5G天線PCB之輕量化5G能否破解成本痛點？

在5G商用的第四個年頭，我國5G已經(jīng)實現(xiàn)了從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)到產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)發(fā)展，再到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用探索均已走在世界前列的跨越式發(fā)展。據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國累計建成并開通5G基站231.2萬個，基站總量占全球60%以上。

不過，在5G進行商業(yè)化的探索過程中，絕大多數(shù)的應(yīng)用場景都主要利用了5G的高傳輸速率特性。而5G技術(shù)的其它先進特性，如高精度授時、高可靠性、非衛(wèi)星定位等，一方面由于應(yīng)用場景不成熟，另一方面，由于高傳輸速率帶來的高設(shè)備成本、高耗能、高電信資費等因素，一直沒有得到非常廣泛的利用。

而5G R17版本中引入的最具代表性的技術(shù)RedCap（也稱作NR-Light）則是通過降低天線數(shù)量和最大速率以達到“節(jié)能降本”的目的，這也恰好彌補了5G商用過程中面臨的高成本、高能耗等弊端。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)（m-IOT）中不需要極高傳輸速率的應(yīng)用場景來說，5G RedCap無疑具有舉足輕重的地位。

每一次通信網(wǎng)絡(luò)的迭代、創(chuàng)新都伴隨著大量的市場機會，5G RedCap也不例外。自R17版本標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)后，業(yè)界便開始依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推動RedCap商用化進程，產(chǎn)業(yè)鏈多方開始進行相關(guān)的測試驗證和互聯(lián)互通實驗。早在去年11月的相關(guān)會議上，中國聯(lián)通研究院無線技術(shù)研究中心總監(jiān)李福昌曾預(yù)估，2023年上半年，業(yè)內(nèi)將推出第一代RedCap商用產(chǎn)品（包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和芯片模組）；預(yù)計2025年，RedCap產(chǎn)業(yè)鏈將逐漸成熟。

如今，5G RedCap的商用化進程似乎比預(yù)想的更快一些。就在2月份，全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)整體解決方案供應(yīng)商移遠通信正式對外宣布，將推出基于高通驍龍X35 5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)的5G RedCap模組Rx255C系列，該系列產(chǎn)品在尺寸、耗能和成本效益等方面進行了大幅度優(yōu)化，將直接助力5G中速移動寬帶場景的應(yīng)用探索。

眾所周知，5G定義了三大場景——eMBB針對大帶寬應(yīng)用，支持載波帶寬100MHz以上，峰值速率可達10Gbps；uRLLC支持毫秒級時延和超高可靠性；而mMTC是由4G時代的NB-IoT和eMTC演進而來，主要針對帶寬小于1.4MHz、速率低于1Mbps的低速率、低成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)連接。三大場景目前都已制定完善的標(biāo)準(zhǔn)且在眾多物聯(lián)場景中有了實踐基礎(chǔ)。但是，三者之間同樣還存在一片“中間地帶”，這也使得5G網(wǎng)絡(luò)能力并不能完全覆蓋所有無線場景，而這一片“中間地帶”恰恰就是5G RedCap大展拳腳之地。
 

如果說NB-IoT在百億級低速率物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域完成了一場跨入5G時代的“長跑”，那么在未來4G/5G長期共存的時代，具有“承上啟下”作用的RedCap將會發(fā)揮類似4G時代Cat 1的重要作用，補齊5G中高速大連接的能力，使5G面向各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求形成具備低、中、高、超高分檔分級能力的完備技術(shù)承載體系。

例如，在5G商用進程中的一個重要目標(biāo)就是實現(xiàn)工業(yè)場景互聯(lián)互通。但制造業(yè)場景非常復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量龐大，品類繁雜。以傳感設(shè)備為例，其包括了壓力傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、運動傳感器、加速度計等眾多在未來勢必要接入5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端，這對帶寬、低延時等都提出了較高的要求。

同時，在3GPP多個技術(shù)研究和規(guī)范中都曾描述過大規(guī)模工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)（IWSN）也需適用設(shè)備的外形、尺寸較小的特殊要求服務(wù)。這類服務(wù)雖不需要eMBB那般高速傳輸，但電池壽命需要達到數(shù)年，對能耗要求較高，同時對低延時等網(wǎng)絡(luò)性能也有高要求。類似需求的還有智慧城市中的監(jiān)測場景，以及可穿戴設(shè)備，例如智能手表、智能手環(huán)、健康類設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測相關(guān)設(shè)備，都需要在滿足通信需求的前提下縮小終端尺寸。

總結(jié)來看，工業(yè)無線傳感器、可穿戴設(shè)備以及視頻傳輸?shù)葓鼍暗木W(wǎng)絡(luò)能力需求高于LPWAN（如NB-IoT），但低于uRLCC和eMBB。因此，為了彌補這一中間地帶，3GPP在R17版本中定義了對RedCap設(shè)備的支持。更重要的是，由于原生于5G，RedCap天然便具有5G NR的優(yōu)勢，支持非常廣泛的頻段，網(wǎng)絡(luò)效率更高，還支持波束賦形。

同時，RedCap的設(shè)備支持NR載波上的共存，該NR載波可配置為針對eMBB或uRLLC通信性能進行優(yōu)化。這一優(yōu)勢在工業(yè)4.0場景中發(fā)揮的淋漓盡致，全自動工廠擁有大量高性能傳感器和中低端傳感器，因此需要同時支持時間敏感型通信和時延不敏感的通信，而5G網(wǎng)絡(luò)可統(tǒng)一配置和優(yōu)化，確保時間敏感通信的性能，同時保證低端傳感器設(shè)備仍然有效地操作。

應(yīng)用場景持續(xù)刷新

實際上，自5G R17版本標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，產(chǎn)業(yè)界便開始緊鑼密鼓地推進各項商業(yè)化工作，這也從側(cè)面印證了業(yè)內(nèi)對于RedCap抱有較高期望。而商用化的初期首先是要進行技術(shù)驗證和測試，去年便有多家國內(nèi)機構(gòu)完成了RedCap的技術(shù)驗證。例如，中國信息通信研究院MTNet實驗室、IMT-2020（5G）推進組完成全球首個5G R17 RedCap基站與芯片關(guān)鍵技術(shù)測試；山東聯(lián)通在濟南萊蕪?fù)瓿扇珖讉€RedCap終端接入5G網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)場關(guān)鍵技術(shù)測試等。
 

其中，上海電信的測試表明，基于車聯(lián)移動性場景，實測單小區(qū)上行容量可達200+ Mbps，單用戶上行峰值100+ Mbps，相同邊緣速率下相比4G Cat 4提升覆蓋7dB，滿足RedCap在車載及穿戴場景下的泛在上行大帶寬需求?？梢钥闯?，現(xiàn)行條件下的RedCap技術(shù)能力優(yōu)于4G Cat 4，加之5G一張網(wǎng)實現(xiàn)所有物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，在可以預(yù)見的未來，RedCap勢必會對4G物聯(lián)網(wǎng)形成替代。

更重要的是，接踵而來的5G RedCap技術(shù)驗證還進一步拓展了技術(shù)應(yīng)用的重點場景。此前，3GPP在R17中針對RedCap的場景研究，聚焦于工業(yè)無線傳感器、視頻傳輸和穿戴設(shè)備三大場景，但從驗證工作來看，RedCap可應(yīng)用的場景會遠遠突破這三類，目前已經(jīng)蔓延至車聯(lián)網(wǎng)、智慧港口、智慧電力等場景。

除此之外，RedCap與5G定位的結(jié)合也得到了越來越多的關(guān)注，這兩個在5G R17標(biāo)準(zhǔn)下大放異彩的新貴強強聯(lián)合，但在實現(xiàn)規(guī)?；逃玫倪^程中仍面臨著需要解決室內(nèi)外定位銜接及降低終端芯片功耗與成本兩大問題。其中，利用5G一張網(wǎng)的優(yōu)勢可以在無需額外增加輔助技術(shù)的基礎(chǔ)上輕松解決室內(nèi)外定位銜接問題，5G定位還能復(fù)用現(xiàn)成的5G宏站或室分站，可以節(jié)省技術(shù)與設(shè)備成本；同時，RedCap的輕量化、低功耗、低成本、中高速數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，可以很好地幫助5G定位完成位置信息傳輸。

總結(jié)來看，無論是對4G Cat 4形成潛在替代，亦或其自身性能優(yōu)勢所帶來的5G應(yīng)用場景補盲，RedCap背后所牽引的廣闊發(fā)展空間有目共睹，這也是為何從運營商到設(shè)備商紛紛加碼的原因。相輔而行，產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的快速建設(shè)、成熟也將加快RedCap的商業(yè)化步伐。目前5G RedCap的商業(yè)化進程已經(jīng)領(lǐng)先于一些稍早期的產(chǎn)業(yè)預(yù)期了，尤其是對于商用過程舉足輕重的底層模組，近日來也迎來新進展。

移遠通信推出

RedCap Rx255C系列模組
 

2月，移遠通信宣布正式推出輕量化5G RedCap模組Rx255C系列。該系列新品包含RG255C和RM255C兩大版本，具有優(yōu)越的無線連接和超高可靠性低延遲通信(URLLC)能力，同時對產(chǎn)品的尺寸、耗能和成本效益等方面也進行了大幅度優(yōu)化。

基于高通驍龍X35 5G平臺，Rx255C系列符合3GPP Release 17標(biāo)準(zhǔn)且支持5G獨立(SA)模式，在sub-6GHz頻段的最大帶寬可達20MHz；同時可兼容LTE網(wǎng)絡(luò)，廣泛覆蓋全球主流運營商。Rx255C系列的理論下行峰值速率約為220 Mbps，最大上行速率約100 Mbps，足以滿足機器人、DTU、無人機、智能港口、智能電網(wǎng)、AR/VR可穿戴設(shè)備、學(xué)習(xí)電腦以及其他中速移動寬帶設(shè)備對傳輸速率的需求。

由于支持RedCap技術(shù)，Rx255C優(yōu)化了天線數(shù)量，降低發(fā)射和接收帶寬，并提供64QAM/256QAM(可選)調(diào)制方式，因此極大地優(yōu)化了成本效益和產(chǎn)品尺寸。此外，驍龍X35的高集成度和獨特的架構(gòu)可為模組產(chǎn)品實現(xiàn)低功耗的特點，還能夠助力絕大多數(shù)的全新終端品類獲取5G功能。同時，Rx255C系列支持L1+L5雙頻GNSS定位，可為智能終端提供精準(zhǔn)定位服務(wù)。據(jù)悉，移遠通信5G RedCap模組Rx255C系列將于2023年上半年提供工程樣片。

寫在最后

 5G RedCap可以說是未來可期，而這一“未來”也已經(jīng)并不遙遠了。在已經(jīng)啟動的R18研究中，RedCap也依舊是其中的一個重點課題，R18將對其進一步進行增強，包括在FR1降低終端帶寬至5MHz、降低終端峰值速率，以及能量效率增強和降低功耗，并推進支持RedCap終端的定位功能。長遠來看，RedCap具備了4G物聯(lián)網(wǎng)的大部分功能，能夠在一張網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)不同等級終端的通信接入，有望在2025年之后開始接棒成為中高速率移動物聯(lián)網(wǎng)的主力。