5G RedCap技术在电力行业应用的研究

通信世界网消息（CWW）RedCap（5G轻量化）技术通过精简设备能力和降低复杂度，达到节约成本、降低设备功耗和缩小尺寸等目标，同时保留了5G原生能力，实现了技术和成本的平衡。本文研究了RedCap的技术特性和相关国家政策，并结合电力行业网络需求，分析RedCap在电力行业不同场景的应用和部署方案，探讨了RedCap技术的发展潜力和运营商的部署策略。

5G RedCap技术及政策背景

5G RedCap技术特点

为扩大5G在物联网领域的应用范围，2022年6月，3GPP冻结了5G R17标准版本，引入5G RedCap技术，通过裁剪设备能力和降低复杂度，实现降低成本、缩小尺寸、减少功耗等目标，以此满足中高速物联网的连接需求。

与5G NR相比，RedCap在频谱带宽、天线、功耗、调制等方面都做了简化（如表1所示）。RedCap在FR1频段的带宽从100MHz减少到20MHz，发射和接收天线数量从典型的4天线减少为2天线或1天线，并减少了最大下行MIMO层数，降低了终端RF收发器和基带处理模块的能力要求。同时，RedCap的最高阶调制方式从下行最高256QAM降至64QAM，全双工FDD降到半双工模式，并裁剪了CA（载波聚合）、MR-DC（双连接）、DAPS（双激活协议栈）等能力，进一步降低终端的设计复杂度和成本。另外，RedCap还引入了eDRX（扩展非连续接收）和RRM（测量放松机制）技术，以满足物联网的低功耗需求。

在简化能力的同时，RedCap保留了5G特有的原生能力，包括边缘计算、5G切片、5G LAN、5G低时延、5G定位、5G精准授时等特性，可满足工业互联网、视频监控、智能电网、车联网等行业应用的网络性能需求。

对比5G NR，RedCap可有效控制成本、降低功耗并缩小尺寸；对比4G LTE，RedCap具有5G大带宽、低时延等特性，还在性能、功能与成本上实现平衡，解决了5G在垂直行业应用的关键痛点，为5G行业应用规模发展提供了更多可能。

RedCap政策背景

5G RedCap是5G在中高速物联领域应用普及的关键技术，将进一步推动5G赋能传统产业转型升级、数字经济与实体经济深度融合。

我国高度重视5G RedCap的发展和应用。2023年10月，工业和信息化部发布《关于推进5G轻量化（RedCap）技术演进和应用创新发展的通知》，明确提出，到2025年，5G RedCap产业综合能力显著提升，新产品、新模式不断涌现，融合应用规模上量，安全能力同步增强。其中，全国县级以上城市实现5G RedCap规模覆盖，5GRedCap连接数实现千万级增长。

为加快推动5G创新发展，扎实有序推进5G RedCap商用进程，2024年4月，工业和信息化部发布《关于开展2024年度5G轻量化（RedCap）贯通行动的通知》，明确标准、网络、芯片、模组、终端、应用、保障七方面重点工作，为5G RedCap技术在国内的普及与应用奠定了坚实基础。

RedCap可广泛应用于电力、安防、车联网、工业数采等领域。随着数字经济的快速发展，产业界对5GRedCap的需求日益强烈。市场研究公司Counterpoint Research预测，到2030年，5G RedCap模组将占蜂窝物联网模组总出货量的18%。另一家公司IoT Analytics预测，2026年支持5G的物联网模组出货量将占市场的16%，其中RedCap将发挥关键作用。

在政策引领和市场需求的双重推动下，5G RedCap技术将日趋成熟，应用场景将更加丰富，迎来快速发展的黄金时期。

电力行业需求分析

党的二十大报告提出，“要积极稳妥推进碳达峰碳中和，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系。”建设新型能源体系，核心是推动电力行业清洁低碳转型，构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统。

2023年6月，国家能源局发布的《新型电力系统发展蓝皮书》指出，新型电力系统具备安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合四大重要特征，以新能源为供给主体，以“源网荷储”互动与多能互补为支撑，满足经济社会发展的电力需求，确保能源电力安全。然而，在建设新型电力系统的过程中，电力行业面临一些问题和挑战。

一是光伏、风电等新能源占比不断提高，但新能源易受天气影响，具有间歇性、随机性、波动性等特点，对电网消纳和调节提出了更高要求，需要智能、柔性、灵活的调节手段。

二是市场对电网设备、电力终端、新能源用电的需求呈“爆发式”增长，系统主体多元化、电网形态复杂化、运行方式多样化，给管理与维护带来了更大挑战，迫切需要新兴信息技术保障电网安全高效运行。

三是传统电力调度方式难以完全适应新形势、新业态，调控技术手段、调度机制、信息安全防护等亟待升级。现有调控技术手段无法做到全面可观、可测、可控，而要实现多能互补、“源网荷储”协同的调度模式，需要5G技术助力各环节实现高度数字化、智慧化、网络化的革新升级。

四是电力设施数量众多、分布广，有线网络建设成本高、周期长、维护难，造成电力系统信息感知能力不足，需要构建“泛在化、全覆盖、高安全”的无线网络。

随着5G网络覆盖的不断完善，利用运营商公网专用的方式构建无线电力通信专网成为可能，5G专网不仅能有效降低建设、维护成本，其边缘计算、网络切片、大连接、高安全等特性还能满足电力行业高效灵活、安全隔离等要求。

电力行业主要包括发电、输电、变电、配电及用电五大环节，按业务又分为生产控制大区和管理信息大区，主要应用包括控制类业务、采集类业务、移动应用类业务等，不同场景对网络的时延、带宽、可靠性、安全性等要求不同（如表2所示）。

由表2可以看出，电力通信网业务以小数据包为主，带宽需求为中高速，对时延、可靠性要求较高。对于大部分场景来说，5G NR终端的能力是过剩的，而5G RedCap终端与电力业务需求则高度契合。

目前，国家电网、南方电网已经在部分省市开展5G智能电网的研究和实践。由于电网覆盖广、点位多，终端成本较高成为5G电力专网建设过程的重要痛点。如果使用5G RedCap技术，不仅可以大大降低建网成本，还能满足电力业务对时延、可靠性的要求，因而不失为明智之举。

RedCap电力行业应用验证

为验证RedCap技术在电力场景应用的可行性，2023年国网山东电力在济南进行了电力5G专网的RedCap商用测试，在实际运行的配网现场部署5G RedCap终端，通过多轮对比测试验证RedCap技术是否满足电力生产控制网络需求。

测试方案

本次测试采用“端、网、业”一体化技术方案，在端侧部署5G RedCap终端，连接配电FTU（配电开关监控终端）、DTU（无线终端设备）、能源控制器等设备；在网络侧分别开通了5QI软切片和RB资源预留1%硬切片，接入生产控制大区专用UPF（用户面功能），实现与生产控制大区配电主站和监控中心的连接。通过对RedCap/5GNR、软切片/硬切片等不同技术的对比测试，在业务侧验证配电三遥、电网监控、分布式FA等应用是否正常运行（如图1所示）。

确定测试场景和地点后，运营商选取附近的5G基站开通RedCap功能，并在网络侧分别配置5QI软切片和RB资源预留1%硬切片，测试人员安装电力RedCap终端，调通终端与配电FTU、PMU（电源管理单元）设备以及配电主站的连接，开展业务对比测试。

测试结果

测试内容包括RedCap终端与5GNR终端、4G终端，软切片与硬切片，业务忙时与闲时等多个场景的对比测试。

1.测试类型：5G硬切片与5G软切片时延对比

测试业务模型：单用户Ping 255b y t e s包，1 0 0 m s发包间隔，共发7000个。

测试结果显示，硬切片平均时延比软切片低60%。当5G网络业务拥塞时，硬切片最大时延为62ms，可以使电力业务时延和可靠性不受影响；而软切片在忙时会出现时延较大的情况，影响业务质量。

2.测试类型：5G软切片与4G时延对比

测试结果显示，4G带宽较小，无切片技术，很容易产生拥塞，导致丢包和较大时延。5G RedCap软切片在各个场景下均没有丢包现象，Ping成功率为100%。

配网常规保护业务处理时间（包含开关跳闸时间）要求≤100ms，考虑到配网自动化系统开关级联较多，一般要求业务执行时间≤150ms。通过测试结果可以看出，RedCap终端网络接入成功率、数据上报成功率、远程指令下发成功率均达到100%，接入时延、数据上传、下载速率等关键指标均满足电力生产控制业务的质量要求。

配电场景是电力生产控制大区应用最多、最具代表性的场景。以上电力网络需求分析和业务测试，证明了5G RedCap技术完全可以满足电力业务需求。

RedCap电力行业应用场景

建设新型电力系统，实现发电清洁低碳、输变电安全高效、配电灵活可靠、用电多元友好的目标，需要一张泛在化、高可靠、高安全又兼顾经济性的通信网。5G RedCap技术可复用现有成熟5G网络，发挥网络规模效应，以低成本、低功耗、高可靠等特性赋能电力系统各个环节。

分布式新能源发电

光伏、风电等新能源清洁低碳，但易受天气影响，具有随机性、波动性等特点。随着新能源发电比例的不断提高，电网消纳、调节能力面临严峻挑战。传统人工调控方式下“弃风弃光”问题时有发生，需采用技术手段对其进行智能调控。新能源场站分布广、范围大，有线光纤组网成本高、建设周期较长，导致部分地区场站管控率较低。

光伏发电的信息采集、控制指令数据一般在20k~100kbit/s之间，通过5GRedCap采集逆变器、汇流箱、储能站、辐照仪、气象仪、电表等各类数据，可实时感知光伏场站的状态；通过5GRedCap对接远动机、AGC（自动发电控制）等设备，可实现光伏并网的远程调控和智能运维，有效提高场站的发电效率和并网安全性。

输电线路巡检

电力输电线路点多、线长，易发生外力损坏、异物短路、锈蚀断股、烟火威胁等问题。传统人工巡检工作量大、效率低、危险性高，每人每天只能巡检10千米或3~4座铁塔。

而通过无人机挂载5G RedCap模组进行自动巡检，可实现巡检视频AI智能识别、实时回传，及时发现输电线路松动、脱落、锈蚀等异常情况，进而告警并精准显示故障位置。5G专网能够保证无人机飞行安全、巡检视频实时传递；AI智能识别能够随时发现隐患，使检测效率提高数倍。无人机控制和图像传输所需带宽为3M~5Mbit/s，时延要求小于100ms，RedCap完全可以满足其网络需求，而且功耗较小，可延长无人机续航时间。5G无人机巡检可以提升巡检效率，节约巡检费用。

变电站运维

变电站作为电力系统的关键节点，是电力系统运行监测的重点。室外变电站易受极端天气影响，需定期对表计读数、开关位置、设备温度等状态进行巡检监控。变电站巡检重复性工作较多，可部署5G电力机器人、5G高清摄像头等，对主设备、继保室、端子箱等各类设施及站内环境进行智能自动巡视，代替运维人员开展日常巡视、测温、表计抄录等大量重复性工作，为运维人员开展远程无人巡视创造条件，从而提高工作效率，降低现场作业风险。

配电自动化

随着用电需求和新业务的不断增加，配电网面临信息采集需求大、故障隐患多、日常巡检难等问题。分布式FA、配网PMU、配电三遥、智能台区、配网差动保护等设备主要承担配电网的采集感知、故障定位和隔离恢复等功能，是保障供电质量、运营效率和用户体验的关键，这类设备点多面广，对通信时延和安全性要求较高。

基于“5G RedCap+硬切片”的配电自动化可以支撑高可靠配电保护，通过低时延、高可靠的网络传输，实现故障快速定位与隔离恢复、精准负荷控制、实时视频监控，最终达成保障电网安全可靠、提升服务质量的目标。

用电服务

近年来，随着经济的快速发展，以及新能源汽车、储能装置、智能家居等各种用电需求的涌现，国内用电量不断增长。为提升用电体验和服务质量，用电信息采集、异常监测、负荷控制等能力需要更加灵活、精准。

充分利用5G网络的大连接特性、5G RedCap的性能和成本优势，通过将5G RedCap嵌入采集器、集中器和能源控制器，实时采集用能数据，并高质量传输至业务主站进行处理和分析，实现供电负荷精准营销、调度和管理，科学满足电源侧、电网侧、用户侧不同群体的负荷调控需求。

综上所述，对比5G NR、4G，5GRedCap具有明显优势，可广泛应用于电力控制类、采集类、巡检类等各种业务，助力电力系统数字化、智能化转型。

电力是5G RedCap技术应用的重点行业之一，市场潜力巨大。目前我国光伏、风电等新能源装机总量超10亿千瓦，输配电线路总长超500万千米，变电站4万余座，配电站超30万座，各类用能表计超10亿个。山东、浙江、广东、河南、湖北等省陆续开启电力5G专网建设，平均每省终端需求量为30万~50万套。预计未来3年，RedCap在电力行业的需求将在千万套以上。

电力行业的海量需求，将有力促进RedCap终端的规模量产，加速模组、终端成本下降。电力行业对终端和网络的可靠性、安全性、工业级性能要求，也将促进RedCap模组、终端产业链的高质量发展，进而带动RedCap在其他行业的应用。

RedCap产业发展研究

目前，高通、联发科、海思、紫光展锐等主要芯片企业先后推出RedCap芯片平台，鼎桥、利尔达、移远通信、联通数科、中移物联等企业已发布20多款RedCap模组，30多款DTU、摄像头等终端相继面市。南瑞、智芯、联通数科、中移物联等厂家已经推出了多款电力专用RedCap终端，并先后在电网进行了商用验证。预计2024年底，RedCap模组成本将下降到200元以下，终端成本降到900元以下。RedCap以终端成本优势带动5G应用规模化发展，RedCap芯片、模组、终端、应用等产业生态上下游将迎来爆发期。

运营商部署策略研究

RedCap的发展离不开运营商5G网络的支持。RedCap是5G R17版本定义的新特性，运营商需要对现有5G网络进行升级。据工业和信息化部通报，截至2024年3月底，全国累计建成5G基站364.7万座，已经覆盖所有地级市城区和县城城区，以及95%以上的乡镇和主要行政村。5G基站无需更换硬件，通过软件升级即可支持RedCap功能（包括带宽、天线数、调制阶数、BWP配置、RedCap终端识别等功能）。尽管如此，全网升级RedCap功能的投资仍高达20亿元。

为避免全网升级的巨大投资，在RedCap发展初期，运营商需要根据市场需求制定业务发展路线和网络部署策略。首先，做好潜在市场分析，聚焦与RedCap匹配度较高的能源电力、工业制造、公共安全、智慧城市等领域，制定业务发展规划，根据业务需求完成部分区域开通，打通从前端市场到网络规划、开通、维护的快速响应流程，确保用户体验。

其次，基于以上重点行业和场景，打造RedCap商用标杆案例，凝练重点行业场景应用方案，然后“以点带面”，推动案例复制推广。随着业务发展，推动网络在城市主城区、工业园区等重点场景的连片规模开通，满足工业聚集区、电力行业、城市视频监控、交通执法、水利环保等场景需求。未来随着模组成本的进一步下降，以及车联网、智能穿戴等移动应用的充分发展，最终实现网络从局域、广域到全域的规模开通部署。

在频率配置方面，初期开通3.5G/2.1GHz中频频段的RedCap功能，随着广域业务的发展，推动700M/800M/900MHz等低频网络开通RedCap功能，实现多频组网、广域覆盖。在业务规划方面，受网络覆盖、成本、功耗等限制，RedCap初期以行业应用为主，局域场景优先选择终端成本诉求强且对网络性能要求高的行业场景（如油气行业开采数采、工厂产线数采、AGV物流、园区监控等）。通过重点局域场景的标杆效应和方案积累，形成规模复制能力，进而拓展至更多行业场景，聚焦应用点位多、有线铺设不便的场景（如电力行业配电自动化、集中器、能源控制器等配电用电场景）进行部署。随着应用逐渐成熟、成本逐渐降低，最终实现RedCap在车联网、智能穿戴等领域的广泛应用。

RedCap商业创新研究

5G RedCap的国际标准包括两个技术版本，分别为基于R17版本的RedCap和基于R18版本的eRedCap（RedCap的演进版本）。R18版本将进一步裁剪能力、降低设备复杂度，满足工业传感、电网、智慧城市等低速业务的需求，覆盖4G Cat1/1bis的业务，从而使5G物联网技术体系得到进一步完善。因此，业界也将RedCap技术作为5G-A技术演进的一部分。

RedCap技术应用前景广阔，但对比已经成熟的4G物联网应用，目前RedCap在网络覆盖、芯片模组成本上还不具备优势。回顾4G Cat1的商业成功，是网络覆盖完善（4G基站无需升级）、成本优势明显（模组价格只需20~30元）、场景需求强烈（智能家居、共享经济）、政策驱动等多因素共同作用的结果。因此，要推动RedCap规模应用，产业界还需要在技术、应用、商业、生态等多方面开展探索和创新。

一是加快推进RedCap标准制定与体系构建，例如RedCap在电力、车联网、化工、视频等行业应用的标准，以及RedCap在局域场景、广域场景与5G NR、中低频网络混合组网的标准等。同时，研究RedCap与网络切片、高精度定位、5G LAN等5G原生应用在不同场景结合的应用标准。

二是攻关相关技术，包括RedCap终端识别及接入控制、RedCap终端与非RedCap终端在网络内共存时的接入拥塞、最大工作带宽差异造成的资源碎片化、业务保障策略的变化以及如何降低网络信令开销等，优化RedCap在容量、功耗、安全、网络等方面的性能，筑牢规模应用的基础。

三是开展商业应用创新，结合RedCap独有特点，聚焦5G原生能力，通过资源整合、联合赋能，研发与4G物联网差异化的标准产品，打造商业应用标杆，淬炼5G RedCap行业应用创新方案，加快“终端+网络+平台”全环节的成熟复制。

四是扩大RedCap“朋友圈”，芯片、模组、终端、网络、应用等产业链上下游合作伙伴相互赋能，打造生态共赢体系，以技术赋能应用发展，以应用促进技术成熟，加快RedCap产业链降成本、增产能进程，携手并进，实现5GRedCap规模商用。

2024年是5G RedCap发展的关键一年。随着国家政策的发布和落地、我国5G网络的升级和完善、产业链各方的积极探索和试点以及市场需求的逐渐明确，RedCap已经具备规模商用条件。RedCap在性能、功能与成本上的平衡优势，解决了5G在垂直行业应用的关键痛点，提供了一条新的蜂窝物联网演进路径，将在电力、安防监控、工业、智慧城市、车联网等更多行业得到广泛应用，为千行百业数字化转型提供更多的可能性，为我国数字经济发展注入新动能。

*本文刊载于《通信世界》总第946期

2024年6月25日 第12 期