Công nghệ RedCap (5G Lightweight) đạt được mục tiêu tiết kiệm chi phí, giảm mức tiêu thụ điện năng và giảm kích thước thiết bị bằng cách hợp lý hóa khả năng của thiết bị và giảm độ phức tạp, đồng thời vẫn giữ nguyên khả năng gốc của 5G, đạt được sự cân bằng giữa công nghệ và chi phí. Bài báo này nghiên cứu các đặc điểm kỹ thuật của RedCap và các chính sách quốc gia liên quan, kết hợp chúng với các yêu cầu mạng của ngành điện để phân tích các tùy chọn ứng dụng và triển khai của RedCap trong các kịch bản khác nhau của ngành điện, đồng thời thảo luận về tiềm năng phát triển của công nghệ RedCap và các chiến lược triển khai của nhà khai thác.
Tính năng của công nghệ 5G RedCap
Nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của 5G trong lĩnh vực IoT, vào tháng 6 năm 2022, 3GPP đã đóng băng phiên bản chuẩn 5G R17, giới thiệu công nghệ 5G RedCap, đáp ứng nhu cầu kết nối của IoT tốc độ trung bình và cao bằng cách điều chỉnh khả năng của thiết bị và giảm độ phức tạp, đồng thời hiện thực hóa mục tiêu giảm chi phí, thu nhỏ kích thước và giảm mức tiêu thụ điện năng.
So với 5G NR, RedCap đã được đơn giản hóa về mặt băng thông phổ, ăng-ten, mức tiêu thụ điện năng, điều chế, v.v. (như thể hiện trong Bảng 1.) Băng thông của RedCap trong băng tần FR1 đã giảm từ 100MHz xuống 20MHz, số lượng ăng-ten phát và thu đã giảm từ 4 ăng-ten thông thường xuống 2 hoặc 1 ăng-ten và số lượng tối đa các lớp MIMO đường xuống đã giảm, giúp giảm yêu cầu về dung lượng của bộ thu phát RF đầu cuối và mô-đun xử lý băng tần cơ sở. Đồng thời, điều chế bậc cao nhất của RedCap đã giảm từ mức tối đa 256QAM đường xuống xuống 64QAM, FDD song công toàn phần được giảm xuống chế độ bán song công và các khả năng như CA (Tổng hợp sóng mang), MR-DC (Kết nối kép) và DAPS (Ngăn xếp giao thức kích hoạt kép) được cắt xén để giảm thêm độ phức tạp trong thiết kế và chi phí của thiết bị đầu cuối. Ngoài ra, RedCap còn giới thiệu các công nghệ eDRX (tiếp nhận không liên tục mở rộng) và RRM (cơ chế nới lỏng phép đo) để đáp ứng các yêu cầu về công suất thấp của IoT.
Trong khi đơn giản hóa các khả năng của mình, RedCap vẫn giữ nguyên các khả năng gốc dành riêng cho 5G, bao gồm điện toán biên, phân chia 5G, LAN 5G, độ trễ thấp 5G, định vị 5G, thời gian chính xác 5G và các tính năng khác, có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất mạng của Internet công nghiệp, giám sát video, lưới điện thông minh, Viễn thông và các ứng dụng công nghiệp khác.
So với 5G NR, RedCap có thể kiểm soát hiệu quả chi phí, giảm mức tiêu thụ điện năng và thu nhỏ kích thước; so với 4G LTE, RedCap có đặc điểm là băng thông lớn 5G và độ trễ thấp, đồng thời đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất, chức năng và chi phí, giúp giải quyết những điểm khó khăn chính của các ứng dụng 5G trong các ngành dọc và cung cấp nhiều khả năng hơn cho việc phát triển các ứng dụng công nghiệp 5G trên quy mô lớn.
Bối cảnh chính sách của RedCap
5G RedCap là công nghệ then chốt để phổ biến các ứng dụng 5G trong lĩnh vực IOT tốc độ trung bình và cao, thúc đẩy hơn nữa quá trình chuyển đổi và nâng cấp các ngành công nghiệp truyền thống được hỗ trợ bởi 5G, cũng như sự hội nhập sâu sắc giữa nền kinh tế số và nền kinh tế thực.
Trung Quốc coi trọng phát triển và ứng dụng 5G RedCap.2023 Vào tháng 10 năm 2023, Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin đã ban hành Thông báo về việc thúc đẩy sự phát triển của Công nghệ 5G nhẹ (RedCap) và Phát triển ứng dụng sáng tạo, trong đó nêu rõ rằng đến năm 2025, năng lực toàn diện của ngành 5G RedCap sẽ được cải thiện đáng kể, các sản phẩm mới và chế độ mới sẽ tiếp tục xuất hiện, quy mô các ứng dụng hội tụ sẽ được nâng cấp và năng lực bảo mật sẽ được tăng cường đồng bộ. Trong đó, phạm vi phủ sóng 5G RedCap sẽ được hiện thực hóa ở các thành phố trên cấp quận trên toàn quốc và số lượng kết nối 5G RedCap sẽ đạt mức tăng trưởng mười triệu.
Để đẩy nhanh quá trình phát triển sáng tạo của 5G và thúc đẩy quá trình thương mại hóa 5G RedCap một cách vững chắc và có trật tự, vào tháng 4 năm 2024, Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin đã ban hành Thông báo về việc thực hiện 5G nhẹ (RedCap) thông qua hành động vào năm 2024, trong đó nêu rõ các công việc trọng tâm trong bảy khía cạnh là tiêu chuẩn, mạng, chip, mô-đun, thiết bị đầu cuối, ứng dụng và bảo đảm, đồng thời đặt nền tảng vững chắc cho việc phổ biến và ứng dụng công nghệ 5G RedCap tại Trung Quốc.
RedCap có thể được sử dụng rộng rãi trong điện năng, an ninh, mạng lưới xe cộ, khai thác kỹ thuật số công nghiệp và các lĩnh vực khác. Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế kỹ thuật số, nhu cầu của ngành đối với 5G RedCap ngày càng tăng cao. Công ty nghiên cứu thị trường Counterpoint Research dự đoán rằng các mô-đun 5G RedCap sẽ chiếm 18% tổng số lô hàng mô-đun IoT di động vào năm 2030. Một công ty khác, IoT Analytics, dự đoán rằng các lô hàng mô-đun IoT hỗ trợ 5G sẽ chiếm 16% thị trường vào năm 2026, với RedCap đóng vai trò chủ chốt.
Dưới sự thúc đẩy kép của chính sách lãnh đạo và nhu cầu thị trường, công nghệ 5G RedCap sẽ ngày càng hoàn thiện, các kịch bản ứng dụng sẽ phong phú hơn, mở ra thời kỳ vàng son phát triển nhanh chóng.
Chương trình thử nghiệm
Bài kiểm tra này áp dụng giải pháp kỹ thuật tích hợp "đầu cuối, mạng và công nghiệp", triển khai các thiết bị đầu cuối 5G RedCap ở phía đầu cuối, kết nối các FTU phân phối (thiết bị đầu cuối giám sát chuyển mạch phân phối), DTU (thiết bị đầu cuối không dây), bộ điều khiển năng lượng và các thiết bị khác; ở phía mạng, các lát mềm 5QI và các lát cứng 1% được dành riêng cho tài nguyên RB đã được mở tương ứng và UPF (chức năng hướng đến người dùng) đặc biệt của vùng điều khiển sản xuất được kết nối với trạm chính và trung tâm giám sát phân phối điện trong vùng điều khiển sản xuất. UPF (chức năng mặt phẳng người dùng) dành riêng cho vùng điều khiển sản xuất để hiện thực hóa kết nối với trạm chính phân phối điện và trung tâm giám sát của vùng điều khiển sản xuất. Thông qua thử nghiệm so sánh các công nghệ khác nhau như RedCap/5G NR, lát mềm/lát cứng, v.v., nó xác minh hoạt động bình thường của các ứng dụng như phân phối ba từ xa, giám sát lưới điện, FA phân tán, v.v. ở phía dịch vụ.
Sau khi xác định được kịch bản thử nghiệm và vị trí, nhà điều hành sẽ chọn một trạm gốc 5G gần đó để bật chức năng RedCap và cấu hình các lát mềm 5QI và các tài nguyên RB được dành riêng cho các lát cứng 1% ở phía mạng. Các nhà thử nghiệm sẽ lắp đặt các thiết bị đầu cuối RedCap nguồn và điều chỉnh các kết nối giữa các thiết bị đầu cuối và các FTU phân phối điện, thiết bị PMU (đơn vị quản lý nguồn) và trạm chính phân phối điện để tiến hành thử nghiệm so sánh dịch vụ.
Kết quả thử nghiệm
Bài kiểm tra bao gồm các bài kiểm tra so sánh thiết bị đầu cuối RedCap với thiết bị đầu cuối 5G NR và thiết bị đầu cuối 4G, phân chia mềm với phân chia cứng, thời gian dịch vụ bận với thời gian nhàn rỗi và các tình huống khác.
1. Loại thử nghiệm: So sánh độ trễ cắt cứng 5G và cắt mềm 5G
Mô hình dịch vụ thử nghiệm: gói tin Ping 255 byte của người dùng đơn lẻ, khoảng thời gian gửi 1 0 0 ms, tổng cộng là 7000.
Kết quả thử nghiệm cho thấy độ trễ trung bình của hard slicing thấp hơn 60% so với soft slicing. Khi dịch vụ mạng 5G bị tắc nghẽn, độ trễ tối đa của hard slicing là 62 ms, có thể khiến độ trễ và độ tin cậy của dịch vụ điện không bị ảnh hưởng; trong khi soft slicing sẽ có độ trễ lớn trong thời gian bận, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.
2. Loại thử nghiệm: So sánh độ trễ 4G và cắt mềm 5G
Kết quả thử nghiệm cho thấy băng thông 4G nhỏ và không có công nghệ cắt lát nên dễ gây tắc nghẽn, dẫn đến mất gói tin và độ trễ lớn. Cắt lát mềm RedCap 5G không bị mất gói tin trong mọi trường hợp và tỷ lệ Ping thành công là 100%.
Thời gian xử lý (bao gồm thời gian ngắt công tắc) của dịch vụ bảo vệ thường xuyên của mạng lưới phân phối được yêu cầu phải Nhỏ hơn hoặc bằng 100ms và xét đến việc có nhiều tầng công tắc hơn trong hệ thống tự động hóa mạng lưới phân phối, yêu cầu chung là thời gian thực hiện dịch vụ phải Nhỏ hơn hoặc bằng 150ms. Như có thể thấy từ kết quả thử nghiệm, tỷ lệ thành công của việc truy cập mạng thiết bị đầu cuối RedCap, tỷ lệ thành công của việc tải dữ liệu lên và tỷ lệ thành công của việc phát lệnh từ xa đều đạt 100% và các chỉ số chính như độ trễ truy cập, tỷ lệ tải lên và tải xuống dữ liệu đều đáp ứng các yêu cầu của sản xuất điện. Độ trễ truy cập, tỷ lệ tải lên, tải xuống dữ liệu và các chỉ số chính khác đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của hoạt động kinh doanh kiểm soát sản xuất điện.
Kịch bản phân phối điện là kịch bản được áp dụng và đại diện nhiều nhất trong khu vực kiểm soát sản xuất điện. Phân tích trên về yêu cầu mạng lưới điện và thử nghiệm dịch vụ đã chứng minh rằng công nghệ 5G RedCap có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu dịch vụ điện.
Kịch bản ngành công nghiệp điện RedCap
Để xây dựng một loại hệ thống điện mới và hiện thực hóa các mục tiêu sản xuất điện sạch và ít carbon, truyền tải và chuyển đổi an toàn và hiệu quả, phân phối điện linh hoạt và đáng tin cậy, sử dụng điện đa dạng và thân thiện, cần có một mạng lưới truyền thông phổ biến, có độ tin cậy cao, bảo mật cao và kinh tế. Công nghệ 5G RedCap có thể tái sử dụng mạng 5G trưởng thành hiện có, phát huy đầy đủ hiệu ứng quy mô mạng và trao quyền cho từng liên kết của hệ thống điện với các tính năng chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp và độ tin cậy cao.
Phát điện năng lượng mới phân tán
Các nguồn năng lượng mới như quang điện và năng lượng gió là sạch và ít carbon, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết và đặc trưng bởi tính ngẫu nhiên và biến động. Khi tỷ lệ sản xuất điện năng lượng mới tiếp tục tăng, mức tiêu thụ lưới điện, khả năng điều tiết đang phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng. Phương pháp điều khiển thủ công truyền thống về vấn đề "gió và ánh sáng bị bỏ rơi" thỉnh thoảng xảy ra, cần phải sử dụng các phương tiện kỹ thuật để điều khiển thông minh. Các trạm năng lượng mới được phân phối rộng rãi và có phạm vi lớn, và chi phí cao và thời gian xây dựng dài của mạng cáp quang có dây đã dẫn đến tỷ lệ điều khiển trạm năng lượng thấp ở một số khu vực.
Dữ liệu lệnh thu thập thông tin và điều khiển của quá trình phát điện PV thường nằm trong khoảng 20k~100kbit/s. Thông qua 5G RedCap để thu thập mọi loại dữ liệu từ bộ biến tần, hộp hội tụ, trạm lưu trữ năng lượng, máy chiếu xạ, thiết bị khí tượng, đồng hồ đo, v.v., trạng thái của các trạm PV có thể được nhận biết theo thời gian thực; thông qua 5G RedCap để kết nối với động cơ từ xa, AGC và các thiết bị khác, có thể thực hiện điều chỉnh và điều khiển từ xa và vận hành và bảo trì thông minh kết nối lưới PV, có thể điều khiển hiệu quả và hiệu suất các trạm PV. Thông qua 5G RedCap, có thể thực hiện điều khiển từ xa và vận hành và bảo trì thông minh, cải thiện hiệu quả hiệu suất phát điện của trạm và tính an toàn của kết nối lưới điện.
Kiểm tra đường dây truyền tải điện
Đường dây truyền tải điện có nhiều điểm và đường dây dài, dễ bị hư hỏng bên ngoài, vật lạ đoản mạch, ăn mòn và đứt sợi, nguy cơ cháy nổ, khói, v.v. Khối lượng công việc kiểm tra thủ công truyền thống, hiệu quả thấp và rủi ro cao. Khối lượng công việc kiểm tra thủ công truyền thống, hiệu quả thấp, rủi ro cao, mỗi người chỉ có thể kiểm tra 10 km hoặc 3 ~ 4 tháp mỗi ngày.
Thông qua mô-đun RedCap 5G gắn trên máy bay không người lái để kiểm tra tự động, có thể nhận dạng thông minh AI trong video kiểm tra, phát hiện kịp thời các đường truyền bị lỏng, đứt, ăn mòn và các bất thường khác trong thời gian thực, sau đó báo động và hiển thị chính xác vị trí lỗi. Mạng chuyên dụng 5G có thể đảm bảo an toàn cho chuyến bay của máy bay không người lái, truyền video kiểm tra theo thời gian thực; Nhận dạng thông minh AI có thể tìm thấy mối nguy hiểm tiềm ẩn bất cứ lúc nào, do đó hiệu quả phát hiện tăng lên gấp nhiều lần. Băng thông cần thiết để điều khiển máy bay không người lái và truyền hình ảnh là 3M ~ 5Mbit / s và độ trễ thời gian nhỏ hơn 100ms, RedCap có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về mạng của mình và mức tiêu thụ điện năng nhỏ, có thể kéo dài thời gian hoạt động của máy bay không người lái. Kiểm tra bằng máy bay không người lái 5G có thể nâng cao hiệu quả kiểm tra và tiết kiệm chi phí kiểm tra.
Vận hành và bảo trì trạm biến áp
Là một nút chính của hệ thống điện, các trạm biến áp là trọng tâm của việc giám sát hoạt động của hệ thống điện. Các trạm biến áp ngoài trời dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết khắc nghiệt và cần phải kiểm tra và giám sát thường xuyên các chỉ số công tơ, vị trí chuyển mạch, nhiệt độ thiết bị và các trạng thái khác. Vì việc kiểm tra trạm biến áp có tính lặp lại nên có thể triển khai rô-bốt điện 5G và camera HD 5G để thực hiện các cuộc kiểm tra thông minh và tự động đối với thiết bị chính, phòng rơle, hộp đầu cuối và các cơ sở khác cũng như môi trường trạm, thay thế nhân viên O&M trong việc thực hiện các cuộc kiểm tra hàng ngày, đo nhiệt độ, chỉ số công tơ và các nhiệm vụ lặp đi lặp lại khác, tạo điều kiện cho nhân viên O&M thực hiện các cuộc kiểm tra không người lái từ xa, do đó cải thiện hiệu quả và giảm rủi ro khi vận hành tại chỗ.
Tự động hóa phân phối điện
Với nhu cầu điện và kinh doanh mới ngày càng tăng, mạng lưới phân phối đang phải đối mặt với các vấn đề như nhu cầu thu thập thông tin lớn, nhiều lỗi ẩn và kiểm tra hàng ngày khó khăn. FA phân phối, PMU phân phối, phân phối ba điều khiển từ xa, trạm thông minh, bảo vệ chênh lệch phân phối và các thiết bị khác chủ yếu chịu trách nhiệm thu thập và cảm biến, định vị lỗi và cô lập và phục hồi mạng lưới phân phối, đây là chìa khóa để đảm bảo chất lượng cung cấp điện, hiệu quả vận hành và trải nghiệm của người dùng và các thiết bị như vậy có nhiều điểm và có yêu cầu cao hơn về độ trễ truyền thông và bảo mật.
Tự động hóa phân phối dựa trên "5G RedCap+Hard Slicing" có thể hỗ trợ bảo vệ phân phối có độ tin cậy cao và thông qua truyền dẫn mạng có độ trễ thấp và độ tin cậy cao, có thể thực hiện xác định vị trí lỗi và phục hồi cô lập nhanh chóng, kiểm soát tải chính xác, giám sát video thời gian thực và cuối cùng đạt được mục tiêu đảm bảo an toàn và độ tin cậy của lưới điện và cải thiện chất lượng dịch vụ.
Nghiên cứu phát triển ngành công nghiệp RedCap
Hiện nay, các công ty chip lớn như Qualcomm, MediaTek, Hesi và Zilight Spreadtrum đã lần lượt ra mắt nền tảng chip RedCap và các công ty như TD Tech, Lierda, Shifted Telecom, CommuniLink và China Mobile Internet of Things (CMIG) đã phát hành hơn 20 mô-đun RedCap và hơn 30 thiết bị đầu cuối, chẳng hạn như DTU và camera, đã lần lượt được tung ra thị trường. Nanrui, Smartcore, Unicom, CMO và các nhà sản xuất khác đã tung ra nhiều loại thiết bị đầu cuối RedCap dành riêng cho điện năng và đã được xác minh thương mại trong lưới điện. Dự kiến đến cuối năm 2024, chi phí của mô-đun RedCap sẽ giảm xuống dưới 200 RMB và chi phí của thiết bị đầu cuối sẽ giảm xuống dưới 900 RMB. RedCap sẽ thúc đẩy sự phát triển quy mô lớn của các ứng dụng 5G với lợi thế về chi phí của thiết bị đầu cuối và các hệ sinh thái công nghiệp thượng nguồn và hạ nguồn, chẳng hạn như chip RedCap, mô-đun, thiết bị đầu cuối và ứng dụng, sẽ mở ra sự bùng nổ của RedCap.