5G天線PCB之輕量化5G能否破解成本痛點(diǎn)？

在5G商用的第四個(gè)年頭，我國(guó)5G已經(jīng)實(shí)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(guó)累計(jì)建成并開通5G基站231.2萬個(gè)，基站總量占全球60%以上。

不過，在5G進(jìn)行商業(yè)化的探索過程中，絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)特性，如高精度授時(shí)、高可靠性、非衛(wèi)星定位等，一方面由于應(yīng)用場(chǎng)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(fèi)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(dá)到“節(jié)能降本”的目的，這也恰好彌補(bǔ)了5G商用過程中面臨的高成本、高能耗等弊端。因此，對(duì)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(chǎng)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(chǎng)機(jī)會(huì)，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(dòng)RedCap商用化進(jìn)程，產(chǎn)業(yè)鏈多方開始進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試驗(yàn)證和互聯(lián)互通實(shí)驗(yàn)。早在去年11月的相關(guān)會(huì)議上，中國(guó)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(jì)2025年，RedCap產(chǎn)業(yè)鏈將逐漸成熟。

如今，5G RedCap的商用化進(jìn)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(yuǎn)通信正式對(duì)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(jìn)行了大幅度優(yōu)化，將直接助力5G中速移動(dòng)寬帶場(chǎng)景的應(yīng)用探索。

眾所周知，5G定義了三大場(chǎng)景——eMBB針對(duì)大帶寬應(yīng)用，支持載波帶寬100MHz以上，峰值速率可達(dá)10Gbps；uRLLC支持毫秒級(jí)時(shí)延和超高可靠性；而mMTC是由4G時(shí)代的NB-IoT和eMTC演進(jìn)而來，主要針對(duì)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(chǎng)景目前都已制定完善的標(biāo)準(zhǔn)且在眾多物聯(lián)場(chǎng)景中有了實(shí)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(chǎng)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(jí)低速率物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域完成了一場(chǎng)跨入5G時(shí)代的“長(zhǎng)跑”，那么在未來4G/5G長(zhǎng)期共存的時(shí)代，具有“承上啟下”作用的RedCap將會(huì)發(fā)揮類似4G時(shí)代Cat 1的重要作用，補(bǔ)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(jí)能力的完備技術(shù)承載體系。

例如，在5G商用進(jìn)程中的一個(gè)重要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)工業(yè)場(chǎng)景互聯(lián)互通。但制造業(yè)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)傳感器、加速度計(jì)等眾多在未來勢(shì)必要接入5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端，這對(duì)帶寬、低延時(shí)等都提出了較高的要求。

同時(shí)，在3GPP多個(gè)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(dá)到數(shù)年，對(duì)能耗要求較高，同時(shí)對(duì)低延時(shí)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(cè)場(chǎng)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(cè)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?chǎng)景的網(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(bǔ)這一中間地帶，3GPP在R17版本中定義了對(duì)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(shì)，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(shí)，RedCap的設(shè)備支持NR載波上的共存，該NR載波可配置為針對(duì)eMBB或uRLLC通信性能進(jìn)行優(yōu)化。這一優(yōu)勢(shì)在工業(yè)4.0場(chǎng)景中發(fā)揮的淋漓盡致，全自動(dòng)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(shí)支持時(shí)間敏感型通信和時(shí)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(shí)間敏感通信的性能，同時(shí)保證低端傳感器設(shè)備仍然有效地操作。

應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)刷新

實(shí)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(jìn)各項(xiàng)商業(yè)化工作，這也從側(cè)面印證了業(yè)內(nèi)對(duì)于RedCap抱有較高期望。而商用化的初期首先是要進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和測(cè)試，去年便有多家國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)完成了RedCap的技術(shù)驗(yàn)證。例如，中國(guó)信息通信研究院MTNet實(shí)驗(yàn)室、IMT-2020（5G）推進(jìn)組完成全球首個(gè)5G R17 RedCap基站與芯片關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試；山東聯(lián)通在濟(jì)南萊蕪?fù)瓿扇珖?guó)首個(gè)RedCap終端接入5G網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試等。
 

其中，上海電信的測(cè)試表明，基于車聯(lián)移動(dòng)性場(chǎng)景，實(shí)測(cè)單小區(qū)上行容量可達(dá)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(chǎng)景下的泛在上行大帶寬需求?？梢钥闯觯F(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(shí)現(xiàn)所有物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，在可以預(yù)見的未來，RedCap勢(shì)必會(huì)對(duì)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(yàn)證還進(jìn)一步拓展了技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)場(chǎng)景。此前，3GPP在R17中針對(duì)RedCap的場(chǎng)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(chǎng)景，但從驗(yàn)證工作來看，RedCap可應(yīng)用的場(chǎng)景會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)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(gè)在5G R17標(biāo)準(zhǔn)下大放異彩的新貴強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，但在實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商用的過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(shì)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(shí)，RedCap的輕量化、低功耗、低成本、中高速數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，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(duì)4G Cat 4形成潛在替代，亦或其自身性能優(yōu)勢(shì)所帶來的5G應(yīng)用場(chǎng)景補(bǔ)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(yùn)營(yíng)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(jìn)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(duì)于商用過程舉足輕重的底層模組，近日來也迎來新進(jìn)展。

移遠(yuǎn)通信推出

RedCap Rx255C系列模組
 

2月，移遠(yuǎn)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(shí)對(duì)產(chǎn)品的尺寸、耗能和成本效益等方面也進(jìn)行了大幅度優(yōu)化。

基于高通驍龍X35 5G平臺(tái)，Rx255C系列符合3GPP Release 17標(biāo)準(zhǔn)且支持5G獨(dú)立(SA)模式，在sub-6GHz頻段的最大帶寬可達(dá)20MHz；同時(shí)可兼容LTE網(wǎng)絡(luò)，廣泛覆蓋全球主流運(yùn)營(yíng)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(jī)器人、DTU、無人機(jī)、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(dòng)寬帶設(shè)備對(duì)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(dú)特的架構(gòu)可為模組產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)低功耗的特點(diǎn)，還能夠助力絕大多數(shù)的全新終端品類獲取5G功能。同時(shí)，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(yuǎn)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(yuǎn)了。在已經(jīng)啟動(dòng)的R18研究中，RedCap也依舊是其中的一個(gè)重點(diǎn)課題，R18將對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行增強(qiáng)，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(qiáng)和降低功耗，并推進(jìn)支持RedCap終端的定位功能。長(zhǎng)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)不同等級(jí)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(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的主力。