تحقق تقنية RedCap (5G Lightweight) أهداف توفير التكاليف وخفض استهلاك الطاقة وتقليل حجم الأجهزة من خلال تبسيط قدرات الأجهزة وتقليل التعقيد، مع الاحتفاظ بقدرات 5G الأصلية، وتحقيق التوازن بين التكنولوجيا والتكلفة. تدرس هذه الورقة الخصائص التقنية لـ RedCap والسياسات الوطنية ذات الصلة، وتجمعها مع متطلبات الشبكة لصناعة الطاقة لتحليل خيارات تطبيق ونشر RedCap في سيناريوهات مختلفة لصناعة الطاقة، وتناقش إمكانات تطوير تقنية RedCap واستراتيجيات النشر للمشغلين.
مميزات تقنية 5G RedCap
من أجل توسيع نطاق تطبيق 5G في مجال إنترنت الأشياء، قامت 3GPP في يونيو 2022 بتجميد الإصدار القياسي 5G R17، والذي يقدم تقنية 5G RedCap، والتي تلبي احتياجات الاتصال لإنترنت الأشياء المتوسطة والعالية السرعة من خلال تخصيص قدرة الجهاز وتقليل التعقيد، وتحقيق أهداف خفض التكلفة وتقليص الحجم وتقليل استهلاك الطاقة.
بالمقارنة مع 5G NR، تم تبسيط RedCap من حيث عرض النطاق الترددي الطيفي والهوائيات واستهلاك الطاقة والتعديل وما إلى ذلك (كما هو موضح في الجدول 1). تم تقليل عرض النطاق الترددي لـ RedCap في نطاق FR1 من 100 ميجا هرتز إلى 20 ميجا هرتز، وتم تقليل عدد هوائيات الإرسال والاستقبال من 4 هوائيات نموذجية إلى 2 أو 1 هوائي، وتم تقليل الحد الأقصى لعدد طبقات MIMO للرابط الهابط، مما يقلل من متطلبات سعة جهاز الإرسال والاستقبال RF الطرفي ووحدة معالجة النطاق الأساسي. في الوقت نفسه، تم تقليل التعديل الأعلى ترتيبًا لـ RedCap من الحد الأقصى 256QAM للرابط الهابط إلى 64QAM، وتم تقليل FDD الكامل إلى وضع نصف المزدوج، وتم اقتصاص القدرات مثل CA (تجميع الناقل) وMR-DC (الاتصال المزدوج) وDAPS (مكدس بروتوكول التنشيط المزدوج) لتقليل تعقيد التصميم وتكلفة الطرفية بشكل أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تقدم RedCap تقنيات eDRX (الاستقبال المتقطع الممتد) وRRM (آلية استرخاء القياس) لتلبية متطلبات الطاقة المنخفضة لإنترنت الأشياء.
في حين تعمل RedCap على تبسيط قدراتها، فإنها تحتفظ بالقدرات الأصلية الخاصة بـ 5G، بما في ذلك الحوسبة الحافة، وتقطيع 5G، وشبكة 5G LAN، ووقت الاستجابة المنخفض 5G، وتحديد موقع 5G، والتوقيت الدقيق 5G والميزات الأخرى، والتي يمكن أن تلبي متطلبات أداء الشبكة للإنترنت الصناعي، ومراقبة الفيديو، والشبكة الذكية، والاتصالات عن بعد وتطبيقات الصناعة الأخرى.
بالمقارنة مع 5G NR، يمكن لـ RedCap التحكم بشكل فعال في التكلفة وتقليل استهلاك الطاقة وتقليص الحجم؛ وبالمقارنة مع 4G LTE، يتميز RedCap بخصائص النطاق الترددي الكبير 5G ووقت الاستجابة المنخفض، ويحقق أيضًا التوازن بين الأداء والوظائف والتكلفة، مما يحل نقاط الألم الرئيسية لتطبيقات 5G في الصناعات الرأسية، ويوفر المزيد من الاحتمالات لتطوير تطبيقات صناعة 5G على نطاق واسع.
خلفية سياسة RedCap
5G RedCap هي تقنية رئيسية لترويج تطبيقات 5G في مجال إنترنت الأشياء المتوسطة والعالية السرعة، والتي من شأنها أن تعزز بشكل أكبر التحول والارتقاء بالصناعات التقليدية المدعومة بتقنية 5G، فضلاً عن التكامل العميق بين الاقتصاد الرقمي والاقتصاد الحقيقي.
تولي الصين أهمية كبيرة لتطوير وتطبيق 5G RedCap.2023 في أكتوبر 2023، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات إشعارًا بشأن تعزيز تطور تقنية 5G خفيفة الوزن (RedCap) والتطوير المبتكر للتطبيقات، والذي طرح صراحةً أنه بحلول عام 2025، سيتم تحسين القدرة الشاملة لصناعة 5G RedCap بشكل كبير، وستستمر المنتجات الجديدة والأوضاع الجديدة في الظهور، وسيتم ترقية نطاق تطبيقات التقارب، وسيتم تعزيز القدرة الأمنية بشكل متزامن. من بينها، سيتم تحقيق تغطية مقياس 5G RedCap في المدن فوق مستوى المقاطعة على مستوى البلاد، وسيحقق عدد اتصالات 5G RedCap نموًا بمقدار عشرة ملايين.
من أجل تسريع التطوير المبتكر لـ 5G وتعزيز العملية التجارية لـ 5G RedCap بطريقة متينة ومنظمة، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات في أبريل 2024 إشعارًا بشأن تنفيذ 5G Lightweight (RedCap) من خلال العمل في عام 2024، والذي يحدد العمل الرئيسي في الجوانب السبعة للمعايير والشبكات والرقائق والوحدات الطرفية والتطبيقات والضمانات، ويضع أساسًا متينًا للترويج لتقنية 5G RedCap وتطبيقها في الصين. وقد وضع هذا أساسًا متينًا لترويج وتطبيق تقنية 5G RedCap في الصين.
يمكن استخدام RedCap على نطاق واسع في الطاقة الكهربائية والأمن وشبكات المركبات والتعدين الرقمي الصناعي وغيرها من المجالات. مع التطور السريع للاقتصاد الرقمي، أصبح طلب الصناعة على 5G RedCap قويًا بشكل متزايد. تتوقع شركة أبحاث السوق Counterpoint Research أن وحدات 5G RedCap ستشكل 18٪ من إجمالي شحنات وحدات إنترنت الأشياء الخلوية بحلول عام 2030. وتتوقع شركة أخرى، IoT Analytics، أن شحنات وحدات إنترنت الأشياء التي تدعم 5G ستشكل 16٪ من السوق في عام 2026، مع لعب RedCap دورًا رئيسيًا.
في ظل الزخم المزدوج المتمثل في قيادة السياسات وطلب السوق، ستصبح تقنية 5G RedCap ناضجة بشكل متزايد، وستكون سيناريوهات التطبيق أكثر وفرة، مما يبشر بفترة ذهبية من التطور السريع.
برنامج الاختبار
يعتمد هذا الاختبار على الحل التقني المتكامل "النهاية والشبكة والصناعة"، ونشر محطات 5G RedCap على الجانب النهائي، وربط وحدات FTU للتوزيع (محطات مراقبة مفتاح التوزيع)، ووحدات DTU (المحطات اللاسلكية)، ووحدات التحكم في الطاقة والمعدات الأخرى؛ على جانب الشبكة، تم فتح شرائح 5QI الناعمة وشرائح RB المحجوزة بنسبة 1% على التوالي، ويتم توصيل وظيفة UPF الخاصة (وظيفة مواجهة المستخدم) لمنطقة التحكم في الإنتاج بالمحطة الرئيسية ومركز مراقبة توزيع الطاقة في منطقة التحكم في الإنتاج. وظيفة UPF (وظيفة مستوى المستخدم) المخصصة لمنطقة التحكم في الإنتاج لتحقيق الاتصال بمحطة توزيع الطاقة الرئيسية ومركز مراقبة منطقة التحكم في الإنتاج. من خلال اختبار المقارنة لتقنيات مختلفة مثل RedCap/5G NR، والتقطيع الناعم/التقطيع الصلب، وما إلى ذلك، فإنه يتحقق من التشغيل العادي للتطبيقات مثل التوزيع عن بعد بثلاثة أجهزة، ومراقبة الشبكة، وFA الموزعة، وما إلى ذلك على جانب الخدمة.
بعد تحديد سيناريو الاختبار والموقع، يختار المشغل محطة أساسية 5G قريبة لتشغيل وظيفة RedCap، ويقوم بتكوين شرائح 5QI الناعمة وموارد RB المحجوزة بنسبة 1% من الشرائح الصلبة على جانب الشبكة، على التوالي. يقوم المختبرون بتثبيت محطات الطاقة RedCap، وضبط الاتصالات بين المحطات ووحدات توزيع الطاقة FTUs وPMUs (وحدات إدارة الطاقة) ومحطة توزيع الطاقة الرئيسية لإجراء اختبار مقارنة الخدمة.
نتائج الاختبار
يتضمن الاختبار اختبارات مقارنة لمحطة RedCap مع محطة 5G NR ومحطة 4G، والتقطيع الناعم مع التقطيع الصعب، ووقت الخدمة المزدحم مع وقت الخمول وغيرها من السيناريوهات.
1. نوع الاختبار: مقارنة تأخير التقطيع الصلب 5G والتقطيع الناعم 5G
نموذج خدمة الاختبار: مستخدم واحد يرسل 255 بايت من الحزم، وفترة إرسال 1 0 0 مللي ثانية، بإجمالي 7000.
تظهر نتائج الاختبار أن متوسط تأخير التقطيع الصلب أقل بنسبة 60% من التقطيع الناعم. عندما تكون خدمة شبكة 5G مزدحمة، فإن أقصى تأخير للتقطيع الصلب هو 62 مللي ثانية، مما قد يجعل تأخير خدمة الطاقة والموثوقية غير متأثرين؛ بينما سيكون للتقطيع الناعم تأخير كبير أثناء وقت الانشغال، مما يؤثر على جودة الخدمة.
2. نوع الاختبار: مقارنة التقطيع الناعم لشبكة 5G والتأخير لشبكة 4G
تظهر نتائج الاختبار أن عرض النطاق الترددي لشبكة 4G صغير وبدون تقنية التقطيع، من السهل توليد الازدحام، مما يؤدي إلى فقدان الحزمة والتأخير الكبير. لا يوجد فقدان للحزمة في تقنية التقطيع الناعمة 5G RedCap في جميع السيناريوهات، ومعدل نجاح Ping هو 100%.
يجب أن يكون وقت المعالجة (بما في ذلك وقت تعثر المفتاح) لخدمة الحماية المنتظمة لشبكة التوزيع أقل من أو يساوي 100 مللي ثانية، ونظرًا لوجود المزيد من سلاسل المفاتيح في نظام أتمتة شبكة التوزيع، فإن المتطلب العام هو أن يكون وقت تنفيذ الخدمة أقل من أو يساوي 150 مللي ثانية. كما يمكن رؤيته من نتائج الاختبار، فإن معدل نجاح الوصول إلى شبكة محطة RedCap ومعدل نجاح تحميل البيانات ومعدل نجاح إصدار الأوامر عن بعد يصل جميعها إلى 100٪، وتفي المؤشرات الرئيسية مثل تأخير الوصول ومعدل تحميل البيانات وتنزيلها بمتطلبات إنتاج الطاقة الكهربائية. يفي تأخير الوصول وتحميل البيانات ومعدل التنزيل والمؤشرات الرئيسية الأخرى بمتطلبات الجودة لأعمال التحكم في إنتاج الطاقة.
يعد سيناريو توزيع الطاقة هو السيناريو الأكثر تطبيقًا وتمثيلًا في منطقة التحكم في إنتاج الطاقة. أثبت التحليل أعلاه لمتطلبات شبكة الطاقة واختبارات الخدمة أن تقنية 5G RedCap يمكنها تلبية متطلبات خدمة الطاقة بشكل كامل.
سيناريوهات صناعة الطاقة في شركة RedCap
لبناء نوع جديد من نظام الطاقة وتحقيق أهداف توليد الطاقة النظيفة ومنخفضة الكربون، والنقل والتحويل الآمن والفعال، وتوزيع الطاقة المرن والموثوق به، والاستخدام المتنوع والودي للكهرباء، هناك حاجة إلى شبكة اتصالات شاملة وموثوقة للغاية وآمنة للغاية واقتصادية. يمكن لتقنية 5G RedCap إعادة استخدام شبكة 5G الناضجة الحالية، وإعطاء اللعب الكامل لتأثير مقياس الشبكة، وتمكين كل رابط في نظام الطاقة بتكلفة منخفضة واستهلاك منخفض للطاقة وميزات عالية الموثوقية.
توليد الطاقة الجديدة الموزعة
إن مصادر الطاقة الجديدة مثل الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح نظيفة ومنخفضة الكربون، ولكنها عرضة لتأثيرات الطقس وتتميز بالعشوائية والتقلب. ومع استمرار زيادة نسبة توليد الطاقة الجديدة، فإن استهلاك الشبكة وقدرة التنظيم تواجه تحديات خطيرة. تحدث مشكلة "التخلي عن الرياح والضوء" بطريقة التحكم اليدوي التقليدية من وقت لآخر، مما يتطلب استخدام الوسائل التقنية للتحكم الذكي فيها. تنتشر محطات الطاقة الجديدة على نطاق واسع وواسعة النطاق، وقد أدت التكلفة العالية وفترة البناء الطويلة لشبكة الألياف الضوئية السلكية إلى انخفاض معدل التحكم في محطات الطاقة في بعض المناطق.
تتراوح بيانات جمع المعلومات والتحكم في توليد الطاقة الكهروضوئية عمومًا بين 20 ألفًا إلى 100 كيلوبت في الثانية. من خلال 5G RedCap لجمع جميع أنواع البيانات من العاكسات وصناديق التقارب ومحطات تخزين الطاقة وأجهزة الإشعاع والأجهزة الأرصاد الجوية والعدادات وما إلى ذلك، يمكن إدراك حالة محطات الطاقة الكهروضوئية في الوقت الفعلي؛ من خلال 5G RedCap للالتحام بالمحركات عن بعد وأجهزة التحكم التلقائي في المولدات وغيرها من المعدات، يمكن تحقيق التنظيم والتحكم عن بعد والتشغيل والصيانة الذكية لاتصال شبكة الطاقة الكهروضوئية، والتي يمكنها التحكم في محطات الطاقة الكهروضوئية بشكل فعال وكفء. من خلال 5G RedCap، يمكن تحقيق التحكم عن بعد والتشغيل والصيانة الذكية، مما يحسن بشكل فعال من كفاءة توليد الطاقة للمحطة وسلامة اتصال الشبكة.
فحص خطوط نقل الطاقة
تحتوي خطوط نقل الطاقة على العديد من النقاط والخطوط الطويلة، وهي عرضة للتلف الخارجي، وقصر الدائرة بسبب الأجسام الغريبة، والتآكل والخيوط المكسورة، وخطر الحريق والدخان، وما إلى ذلك. عبء عمل التفتيش اليدوي التقليدي، والكفاءة المنخفضة والمخاطر العالية. عبء عمل التفتيش اليدوي التقليدي، والكفاءة المنخفضة، والمخاطر العالية، لا يمكن لكل شخص سوى تفتيش 10 كيلومترات أو 3 إلى 4 أبراج يوميًا.
من خلال وحدة 5G RedCap المثبتة على الطائرات بدون طيار للتفتيش التلقائي، يمكن تحقيق التعرف الذكي على فيديو التفتيش AI، والعودة في الوقت الحقيقي إلى الاكتشاف في الوقت المناسب لخطوط النقل المفكوكة، والمعطلة، والتآكل وغيرها من الشذوذ، ثم التنبيه وعرض موقع الخلل بدقة. يمكن لشبكة 5G المخصصة ضمان سلامة رحلة الطائرة بدون طيار، والنقل في الوقت الحقيقي لفيديو التفتيش؛ يمكن التعرف الذكي على الذكاء الاصطناعي في أي وقت للعثور على خطر مخفي، بحيث تزداد كفاءة الكشف عدة مرات. النطاق الترددي المطلوب للتحكم في الطائرات بدون طيار ونقل الصور هو 3M ~ 5Mbit/s، والتأخير الزمني أقل من 100 مللي ثانية، يمكن لـ RedCap تلبية متطلبات شبكتها بالكامل، واستهلاك الطاقة صغير، مما يمكن أن يطيل وقت تحمل الطائرة بدون طيار. يمكن أن يعزز فحص الطائرات بدون طيار 5G كفاءة التفتيش، ويوفر تكلفة التفتيش.
تشغيل وصيانة محطات الطاقة الفرعية
باعتبارها عقدة رئيسية لنظام الطاقة، تعد محطات الطاقة الفرعية محور مراقبة تشغيل نظام الطاقة. تكون محطات الطاقة الفرعية الخارجية عرضة للطقس القاسي وتتطلب فحصًا ومراقبة منتظمة لقراءات العدادات ومواضع المفاتيح ودرجات حرارة المعدات والحالات الأخرى. نظرًا لأن فحص محطات الطاقة الفرعية متكرر، يمكن نشر روبوتات الطاقة 5G وكاميرات 5G HD لإجراء عمليات تفتيش ذكية وتلقائية للمعدات الرئيسية وغرف التتابع وصناديق المحطات والمرافق الأخرى بالإضافة إلى بيئة المحطة، واستبدال موظفي التشغيل والصيانة في إجراء عمليات التفتيش اليومية وقياس درجة الحرارة وقراءات العدادات والمهام المتكررة الأخرى، مما يخلق الظروف لموظفي التشغيل والصيانة لإجراء عمليات تفتيش بدون طيار عن بعد، وبالتالي تحسين الكفاءة والحد من مخاطر العمليات في الموقع.
أتمتة توزيع الطاقة
مع تزايد الطلب على الكهرباء والأعمال الجديدة، تواجه شبكات التوزيع مشاكل مثل الطلب الكبير على جمع المعلومات، والعديد من الأخطاء الخفية والفحوصات اليومية الصعبة. تعد أجهزة FA الموزعة، وPMU التوزيعية، والتوزيع ثلاثي التحكم عن بعد، والمحطة الذكية، وحماية التفاضلية التوزيعية وغيرها من المعدات مسؤولة بشكل أساسي عن جمع واستشعار وتحديد موقع الخطأ وعزله واسترداده لشبكة التوزيع، وهو المفتاح لضمان جودة إمدادات الطاقة وكفاءة التشغيل وتجربة المستخدم، وتحتوي هذه المعدات على مجموعة واسعة من النقاط، ولديها متطلبات أعلى لتأخير الاتصالات والأمان.
يمكن أن تدعم أتمتة التوزيع القائمة على "5G RedCap+Hard Slicing" حماية التوزيع عالية الموثوقية، ومن خلال نقل الشبكة منخفض الكمون والموثوق به للغاية، يمكنها تحقيق تحديد سريع للأخطاء واستعادة العزلة، والتحكم الدقيق في الحمل، ومراقبة الفيديو في الوقت الفعلي، وتحقيق هدف ضمان سلامة وموثوقية شبكة الطاقة وتحسين جودة الخدمة في النهاية.
أبحاث تطوير الصناعة في ريدكاب
في الوقت الحاضر، أطلقت شركات الرقائق الكبرى مثل Qualcomm وMediaTek وHesi وZilight Spreadtrum على التوالي منصات شرائح RedCap، وأصدرت شركات مثل TD Tech وLierda وShifted Telecom وCommuniLink وChina Mobile Internet of Things (CMIG) أكثر من 20 وحدة RedCap، وتم إطلاق أكثر من 30 محطة، مثل وحدات DTU والكاميرات، في السوق واحدة تلو الأخرى. أطلقت Nanrui وSmartcore وUnicom وCMO وغيرها من الشركات المصنعة مجموعة متنوعة من محطات RedCap المخصصة للطاقة الكهربائية، وتم التحقق منها تجاريًا في شبكة الطاقة. ومن المتوقع أنه بحلول نهاية عام 2024، ستنخفض تكلفة وحدة RedCap إلى أقل من 200 يوان صيني، وستنخفض تكلفة المحطة إلى أقل من 900 يوان صيني. ستقود RedCap التطوير واسع النطاق لتطبيقات 5G مع ميزة التكلفة للمحطة، كما أن المنبع والمصب للأنظمة البيئية الصناعية، مثل رقائق RedCap والوحدات والمحطات والتطبيقات، سوف يؤدي إلى انتشار RedCap.