap 产业进展与应用展望白皮书4运营商额外成本无无需要需要天线数量22/111接收带宽1.0818 MHz1.0818 MHz1.08 MHz180 kHz最大功率23 dBm23 dBm20/23 dBm20/23 dBm具体地,在中低速率蜂窝物联网场景下,LTE 的 Cat.4 与 Cat.1技术常被放在一起讨论,从传输速率、应用场景及使用成本比较如下:Cat.4 有十倍于 Cat.1 终端设备的传输速率:Cat.1 终端的下行峰值
14、速率为 10 Mbps,上行则为 5 Mbps;而对应的 Cat.4 终端的两个数据分别为 150 Mbps 和 50 Mbps。Cat.4 多用于视频类高速率需求场景,而 Cat.1 设备则多用于传感和语音类场景,二者互为补充:具体的,Cat.4 目前主要应用于车联网,智能电网、4G 无线路由、视频安防、商显设备、4G 执法仪、视频直播设备等场景;Cat.1 则广泛应用于穿戴设备、智能家电、工业传感器、水文水利的检测、港口物流跟踪、共享支付等消费类和行业类场景。从网络成本看,Cat.1 和 Cat.4 均可以无缝接入正常 LTE 网络,无需为了适配终端设备对基站进行软、硬件升级,网络覆盖成本
15、低;从模组成本看,经过多年迭代优化后,Cat.1 和 Cat.4模组都已经实现了高度集成,通过更简单的硬件架构,有效降低芯片外围硬件成本,目前,Cat.4 模组价格约 60 元,Cat.1模组价格更是低至 20 元区间。在低速蜂窝物联网方面,广泛应用的两项 LTE 技术则分别是NB-IoT 和 eMTC,面向不同的应用场景,各有所长。NB-IoT 的速率Redcap 产业进展与应用展望白皮书5极低,优势在于低成本、广覆盖和长续航,适合有联网需求但数据量极小的抄表类、数控类业务,比如智能电表、智能水表和智慧灯杆等;eMTC 的速率可以支撑语音通话、低数据速率业务,适用于对移动性有强需求的低速物联
16、网应用,如电梯监控、可穿戴设备等场景。从应用规模看,Cat.1/1bis、Cat4 和 NB-IoT 是当前最受青睐的蜂窝物联网技术。截至 2022 年底,我国安装的蜂窝物联网设备近九成采用 Cat.1/1bis、Cat4 或 NB-IoT。在低速率场景下,我国主要使用NB-IoT,而日本、澳大利亚和北美更偏好 eMTC,而欧洲市场则同时使用了 NB-IoT 和 eMTC 两项技术。2.5G 移动物联网现状5G 定义了增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)三大应用场景,分别满足超高速率、超高通信可靠性及响应速率、海量连接等需求场景。但部分物联网应
17、用场景并不需要极致性能,面向三大场景的 5G 技术提供的能力超出需求,反而带来终端高成本、高功耗,网络能力冗余等不利于 5G 广泛应用的问题。例如,工业互联场景中的压力、湿度、运动等传感器的接入,智慧城市中监控摄像头的部署以及可穿戴设备的网络连接等场景的主要诉求与 5G 三大场景并不匹配。为了扩大 5G 在物联网的应用范围,面向中低速物联网业务,5G引入了 4G 的物联网技术 NB-IoT 和 eMTC,即在无线接入网部分采用 NB-IoT 和 eMTC 技术,复用 NB-IOT 和 eMTC 基站,核心网部分则接入 5G,实现 5G 核心网的统一管理。但 NB-IoT 和 eMTC 的峰值R
18、edcap 产业进展与应用展望白皮书6速率无法满足视频监控等中高速物联网场景需求,而 eMBB 的极优性能则存在技术实现复杂及成本高昂的问题,难以适配追求低成本、低复杂度、极紧凑设计的物联网场景。针对这一情况,5G RedCap 终端设备类型应运而生。(三三)5G RedCap 的技术及标准进展的技术及标准进展1.5G RedCap 的技术背景及需求场景2022 年 6 月 3GPP 冻结的 5G 标准版本 Rel-17,面向中高速连接场景引入第一项基于 5G 的蜂窝物联网技术,定义了 5G 轻量化终端设备类型“RedCap”,基于 5G 统一空口,在满足特定应用需求和一定性能的前提下,通过精
19、简设备能力和降低设备复杂度的方式,达到削减成本、缩小尺寸、降低功耗和延长电池工作时间等目标。图 1 5G RedCap 与其它蜂窝物联网技术比较5G RedCap 技术定位介于 5G 增强移动宽带与低功耗广域(LPWA)之间,能够实现高于 NB-IoT、eMTC 等 LPWA 物联网技术的数据传输速率,终端成本和功耗又远低于 5G eMBB,成本降幅Redcap 产业进展与应用展望白皮书7最高可达 70%,在传感器场景下可实现超过两年的电池续航能力,5GRedCap 与当前蜂窝物联网技术的速率与成本比较如图 1 所示。5G RedCap 重点面向工业无线传感器、可穿戴设备和高清视频监控等应用场
20、景,满足中高速物联网应用需求,其典型场景的关键指标需求如表 3 所示。表 3 5G RedCap 典型应用场景及关键指标需求应用场景数据速率端到端时延可靠性/可用性电池寿命工业无线传感器2 Mbps100 ms;安全相关传感器510 ms99.99%(可用性)至少几年视频监控经济型 24 Mbps高端型 7.525 Mbps500 ms99%-99.9%(可靠性)/可穿戴设备参考下行速率:550 Mbps参考上行速率:25 Mbps下行峰值速率:150 Mbps上行峰值速率:50 Mbps/几天(1-2周)电力监控【不同应用场景需求不一,具体见表8】车联网【不同应用场景需求不一,具体见表11】
21、工业无线传感器:参考用例和要求在 3GPPTR 22.832 和 3GPPTS22.104 中进行了描述,通信服务可用性 99.99%,端到端延迟小于100 毫秒,对于安全相关传感器,延迟要求较低,为 510 毫秒(3GPPTR 22.804)。所有用例的参考速率均小于 2 Mbps(可能不对称,例如 UL 负载较大),且设备处于静止状态。电池应该至少能使用几年。视频监控:如 3GPPTR 22.804 所述,参考经济视频监控的比特速率为 24 Mbps,高端视频监控(如农业视频)需要速率为 7.525Redcap 产业进展与应用展望白皮书8Mbps,延迟要求小于 500 ms,可靠性为 99
22、%-99.9%,这类场景以上行传输业务为主。可穿戴设备:3GPPTR 38.8752中定义了智能穿戴用例的参考需求,智能可穿戴应用的下行参考速率为 550 Mbps、上行参考速率为25 Mbps,下行峰值速率为 150 Mbps、上行峰值速率为 50 Mbps;设备的电池寿命应当保持数天,甚至 12 周。2.5G RedCap 国内外标准工作现状(1)第二版本的 5G RedCap 核心标准即将冻结5G RedCap 的国际标准在 3GPP 开展研究和制定,目前包括两个技术版本,分别为基于 Rel-17 的 RedCap 和基于 Rel-18 版本的eRedCap(RedCap 的演进版本)。
23、其中,Rel-17 版本建立了 RedCap技术的基础框架,支持高清视频监控和可穿戴业务;Rel-18 版本则进一步裁剪能力,降低设备复杂度以满足低端视频监控和传感类低速业务的需求。具体地,2019 年 12 月,5G RedCap 首次在 3GPP 立项,成为Release17 的研究项目;2022 年 6 月,5G RedCap 的第一版核心规范完成冻结。2021 年 12 月,5G eRedCap 确定为 3GPP Release 18 标准的首批研究项目,面向智能电网、智慧城市、工业自动化和工业监测传感等速率需求更低、对终端成本更敏感的业务场景开展标准化研究工作。目前,3GPP 的 R
24、el-18 标准制定工作已接近尾声,预计 2024年 3 月完成 eRedCap 核心规范的制定。(2)国内正快速推进第一阶段的 5G RedCap 行业标准制定Redcap 产业进展与应用展望白皮书95G RedCap 行业标准的制定工作已紧锣密鼓的展开,计划 2024年初完成基于 Rel-17 的关键设备技术要求标准,为我国 5G RedCap终端的设备研发和网络的升级部署提供指导依据。2023 年 4 月,中国通信标准化协会(CCSA)无线通信技术工作委员会(TC5)的移动通信无线工作组(WG9)正式启动基于 Rel-17的 5G RedCap 终端设备及支持 5G RedCap 的基站
25、设备通信行标制定工作。标准由中国信通院与运营商牵头,国内外基站、终端、芯片和模组等企业广泛参与。在起草单位的快速推进下,两项技术要求标准轻量化(RedCap)终端设备技术要求(第一阶段)和6 GHz 以下频段基站设备技术要求(第三阶段)征求意见稿已于 2023 年 10月通过,于 11 月底启动标准送审稿的讨论,预计 2024 年初完成标准编制,进入报批阶段。在技术要求标准内容基本定型后,已经启动三项 RedCap 测试方法标准的讨论,包括轻量化(RedCap)终端设备测试方法(第一阶段)第 1 部分:功能和网络兼容性测试 轻量化(RedCap)终端设备测试方法(第一阶段)第 2 部分:一致性
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