La tecnologia RedCap (5G Lightweight) raggiunge gli obiettivi di risparmio sui costi, minor consumo energetico e dimensioni ridotte dei dispositivi semplificando le capacità dei dispositivi e riducendo la complessità, mantenendo al contempo le capacità native 5G, ottenendo un equilibrio tra tecnologia e costi. Questo documento studia le caratteristiche tecniche di RedCap e le relative politiche nazionali e le combina con i requisiti di rete del settore energetico per analizzare le opzioni di applicazione e distribuzione di RedCap in diversi scenari del settore energetico e discute il potenziale di sviluppo della tecnologia RedCap e le strategie di distribuzione degli operatori.
Caratteristiche della tecnologia 5G RedCap
Per ampliare l'ambito di applicazione del 5G nel campo dell'IoT, a giugno 2022 il 3GPP ha congelato la versione standard 5G R17, che introduce la tecnologia 5G RedCap, che soddisfa le esigenze di connettività dell'IoT a media e alta velocità adattando la capacità del dispositivo e riducendo la complessità, e realizzando gli obiettivi di riduzione dei costi, riduzione delle dimensioni e riduzione del consumo energetico.
Rispetto a 5G NR, RedCap è stato semplificato in termini di larghezza di banda dello spettro, antenne, consumo energetico, modulazione, ecc. (come mostrato nella Tabella 1). La larghezza di banda di RedCap nella banda FR1 è stata ridotta da 100 MHz a 20 MHz, il numero di antenne trasmittenti e riceventi è stato ridotto dalle tipiche 4 antenne a 2 o 1 antenna e il numero massimo di livelli MIMO downlink è stato ridotto, il che riduce i requisiti di capacità del transceiver RF terminale e del modulo di elaborazione in banda base. Allo stesso tempo, la modulazione di ordine più elevato di RedCap è ridotta da un massimo di downlink 256QAM a 64QAM, il full-duplex FDD è ridotto alla modalità half-duplex e funzionalità come CA (Carrier Aggregation), MR-DC (Dual Connectivity) e DAPS (Dual Activation Protocol Stack) sono state tagliate per ridurre ulteriormente la complessità di progettazione e il costo del terminale. Inoltre, RedCap introduce le tecnologie eDRX (Extended Discontinuous Reception) e RRM (Measurement Relaxation Meccanism) per soddisfare i requisiti di basso consumo energetico dell'IoT.
Pur semplificando le sue capacità, RedCap mantiene le funzionalità native specifiche del 5G, tra cui edge computing, slicing 5G, LAN 5G, bassa latenza 5G, localizzazione 5G, temporizzazione accurata 5G e altre funzionalità, in grado di soddisfare i requisiti di prestazioni di rete di Internet industriale, videosorveglianza, smart grid, telematica e altre applicazioni industriali.
Rispetto al 5G NR, RedCap è in grado di controllare efficacemente i costi, ridurre il consumo energetico e le dimensioni; rispetto al 4G LTE, RedCap ha le caratteristiche di ampia larghezza di banda e bassa latenza del 5G e raggiunge inoltre un equilibrio tra prestazioni, funzionalità e costi, che risolve i principali punti deboli delle applicazioni 5G nei settori verticali e offre maggiori possibilità per lo sviluppo di applicazioni industriali 5G su larga scala.
Contesto della politica RedCap
5G RedCap è una tecnologia chiave per la diffusione delle applicazioni 5G nel campo dell'IoT a media e alta velocità, che promuoverà ulteriormente la trasformazione e l'ammodernamento dei settori tradizionali potenziati dal 5G, nonché la profonda integrazione tra economia digitale ed economia reale.
La Cina attribuisce grande importanza allo sviluppo e all'applicazione del 5G RedCap.2023 Nell'ottobre 2023, il Ministero dell'Industria e dell'Information Technology ha emesso l'Avviso sulla promozione dell'evoluzione della tecnologia 5G Lightweight (RedCap) e dello sviluppo innovativo delle applicazioni, che ha esplicitamente affermato che entro il 2025 la capacità completa del settore 5G RedCap sarà notevolmente migliorata, nuovi prodotti e nuove modalità continueranno a emergere, la scala delle applicazioni di convergenza sarà aggiornata e la capacità di sicurezza sarà sincronizzata. Tra questi, la copertura su scala 5G RedCap sarà realizzata nelle città al di sopra del livello di contea a livello nazionale e il numero di connessioni 5G RedCap realizzerà una crescita di dieci milioni.
Al fine di accelerare lo sviluppo innovativo del 5G e promuovere il processo commerciale del 5G RedCap in modo solido e ordinato, nell'aprile 2024 il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica ha emesso l'Avviso sull'attuazione del 5G Lightweight (RedCap) tramite l'azione nel 2024, che specifica il lavoro chiave nei sette aspetti di standard, reti, chip, moduli, terminali, applicazioni e garanzie e getta solide basi per la divulgazione e l'applicazione della tecnologia 5G RedCap in Cina. Ciò ha gettato solide basi per la divulgazione e l'applicazione della tecnologia 5G RedCap in Cina.
RedCap può essere ampiamente utilizzato nell'energia elettrica, nella sicurezza, nelle reti di veicoli, nell'industria mineraria digitale e in altri campi. Con il rapido sviluppo dell'economia digitale, la domanda di 5G RedCap da parte del settore è diventata sempre più forte. La società di ricerche di mercato Counterpoint Research prevede che i moduli 5G RedCap rappresenteranno il 18% delle spedizioni totali di moduli IoT cellulari entro il 2030. Un'altra società, IoT Analytics, prevede che le spedizioni di moduli IoT abilitati al 5G rappresenteranno il 16% del mercato nel 2026, con RedCap che svolgerà un ruolo chiave.
Sotto il duplice impulso della leadership politica e della domanda del mercato, la tecnologia 5G RedCap diventerà sempre più matura, gli scenari applicativi saranno più numerosi, inaugurando un periodo d'oro di rapido sviluppo.
Programma di prova
Questo test adotta la soluzione tecnica integrata di "end, network and industry", distribuendo terminali 5G RedCap sul lato end, collegando FTU di distribuzione (terminali di monitoraggio dello switch di distribuzione), DTU (terminali wireless), controllori di energia e altre apparecchiature; sul lato rete, sono state aperte rispettivamente le fette soft 5QI e le risorse RB riservate all'1% di fette hard e la speciale UPF (funzione rivolta all'utente) della regione di controllo della produzione è collegata alla stazione principale e al centro di monitoraggio della distribuzione di energia nella regione di controllo della produzione. UPF (funzione del piano utente) dedicata alla regione di controllo della produzione per realizzare la connessione con la stazione principale di distribuzione di energia e il centro di monitoraggio della regione di controllo della produzione. Attraverso il test di confronto di diverse tecnologie come RedCap/5G NR, soft slicing/hard slicing, ecc., verifica il normale funzionamento di applicazioni come distribuzione three-remote, monitoraggio della rete, FA distribuito, ecc. sul lato del servizio.
Dopo aver determinato lo scenario e la posizione del test, l'operatore seleziona una stazione base 5G nelle vicinanze per attivare la funzione RedCap e configura rispettivamente le fette soft 5QI e le risorse RB riservate all'1% di fette hard sul lato rete. I tester installano i terminali di alimentazione RedCap e sintonizzano le connessioni tra i terminali e le FTU di distribuzione dell'alimentazione, le apparecchiature PMU (unità di gestione dell'alimentazione) e la stazione master di distribuzione dell'alimentazione per eseguire il test di confronto del servizio.
Risultati del test
Il test include test comparativi del terminale RedCap con il terminale 5G NR e il terminale 4G, soft slicing con hard slicing e tempi di attività del servizio con tempi di inattività e altri scenari.
1. Tipo di test: confronto del ritardo tra hard slicing 5G e soft slicing 5G
Modello di servizio di prova: pacchetti Ping monoutente da 255 byte, intervallo di invio di 1 0 0 ms, per un totale di 7000.
I risultati dei test mostrano che il ritardo medio dell'hard slicing è inferiore del 60% rispetto a quello del soft slicing. Quando il servizio di rete 5G è congestionato, il ritardo massimo dell'hard slicing è di 62 ms, il che può rendere inalterato il ritardo e l'affidabilità del servizio di alimentazione; mentre il soft slicing avrà un ritardo elevato durante i periodi di punta, il che influisce sulla qualità del servizio.
2. Tipo di test: confronto tra soft slicing 5G e ritardo 4G
I risultati dei test mostrano che la larghezza di banda 4G è ridotta e senza la tecnologia di slicing è facile generare congestione, con conseguente perdita di pacchetti e notevole ritardo. Il soft slicing 5G RedCap non comporta perdita di pacchetti in tutti gli scenari e il tasso di successo del ping è del 100%.
Il tempo di elaborazione (incluso il tempo di attivazione dell'interruttore) del servizio di protezione regolare della rete di distribuzione deve essere inferiore o uguale a 100 ms e, considerando che ci sono più cascate di interruttori nel sistema di automazione della rete di distribuzione, il requisito generale è che il tempo di esecuzione del servizio sia inferiore o uguale a 150 ms. Come si può vedere dai risultati del test, il tasso di successo dell'accesso alla rete del terminale RedCap, il tasso di successo del caricamento dei dati e il tasso di successo dell'emissione di comandi remoti raggiungono tutti il 100% e indici chiave come il ritardo di accesso, il tasso di caricamento e scaricamento dei dati soddisfano tutti i requisiti della produzione di energia elettrica. Il ritardo di accesso, il caricamento dei dati, il tasso di scaricamento e altri indicatori chiave soddisfano i requisiti di qualità del business del controllo della produzione di energia.
Lo scenario di distribuzione di energia è lo scenario più applicato e rappresentativo nella regione di controllo della produzione di energia. L'analisi di cui sopra dei requisiti della rete elettrica e dei test di servizio ha dimostrato che la tecnologia 5G RedCap può soddisfare pienamente i requisiti del servizio di energia.
Scenari del settore energetico RedCap
Per costruire un nuovo tipo di sistema energetico e realizzare gli obiettivi di una generazione di energia pulita e a basse emissioni di carbonio, di una trasmissione e trasformazione sicure ed efficienti, di una distribuzione di energia flessibile e affidabile e di un utilizzo diversificato e rispettoso dell'elettricità, è necessaria una rete di comunicazione onnipresente, altamente affidabile, sicura ed economica. La tecnologia 5G RedCap può riutilizzare la rete 5G matura esistente, sfruttare appieno l'effetto scala di rete e potenziare ogni collegamento del sistema energetico con caratteristiche di basso costo, basso consumo energetico e alta affidabilità.
Generazione di energia distribuita di nuova energia
Le nuove fonti di energia come l'energia fotovoltaica ed eolica sono pulite e a basse emissioni di carbonio, ma sono sensibili agli effetti atmosferici e caratterizzate da casualità e volatilità. Poiché la quota di nuova generazione di energia continua ad aumentare, il consumo della rete, la capacità di regolazione sta affrontando serie sfide. Il tradizionale metodo di controllo manuale del problema "abbandono vento e luce" si verifica di tanto in tanto, la necessità di utilizzare mezzi tecnici per il suo controllo intelligente. Le nuove stazioni di campo energetico sono ampiamente distribuite e di ampia portata, e l'elevato costo e il lungo periodo di costruzione della rete cablata in fibra ottica hanno portato a un basso tasso di controllo delle stazioni di campo in alcune aree.
La raccolta di informazioni e i dati di comando di controllo della generazione di energia fotovoltaica sono generalmente compresi tra 20k~100kbit/s. Attraverso 5G RedCap per raccogliere tutti i tipi di dati da inverter, scatole di convergenza, stazioni di accumulo di energia, irradiatori, strumenti meteorologici, contatori, ecc., lo stato delle stazioni fotovoltaiche può essere percepito in tempo reale; attraverso 5G RedCap per agganciare telemotori, AGC e altre apparecchiature, è possibile realizzare la regolazione e il controllo a distanza e il funzionamento e la manutenzione intelligenti della connessione alla rete fotovoltaica, che possono controllare in modo efficace ed efficiente le stazioni fotovoltaiche. Attraverso 5G RedCap, è possibile realizzare il controllo a distanza e il funzionamento e la manutenzione intelligenti, migliorando efficacemente l'efficienza di generazione di energia della stazione e la sicurezza della connessione alla rete.
Ispezione della linea di trasmissione di potenza
Le linee di trasmissione di potenza hanno molti punti e linee lunghe, che sono soggette a danni esterni, cortocircuiti di oggetti estranei, corrosione e fili rotti e minaccia di incendio e fumo, ecc. Carico di lavoro di ispezione manuale tradizionale, bassa efficienza e alto rischio. Carico di lavoro di ispezione manuale tradizionale, bassa efficienza, alto rischio, ogni persona può ispezionare solo 10 chilometri o 3~4 torri al giorno.
Attraverso il modulo RedCap 5G montato sul drone per l'ispezione automatica, è possibile realizzare il riconoscimento intelligente AI del video di ispezione, in tempo reale per la tempestiva scoperta di linee di trasmissione allentate, spente, corrose e altre anomalie, quindi allarmare e visualizzare con precisione la posizione del guasto. La rete dedicata 5G può garantire la sicurezza del volo del drone, la trasmissione in tempo reale del video di ispezione; il riconoscimento intelligente AI può essere in qualsiasi momento per trovare pericoli nascosti, in modo che l'efficienza di rilevamento sia aumentata più volte. La larghezza di banda richiesta per il controllo del drone e la trasmissione delle immagini è 3M~5Mbit/s e il ritardo è inferiore a 100 ms, RedCap può soddisfare pienamente i suoi requisiti di rete e il consumo energetico è ridotto, il che può estendere il tempo di resistenza del drone. L'ispezione del drone 5G può migliorare l'efficienza dell'ispezione e risparmiare sui costi di ispezione.
Gestione e manutenzione della sottostazione
In quanto nodo chiave del sistema elettrico, le sottostazioni sono al centro del monitoraggio operativo del sistema elettrico. Le sottostazioni esterne sono soggette a condizioni meteorologiche estreme e richiedono ispezioni e monitoraggi regolari delle letture dei contatori, delle posizioni degli interruttori, delle temperature delle apparecchiature e di altri stati. Poiché l'ispezione delle sottostazioni è ripetitiva, i robot elettrici 5G e le telecamere HD 5G possono essere impiegati per eseguire ispezioni intelligenti e automatiche delle apparecchiature principali, delle sale relè, delle scatole terminali e di altre strutture, nonché dell'ambiente della stazione, sostituendo il personale O&M nell'esecuzione di ispezioni giornaliere, misurazioni della temperatura, letture dei contatori e altre attività ripetitive, creando le condizioni affinché il personale O&M esegua ispezioni remote senza personale, migliorando così l'efficienza e riducendo il rischio di operazioni in loco.
Automazione della distribuzione di energia
Con la crescente domanda di elettricità e di nuove attività, le reti di distribuzione stanno affrontando problemi come una grande richiesta di raccolta di informazioni, molti guasti nascosti e difficili ispezioni giornaliere. FA distribuita, PMU di distribuzione, distribuzione a tre remoti, stazione intelligente, protezione differenziale di distribuzione e altre apparecchiature sono principalmente responsabili della raccolta e del rilevamento, della localizzazione dei guasti e dell'isolamento e del ripristino della rete di distribuzione, che è la chiave per garantire la qualità dell'alimentazione elettrica, l'efficienza operativa e l'esperienza dell'utente, e tali apparecchiature hanno un'ampia gamma di punti e hanno requisiti più elevati per il ritardo e la sicurezza della comunicazione.
L'automazione della distribuzione basata su "5G RedCap+Hard Slicing" può supportare una protezione della distribuzione altamente affidabile e, attraverso una trasmissione di rete a bassa latenza e altamente affidabile, può realizzare una rapida localizzazione dei guasti e un ripristino dell'isolamento, un controllo preciso del carico, un monitoraggio video in tempo reale e, in definitiva, raggiungere l'obiettivo di garantire la sicurezza e l'affidabilità della rete elettrica e migliorare la qualità del servizio.
Ricerca sullo sviluppo del settore RedCap
Attualmente, le principali aziende di chip come Qualcomm, MediaTek, Hesi e Zilight Spreadtrum hanno lanciato in successione piattaforme di chip RedCap e aziende come TD Tech, Lierda, Shifted Telecom, CommuniLink e China Mobile Internet of Things (CMIG) hanno rilasciato più di 20 moduli RedCap e più di 30 terminali, come DTU e telecamere, sono stati lanciati sul mercato uno dopo l'altro. Nanrui, Smartcore, Unicom, CMO e altri produttori hanno lanciato una varietà di terminali RedCap dedicati all'energia elettrica e sono stati verificati commercialmente nella rete elettrica. Si prevede che entro la fine del 2024 il costo del modulo RedCap scenderà a meno di 200 RMB e il costo del terminale scenderà a meno di 900 RMB. RedCap guiderà lo sviluppo su larga scala delle applicazioni 5G con il vantaggio economico del terminale, mentre l'upstream e il downstream degli ecosistemi industriali, come i chip, i moduli, i terminali e le applicazioni RedCap, daranno il via allo scoppio di RedCap.