【学习笔记】5G-A时代物联网应用及策略研究
摘要
海量物联网通信是5G典型应用场景之一，为了实现蜂窝网的全场景物联能力，需要更多的场景化技术，5G-A引入了RedCap（5G Reduced Capability）和Passive IoT。其中，RedCap降低了设备复杂性及成本，补充了5G中、高速率物联能力；Passive IoT实现了低成本无源物联。结合对物联产业的综合分析，重点论述基于RedCap和Passive IoT的物联网构建方案、运营及优化。
概 述
5G-A全称5G-Advanced（5.5G），是对5G的演进和扩展，具有下行万兆、上行千兆、千亿连接、内生智能四大特征，使能万物智联。2024年，5G-A已进入产业实际构建阶段。
mMTC是5G三大典型应用场景之一，当前正在加速发展为千亿物联。为了更好地支撑5G-A时代的全场景海量物联需求，3GPP Rel-17引入RedCap，补充中、高速物联能力，实现成本和性能的最佳平衡，Rel-18将其简化为eRedCap，使其更容易部署到中速物联网。Rel-19完善无源物联技术（Passive IoT）后，将首次构建出蜂窝网的全场景物联能力（见图1）。
图1 移动物联技术
本文分析了5G-A的RedCap和Passive IoT物联技术优势，洞察了物联产业的需求及市场。结合网络先行，以网促业的国家策略，论述基于RedCap和Passive IoT构建物联网络的方案，并给出网络运营及优化建议。
现有物联网分析
2.1 NB-IoT分析
窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），聚焦于低功耗、广覆盖（Low Power Wide Area，LPWA）物联应用场景，具有覆盖广、连接多、功耗低、成本低等特点。
2016年6月，NB-IoT协议首次被冻结。2020年，3GPP将其接受为ITU IMT-2020 5G技术标准，继续服务于5G LPWA用例，即mMTC场景。随着2G、3G退网，NB-IoT、4G和5G物联网技术将共同承担万物互联需求。
NB-IoT工作带宽为200 kHz，实际有效带宽为180 kHz。支持独立部署、LTE保护带部署、LTE带内部署方案，可充分利用运营商已有频谱资源，部署成本低，但需独立载波。NB-IoT仅适用于低速物联场景，无法满足更高速率要求。
2.2 LTE Cat分析
3GPP使用Cat划分终端，表明终端支持的上、下行数据传输能力。不同业务可以使用不同Cat等级的终端，便于网络提供对应的带宽和速率。
3GPP在Rel-8中引入LTE网络协议，并在首个版本（3GPP TS 34.306）定义了终端能力集Cat1~Cat5。协议最初基于双天线考虑灵敏度和覆盖，随着物联网对终端小型化要求的提高，高通在Rel-14中提出Cat1bis（RF-171149）。相对Cat1而言，Cat1 bis上、下行速率都无变化，仅将双天线变为单天线。随着终端尺寸变小，双天线间隔也较小，导致分集增益不大。
Cat1 bis上行FDD理论速率仅为5 Mbit/s，无法满足对上行数据量要求高的场景的需求，主要用于中速物联场景。但是，它对终端芯片要求低，且仅需单根天线，可降低终端成本。
Cat4上行FDD理论速率可达150 Mbit/s，在双天线场景下，下行灵敏度有3 dB增益，有助于提升小区边缘覆盖用户体验。与Cat1 bis相比，Cat4速率更高，且下行频谱效率更高（见表1）。
表1 Cat1 bis与Cat4能力对比
LTE Cat1 bis和Cat4物联网技术部署于4G网络，能够用于中、高速物联场景。但是，无法满足更高速率场景的需求，并且时延偏长。随着4G投资减少，后续应用规模受限。
5G-A物联技术分析
3.1 物联网协议进展
2022年6月，3GPP冻结Rel-17，Rel-17已包含RedCap标准。2024年H1 Rel-18被冻结，该版本作为5G-A首个版本，会包含evolved RedCap，并已启动Passive IoT研究。预计2025年H2，Rel-19被冻结，将会发布Passive IoT协议标准（见图2）。
图2 3GPP版本计划
在Rel-17标准中，RedCap内容包括降低终端复杂度、驻留与接入控制、移动性、终端识别、BWP配置以及功耗等。Rel-18标准中，RedCap面向更轻量化演进，包含缩减终端带宽到5 MHz、降低峰值速率等。
3.2 RedCap分析
5G终端芯片及模组的价格较高，导致产业未实现海量连接。为了满足物联网对5G部署更低成本、更低功耗、更低复杂度的要求，5G RedCap通过缩减终端带宽、裁剪收发天线数量、降低最大调制阶数等手段，降低了设备复杂度、成本和功耗，能够更好地满足可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控等中、高速场景的规模应用需求。
RedCap Rel-17面向中、高速物联场景，对标4G Cat4；RedCap Rel-18面向中低速物联场景，对标4G Cat1/1bis。RedCap是功能精简的5G原生物联网技术，继承了5G低时延、高可靠、切片、定位等能力，实现成本和性能的最佳平衡。相对于5G NR，它价格便宜；相对于4G Cat4，它的峰值速率、时延可靠性和定位精度明显提升，功耗降低20%。但是，当前RedCap模组成本偏高，随着规模应用，成本会有所下降（见表2）。
表2 RedCap能力对比
3.3 Passive IoT分析
Passive IoT是5G-A首次引入的蜂窝无源物联技术，网络终端设备不需要电池供电或接入外部电源。根据终端设备能否储电及能否生成射频信号，3GPP RAN定义了3类设备类型：A类、B类和C类。A类是纯无源标签，不支持储能，不支持生成上行载波，覆盖距离在10 m左右，适合室内场景。B类是半无源标签，支持电容储能，不支持生成上行载波，直视径覆盖距离达200 m，适合室内场景。C类是有源标签，支持环境或电池供能，支持生成上行载波，支持上、下行频分，覆盖距离最远达500 m，适合室内外广域场景（见表3）。
表3 Passive IoT标签类型
传统无源物联技术是RFID，使用扫码枪扫描RFID标签。Passive IoT下行覆盖时，授权频段发射功率更高；上行覆盖时，标签反向放大，并且上、下行都能利用空口技术提升接收机的灵敏度，可以充分发挥蜂窝网络的空口技术优势，提升无源物联的上、下行覆盖。例如，室外实测B类标签，Passive IoT覆盖能力比RFID提高10倍以上。
与NB-IoT相比，Passive IoT成本更低、功耗更小。但是，仅适用于更低速率的物联网场景（见表4）。
表4 Passive IoT对比NB IoT
综上可知，传统无源物联RFID技术难以实现大范围连续覆盖组网；NB-IoT难以满足终端超低成本和功耗要求。在低速物联场景下，Passive IoT技术不仅降低成本和功耗，也能基于蜂窝网络连续组网。
物联产业综合分析
4.1 性能需求分析
不同物联网应用场景对速率、时延、可靠性的要求各不相同。工业控制、电力能源业务对速率要求不高，但对时延和可靠性要求较高。大部分视频监控业务，不需要超高清分辨率，对速率、时延和可靠性要求都不高。可穿戴设备主要以中低速业务为主，下行速率为5-50 Mbit/s，上行为2-5 Mbit/s，对时延和可靠性要求都不高，但要求网络连续覆盖性好。具体见表5、表6和表7。
表5 工业控制业务需求
表6 电力能源业务需求
表7 视频业务需求
4.2 节能需求分析
可穿戴设备通常需要续航1-2周。工业无线传感器要求电池寿命至少为几年。这些场景对终端功耗要求高，需降低终端复杂度，引入功耗优化手段，使终端更节电。
4.3 成本需求分析
垂直行业有大量的物联网连接需求，例如视频监控、电力能源行业。这些行业规模大，最大的问题就是较高的行业模组成本，企业对成本更加敏感。为了促进规模化部署，需要降低物联网技术应用成本，以更低成本实现5G数智化转型。
对于大部分行业场景，5G常规终端价格高且性能过剩。通过裁剪功能，RedCap降低了终端复杂度，从而节约成本，但依旧满足应用场景的性能要求。在低速物联场景，Passive IoT成本也比NB-IoT低得多，适合大规模无源物联网。
4.4 物联市场洞察
2022年8月，中国移动物联网终端数已超过移动电话用户数，正式进入“物超人”时代。当前，千万级应用领域有智慧工业、智慧农业和智慧物流，上亿级应用领域有零售服务、公共服务、智慧家居和车联网。随着大数据、AI、通信、感知技术融合，智能物联网产业启动了新一轮强势增长，将带来巨大经济和社会效益。图3所示为中国2018—2026年AIoT产业市场规模及增速。
图3 中国2018—2026年AIoT产业市场规模及增速
2023年，RedCap已具备商用基础，中国联通、中国电信和中国移动都已规模化建设RedCap试验网；华为等系统厂商协同运营商已完成功能及组网性能验证；芯片、模组和终端产业链也初具规模。预计2024年，RedCap将迎来爆发式增长，模组成本逐渐降低。图4所示为中国RedCap连接数及模组单价走势预测。
图4 中国RedCap连接数及模组单价走势预测
物联网海量终端受限于成本，难以实现有源物联；同时终端分布广泛，也难以更换电池或无法供电。因此，无源物联技术具有很大的市场空间。2024年，随着5G-A正式商用，无源物联Passive IoT迎来发展机遇，将被用于仓储盘点、物流跟踪、工业生产等应用场景。
4.5 国家战略政策
2021年11月，工信部印发《“十四五”信息通信行业发展规划》，提出要在2025年基本建成新型数字基础设施。在《5G应用“扬帆”行动计划》中，提出推进5G+工业互联网、智慧城市等15个垂直行业发展，在广覆盖、低成本场景普及5G技术，例如智能安防、穿戴设备、远程操控、视频监控等。国家部委持续发布政策支持移动物联网发展，明确5G RedCap是蜂窝物联未来发展的重要方向。
2023年10月，工信部印发《关于推进5G轻量化（RedCap）技术演进和应用创新发展的通知》，推动5G RedCap技术产业化及规模化应用。2024年2月工信部发布《关于开展2024年度5G轻量化（RedCap）贯通行动的通知（征求意见稿）》，指出到2024年底实现5G RedCap的商用落地，5G RedCap网络连续覆盖百个以上城市，推进重点领域小规模示范应用，助力5G应用规模化发展。
5G-A物联网络构建
5.1 构建5G-A物联网先发优势
依托RedCap和Passive IoT物联技术，能够筑起5G-A物联网先发优势。RedCap对标4G Cat4，补齐了5G中、高速物联短板，同时平衡了部署成本。在3GPP Rel18中，RedCap对标4G Cat1，支撑5G中速物联场景，进一步降低部署成本。从技术上看，针对中、高速物联场景，已具备从4G转向5G的条件；从产业上看，RedCap芯片、模组、终端越发成熟，成本呈下降趋势，具备大规模部署条件；从时间上看，2024年将开启RedCap商用元年，RedCap将迎来爆发式增长，Rel-18在2024年H1被冻结，当前介入eRedCap，会为后续网络部署抢占先机。
Passive IoT是5G-A蜂窝无源物联技术，3GPP已在Rel-18中对其启动研究，预计在2025年H2的Rel-19中，发布协议标准。该技术与NB-IoT相比在成本及功耗方面更具优势，适用于低速物联网，同时其能力远胜于传统无源RFID，当前已在室内场景试点应用，有待拓展到广域场景。从技术准备及时间上看，当前已能介入室内场景试点，提前研究广域场景。
综上可知，当前大规模商用部署RedCap、试点eRedCap、试点Passive IoT室内场景、布局研究Passive IoT广域场景，会为5G-A物联网带来先发优势。
5.2 RedCap网络构建
如果网络要适配RedCap终端，就要升级到支持RedCap的软件版本。针对toC应用场景，5G网络需逐步升级；针对toB应用场景，可以按需升级。
网络开启RedCap后，可根据网络情况、业务需求等，按需部署多个专用BWP等功能，提升网络承载RedCap终端的能力，并保障5G用户体验。对于toB业务，可考虑结合网络切片、低时延可靠增强、终端节能等5G技术。
3.5 GHz 频段如果按照下行边缘速率大于等于100 Mbit/s，上行边缘速率大于等于5 Mbit/s的部署要求，则小区边缘上行受限，无法满足RedCap视频监控及穿戴设备上行速率大于2 Mbit/s的要求。2.1 GHz频段如果按照下行边缘速率大于等于30 Mbit/s，上行边缘速率大于等于3 Mbit/s的部署要求，则小区边缘速率满足RedCap三大典型业务的速率需求。因此，在3.5 GHz频段RedCap终端覆盖较弱的区域，可引入覆盖增强技术，进一步提升覆盖能力。
5.3 Passive IoT网络构建
Passive IoT可分为3类市场：消费盘存型、生产流转型和广域泛在型。
消费盘存型是以零售商超为代表的海量消费品盘点，此类场景可使用A类标签。生产流转型以制造为代表的高值生产要素流动，此类场景主要使用A/B类标签。广域泛在型以贵重资产跟踪类为代表，点位随机且分散，此类场景可使用C类标签。
对于室内场景，可以采用收发分离双工，该方式需适当调整室外宏站，减少系统干扰；或者采用Helper辅助减少干扰，但需新增Helper部署点位。
对于卡口场景，RFID投资门槛低，比Passive IoT更有优势。对于盘点场景，高频次盘存时，RFID正确率会下降，使用Passive IoT自动化盘存更有优势。对于广域场景，RFID无法连续组网，Passive IoT的价值初现。
物联网运营优化
6.1 网络运营
选择物联技术，需要考虑业务频度、业务速率、成本、移动性、续航等方面的问题。行业客户的技术选择还受物联战略、政府项目、模组集采等因素影响。
RedCap支持中、高速物联，平衡了成本和性能，并且支持5G切片、低时延、定位等原生能力，可用于拓展中、高速物联场景。如利用RedCap CPE加速WTTx存量用户迁移，抢占光纤高端用户。
无源物联适用于标识类连接，支持高精度定位、微型传感等连接能力，在物流、电力、汽车制造、畜牧行业有广泛应用场景。可以在典型行业实现标杆应用落地，如物流、仓储、能源等。根据市场反馈情况，推动厂家迭代优化产品方案。在Passive IoT的商业模式上，可基于业务调研孵化方案，并进行创新设计，在商业成功后，进行合作分成。
6.2 网络优化
随着RedCap用户数量及业务量的增长，网络需要给RedCap用户配置更多资源，如多个专用BWP，并且优化5G参数配置，降低对普通5G终端的影响。
Passive IoT标签采用全双工、收发同一频点，从而导致较大干扰，需采用干扰抑制手段。对于广域Passive IoT，C类标签也难以满足500 m左右的站间距要求，若使用大网覆盖，需先解决上行覆盖问题。
结束语
随着5G-A、数据大模型、人工智能等新兴技术的应用，物联网产业将升级成为通信、感知、智能、价值一体化的架构。5G-A引入RedCap、Passive IoT等技术，拓展了5G物联能力边界。2024年将迎来RedCap爆发式增长，终端单价随之持续降低，电力、工业、视频监控等领域将产生千万级连接规模。随着5G-A的正式商用，Passive IoT也将迎来加速发展机遇，有望使能千亿连接。