近日,在2023全球移动宽带论坛期间,华为发布了全球首个全系列5.5G产品解决方案。该系列产品解决方案将通过宽带、多频、多天线、智能、绿色等方面的创新,提供较于5G十倍网络能力,目前已在深圳坂田园区实现技术验证,实现万兆下行、千兆上行、通感一体、低空经济、RedCap和无源物联六大技术场景验证。
那么,什么是5.5G?与5G相比有哪些优势?演进特征是怎样的,发展现状如何?在技术上有哪些创新及应用优势?产业链结构及下游应用领域都有哪些?
来源:投研锋向
01
5.5G概述
1.移动技术历史演进
移动通信技术每代发展的周期大约为10年,从2.5G到5.5G,每一个半代技术相比上一代在速率上都有约10倍的提升,每一次速率的跃变都直接推动了产业的升级。由于移动通信技术迭代周期较长,每一代通信技术性能差异较大,因此业内需要对中间技术也进行命名。类似的,此前GPRS、EDGE、LTE分别被称为2.5G、2.75G和3.9G。
国际电信标准组织3GPP每2年发布Release(版本)来推动移动通信技术演进研究,每一个整数代,大约要经历5-6个Release才会真正成型。5G标准的第一阶段是R15-R17,而5.5G作为5G标准的第二阶段对应的版本是R18-R20。等到R20结束后,6G将于2028-2030年左右登场。5.5G作为5G和6G之间的过渡和衔接,预计约持续5年以上周期。
2.什么是5.5G?
5.5G,也叫5G-Advanced(5G-A),是一种移动通信技术,是5G和6G之间过渡的一个概念。5.5G不改变网络架构,通过改进射频、升级软件、AI赋能赋予5G新的功能。通过将6GHz全面频段下放到5G使用,大幅提升5G频谱带宽,从而进一步提升5G技术的速率、时延和能效。
在5G基础上,5.5G提出下行万兆、上行千兆、千亿连接、内生智能,具体来说,5.5G将实现下行万兆(10Gbps)、上行千兆(1Gbps)的峰值速率,以及毫秒级时延、低成本千亿物联。同时,为了迎合现在越来越热的定位需求(尤其是室内场景),5.5G还重点强调了自己将具备更强的终端感知能力,以及高精定位能力。这些能力意味着5G的能力边缘已经不再仅限于连接技术,超越了狭义通信的范畴。
以Red Cap(Reduced Capability)和无源物联网为代表的低成本千亿连接是5.5G的另一个重头戏。近年针对低速率、多连接的物联网发展迅速,5.5G提出上述两种方案,Red Cap是一种轻量化的5G协议,通过缩减带宽、减少天线数量等方式降低成本和功耗。Red Cap的作用是填补5GNR和NB-IoT之间的空缺,适用于工业物联网、V2X、可穿戴设备等场景。而无源物联网比NB-IoT功耗还要低,是传统RFID近场通讯技术的加强版,终端无需电源,覆盖范围可达200米以上,有望助力物联网不断拓展应用广度和深度。
从投资角度,5.5G是5G的半代升级版本,因此运营商5G基建的资本开支并不会发生显著变化,现有的5G建设节奏有望继续保持较长时间。
3.5.5G演进特征
5.5G呈现出高速率、低时延、广连接、超宽带、实时交互、高精度的演进特征。
华为提出了5.5G网络关键特征——万兆体验、千亿联接及内生智能。在5G传统场景三角的基础上实现eMB空格B(增强移动宽带)/uRLLC(高可靠低延时通信)/mMTC(海量机器类通信)等能力不断增强,同时新增UCBC(上行超宽带)、RTBC(宽带实时交互)和HCS(通信感知融合)三大革命性能力。
(1)eMMB(增强移动宽带)
以人为中心的应用场景,集中表现为超高的传输数据速率,广覆盖下的移动性保证等,它最直观改善移动网速,eMB空格B是面向个人消费市场的核心应用场景。3GPP对5G的速率定义是下行峰值速率1Gbps以上,上行峰值速率500Mbps以上,而5.5G的速率要求达到10Gbps下行速率和1Gbps上行速率,支持千亿联接的物联技术,并在智能化不断创新,实现网络能力再升级。未来,6G将实现超宽速率,传输速率较5G再大幅提升10倍-100倍,峰值网速最高可达100Gbps。
(2)uRLLC(高可靠低延时通信)
主要包含了对网络时延以及可靠性有超常规需求的应用,典型业务主要分布于工厂、电力以及交通等垂直行业领域。而即使是单一的垂直行业,行业内不同的应用也具有不同的网络需求。例如远程医疗手术、远程驾驶、车联网自动驾驶、工业自动化等需要低延时高可靠传输速率的领域提供技术保障。5G空口时延低至1ms(毫秒),为4G的五分之一,可靠性达99.999%。5.5G将延续毫秒级的时延支撑实时交互,并逐渐突破。未来在6G时代,低时延的通信预计将主要集中在机器与机器之间,用以替代传统的有线传输,比如工业互联网的场景等,时延将降为0.1毫秒,是5G的十分之一甚至更低。
(3)mMTC(海量机器类通信)
典型应用包括智慧城市、智能家居等。这类应用对连接密度要求较高,同时呈现行业多样性和差异化。在3GPP的技术文档中,5G对于传感器类的MTC要求100万连接数/平方公里。在6G时代,每人应该至少配有具备直接网络连接能力的1-2部手机、1部手表、若干个贴身的健康监测仪、两个置于鞋底的运动检测仪等,使得连接密度较5G上升了近10倍。因此,6G的最大连接密度可达1亿连接数/平方公里。
(4)UCBC(上行超宽带)
面向消费者的4G、5G网络,下行比上行更重要,但面对各行各业,有些场景上行比下行更重要。UCBC场景在5G能力基线,实现上行带宽能力10倍提升,满足企业生产制造等场景下,机器视觉、海量宽带物联等上传需求,加速千行百业智能化升级。
(5)RTBC(宽带实时交互)
RTBC场景支持大带宽和低交互时延,目标是在给定时延下和一定的可靠性要求下的带宽提升10倍,打造人与虚拟世界交互时的沉浸式体验。
(6)HCS(通信感知融合)
支持通信和感知融合,主要使能的是车联网和无人机两大场景,支撑自动驾驶是关键需求。通过将Massive MIMO的波束扫描技术应用于感知领域,使得HCS场景下既能够提供通信,又能够提供感知。如果延展到室内场景,还可以提供厘米级的高精度、低功耗室内定位服务。
02
5.5G技术梳理
1.超大带宽+ELAA是实现10Gbps的关键
(1)超大带宽频谱是5.5G的基石
5G频谱分为两个区域FR1和FR2,FR就是Frequency Range的意思,即频率范围。FR1的频率范围是450MHz到6GHz,也叫Sub6G(低于6GHz)。FR2的频率范围是24GHz到52GHz,这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的,因此也叫毫米波(mmWave)。FR1的优点是频率低,绕射能力强,覆盖效果好,是当前5G的主用频谱。FR1主要作为基础覆盖频段,最大支持100Mbps的带宽。其中低于3GHz的部分为Sub3G,其余频段称为Cband。FR2的优点是超大带宽,频谱干净,干扰较小,作为5G后续的扩展频率,未来很多高速应用都会基于此段频谱实现,5G高达20Gbps的峰值速率也是基于FR2的超大带宽。因此,5.5G的发展方向需要在网络鲁棒性方面进一步增强,使得FR2在全球范围内得到更为广泛的部署。
(2)为了解决5.5G走向高频段的覆盖挑战,ELAA成为必选
ELAA指的是基于超大孔径阵列(Extremely Large Aperture Array)技术分布式部署的大规模天线阵列(Massive MIMO)。工作原理是在无线通信基站中集成大量天线,从而对不同方位形成独立的窄波束覆盖,实现空间隔离,大幅提高数据吞吐量。ELAA可实现更高频段与C-Band覆盖能力相当,让随时随地10Gbps成为可能。当前华为使用ELAA的Meta AAU已经在30+城市规模商用,6GHz频段也已完成外场验证,O2O/O2I场景下均可实现与C-Band共覆盖,而毫米波在实现10Gbps峰值体验的同时,在5公里仍可实现Gbps以上的体验。
2.上下行解耦持续创新,多频融合实现上行1Gbps
C-Band拥有大带宽,是构建eMB空格B的黄金频段。目前,全球多数运营商已经将C-Band作为5G首选频段。但是,由于C-Band上均使用TDD,5G基站下行功率(200w)远大于手机功率(0.2w),导致C-Band上下行覆盖不平衡,上行覆盖受限成为5.5G部署覆盖范围的瓶颈。同时,随着大规模天线波束赋形、CRS-Free等技术的引入,下行干扰会减小,进一步提升了下行覆盖的范围,C-Band上下行覆盖差距将进一步加大。目前业界主要的解决方案有两种,一种是采用TDD+FDD的上行载波聚合技术(CA),一种是将FDD低频的上行频段做补充的上下行解耦技术。
上下行解耦:重新定义了新的频谱配对方式,使下行数据在C-Band传输,而上行数据在Sub-3G(例如1.8GHz)传输,利用低频衰减慢覆盖好从而提升了上行覆盖。
行业数字化对上行的需求远大于下行,上下行解耦可以根据需求灵活使用不同频段的上下行频谱。对于超大上行需求,一方面充分利用存量FDD频谱,另一方面定义全上行频谱,通过上下行解耦实现多频融合,提供Gbps上行速率。当前,上下行解耦已在煤矿、钢铁等多个场景商用,满足百路高清回传、全景远控等1Gbps上行速率需求。
3.RedCap、NB-IoT、PassiveIoT支撑5.5G千亿联接
Red Cap、NB-IoT、PassiveIoT这三类技术填补三大场景空白
(1)Red Cap
Red Cap(Reduced Capability)是一种5G轻量化技术,它可以降低5G终端芯片和模组的高昂成本,降低设备复杂程度的同时具有最大带宽更窄、调制阶数更低、功耗更低等特点,被业界称为“精简版”5G,实现成本与性能的平衡。Red Cap应用非常广泛,包括智能可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控三大业务场景,预计到2030年全球联接数将达到近百亿。
(2)NB-IoT
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是一种基于蜂窝的窄带物联网技术,也是低功耗广域物联的最佳联接技术。根据华为的数据,所有物联网连接中大约60%左右为低速数据,对业务的要求是速率低、覆盖广、功耗低,需要的是低功耗广域物联,NB-IoT可以很好地承载这些低速数据的基础联接任务,广泛应用于如智能表计、智慧停车、智慧路灯、智慧农业、白色家电等多个方面,是智能时代下的基础联接技术之一。2020年NB-IoT全球连接数超1亿。根据华为的预测,这一技术将在未来五年实现10亿级连接,并持续保持增长趋势,推动物联网设备实现爆发性成长。
现在有几种主流的低功耗广域物联技术,包括NB-IoT,LTE-M,Sigfox和Lora。Sigfox和LoRa的应用主要集中在超低端传感器领域,对可靠性,QoS要求都不高。同时,这两种技术都使用的是非授权频谱,这对运营商而言是个巨大的缺陷。NB-IoT和LTE-M都是基于无线蜂窝技术的,NB-IoT相比LTE-M在成本和覆盖上有明显优势,涵盖了超低端的物联网应用。
(3)PassiveIoT
PassiveIoT(无源物联网)是指连入网络的终端节点设备不接外部电源、不带电池,而是从环境中获取能量,从而支撑起数据感知、无线传输和分布式计算的物联网技术。无源物联网主要是通过能量采集、反向散射通信、低功耗计算三方面技术来实现。其中,能量采集和反向散射通信是无源物联网方案实现的必选技术,部分简单的方案主要是实现传感器数据直接上传,不一定需要太多计算资源。它拥有降低成本、节能环保、产品轻巧的优点,凭借零功耗、小体积等优势,无源物联网可以在工业传感器、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等产业物联网领域以及智能穿戴、智能家居、医疗护理等消费物联网领域有广泛的应用前景。
能量采集技术:无源物联网系统并不意味着无需能量供给就能工作,而是基于自供能的设计,形成长期稳定的能量来源驱动传感器节点感知和通信。自供能主要是通过环境能量采集技术来实现,外界环境中存在着很多能量来源,能量采集技术将其采集并转化为可供传感节点工作的能量,也满足低碳经济的要求。
反向散射通信技术:反向散射通信是利用射频信号反向散射原理,设计出极低功耗的调制与传输技术。从环境获取的能量可驱动感知节点数据传输和无线通信,当前主流的低功耗物联网通信芯片的收发功耗都在数十毫瓦甚至数百毫瓦级别,而环境能量采集获取能量仅有微瓦级,无法驱动这些类型节点工作,目前主流的方式采用反向散射通信技术。
03
5.5G发展现状
1.5.5G全系列产品已发布,2024年有望复刻5G快速0-1过程走向落地
5G从2017年第一个实验基站开通到2019年1月首个正式基站开通仅过了一年半时间,距2019年6月商用牌照发布基站密集建设仅过了两年时间。2023年5月首个5.5G实验基站在北京开通,2023年7月华为发布业界第一个5.5GAAU,并于10月发布全系列产品方案,宣布将于2024年发布5.5G端到端产品,有望推动5.5G快速落地。
2.中国移动浙江公司已在亚运奥体中心和亚运村建设5.5G示范网
当前中国移动浙江公司已经建成5.5G示范网,在杭州亚运会期间使全世界感受到了5.5G的魅力。目前,基于浙江移动的5.5G网络覆盖,钱塘江畔的观澜路在全球率先实现了万兆精品网络的部署,路上的无线网络峰值速率超过10Gbps,移动状态下速率超过5Gbps,相比5G速率提升了十倍,成为全球“网速最快”的公路。
3. 政策顶层引导产业成熟,充分释放5.5G应用潜力
自业界确定5.5G技术趋势以来,本地组网、空天一体、多模态通信、通感一体等成为5.5G技术演进的主要方向。2023年6月27日,工信部发布新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》率先在全球将6GHz频段划分用于5G/6G系统。6GHz频段是中频段仅有的大带宽优质资源,兼顾覆盖和容量优势,充分释放未来5.5G商用潜力。深圳移动与华为成立“下一代网络联合创新中心”,探索5G-A新技术,并在深圳坂田园区完成了基于5G-A技术的全场景样板打造,持续完成应用场景技术验证,探索5G-A新技术的市场空间。
04
5.5G产业链
1.5.5G产业链
5.5G带来的产业链升级主要集中在高频段,为了配合5.5G在高频段拓展的趋势以及在速率、带宽等方面的升级要求,高频段需要做硬件升级。原有5G基站的基础设施及主设备等变化不大,主要是针对垂直应用的建设以及小基站的扩容将一直持续到2030年6G商用的到来。垂直应用的建设主要集中在产业链的上游和产业链的下游,通过芯片及元器件的改进来实现高频段的提升,通过下游配套软件升级以及应用场景的赋能来释放5.5G的潜能。
2.下游应用场景
(1)XR
VR(Virtual Reality):虚拟现实,是指用计算机生成的3D内容,为用户提供关于视觉、听觉等感官来模拟现实,提供沉浸式体验,有极强的“沉浸感”与“临场感”。在VR环境中,使用者不会看到现实世界,完全沉浸在虚拟世界里。通常使用虚拟现实设备,例如耳机、控制器,在环境中进行交互。
AR(Augmented Reality):增强现实,是通过将虚拟元素投射到真实世界,将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成,以实现超越现实的感官体验,强调在保留现实世界的基础上叠加一层虚拟数字信息。与虚拟现实(VR)相比,增强现实(AR)在提供沉浸式体验方面的能力相对有限,利用AR技术,我们可以投射信息,但不能直接与之交互。
MR(Mixed Reality):混合现实,是现实世界与虚拟世界融合,数字和实体并存,而环境中同时包含实体环境与虚拟信息,且具备“实时性”,虚拟信息可以在真实世界中实现实时交互。MR将多种技术结合到一个设备中,然后不断扫描采集我们的周边环境,再将这些采集到的信息与我们的数字信息进行交互。一定程度上来说,MR可以看作是VR和AR的混合体。
XR(Extended Reality):扩展现实,指由计算机技术和可穿戴设备产生的所有真实及虚拟环境的结合以及人机交互。XR是一个总扩性的词汇,包括任何融合现实世界和虚拟世界到技术,包括VR、AR、MR,以及任何融合了物理和数字世界的技术。
以XR为代表的创新业务,已经成为5.5GtoC发展的更大驱动力。XR业务的大规模普及,需要“5.5G+云+终端”协同,XR的实时渲染和3D重建都依赖于5.5G网络的超大宽带和低时延。面向未来,XRPro和元宇宙等应用,将深度融合虚拟世界和现实世界,把现实世界在虚拟世界实时镜像,并通过仿真、计算、反馈后应用到现实世界。此类实时的沉浸式交互应用,需要5.5G能够提供10Gbps速率和毫秒级传输延时。
(2)智能驾驶
今天的汽车即使自身配置了传感器、摄像头、雷达等多种设备,但由于身处复杂道路环境中,视野和感知能力仍然受限,当前以单车智能为主线的汽车自动驾驶被集体卡在了L2级别。随着5G成熟完备并向5.5G持续演进,业界寄望于5.5G网络提供的超大带宽、超低时延和超大规模连接等特性赋能车路协同解决方案“提质增效”,以单车智能+车路协同的方式实现无人驾驶及智慧交通。美国、欧盟、日韩都制定了相应的规划及发展路径。国家智能网联汽车创新中心编制的《智能网联汽车技术路线图2.0》指出,我国要在2025年实现C-V2X终端新车配备率达50%,2030年基本实现普及。
V2X(Vehicle to Everything)作为一种车用无线通信技术,是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术。CV2X(蜂窝(Cellular)V2X)是基于4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术,包含LTE-V2X和5G-V2X。
在4G/LTE时代,受制于自身网络能力局限、车载V2X终端渗透率低、路侧基站覆盖范围不足等因素,C-V2X并未起势,车路协同长期处于初级阶段。进入5G时代后,具备超大带宽、超低时延和超大规模连接能力的5GC-V2X,能够为自动驾驶、精准定位、高精导航、车载娱乐等智能网联汽车典型应用场景下多行业、多维度的数据交互提供全方位的联接能力,协同AI、云计算、物联网等技术为汽车“新四化”发展提速加码,打开了V2X车路协同发展的新天地。而依托“下行万兆、上行千兆、千亿联接”等典型特征,5.5GC-V2X将能够更好的支撑高阶自动驾驶演进升级,提供更加沉浸和交互的实景导航等体验,以及满足乘客的XRPro、全息、3D视频等车载娱乐服务需求,进一步促进人、车、路、云的高效协同,为人们提供更加安全、便捷、舒适的行车体验。
当前C-V2X产业化进程逐步加快,产业链上下游企业已经围绕CV2X形成包括通信芯片、通信模组、终端设备、测试与认证、CA(Certificate Authority,认证中心)安全、应用与平台、整车制造、高精度定位及地图服务等为主导的完整产业生态。
(3)万物智联
全场景物联:基于5.5GRedCap、NB-IoT、无源物联技术能力,5.5G将打开万物互联天花板,通过无源物联技术,5.5G能够实现对环境中的无源设备的感知通信,极大的减少了物联网设备的维护难度,Red Cap能够极大降低中高速物联场景功耗及成本,提升连接数量,通感一体能力赋予物联网设备测速、成像等新能力,结合内生智能能力推动物联网迈向万物智联时代。
经过三年的发展,5G to B已经逐步度过探索期,并在煤矿、港口、医疗等多个行业实现规模复制。中国运营商已经将5G to B作为收入增长的新引擎:2022年5G to B带动超200亿的DICT收入,成为运营商增长速度最快的业务领域。预计到2025年5GtoB收入会超300亿,带动上千亿的DICT收入。迈向5.5G时代,行业数字化发展进入深水区,5.5GtoB将从生产辅助进入工业生产核心环节,需要5.5G网络能力持续提升,并提供大上行、高精度定位等新能力。
各行各业在行业物联上已经进行了大量探索,但由于连接技术呈现碎片化,无法形成规模效应。借助移动产业的规模效应,以5.5G为核心的三类物联技术 Red Cap、NB-IoT、PassiveIoT将实现商业成功。Red Cap已具备商用能力,相比eMB空格B模组功耗低、成本低,打开数十亿的中高速物联新空间;NB-IoT已经成为LPWA市场的主流技术,进入良性发展阶段;PassiveIoT将蜂窝技术和无源标签技术相结合,终端价格低,覆盖距离远,支撑数百亿的无源物联新场景。无线网络的能力还将从联接扩展到感知,基于毫米波高频段实现通信感知一体化,提供测速、测距、成像等新应用。