5G R17带来的芯片机会

原创李飞半导体行业观察

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随着5G无线通信的推广，其标准也在不断演进。5G在最初的标准中，定义了三大类应用，即用于高性功能通信场景的大宽带高速互联eMBB，用于可靠低延迟通信的URLLC，以及用于超大通信覆盖面积，主要针对低成本IoT应用的LPWA。这三类应用覆盖并赋能了大量新的应用场景，包括手机、工业、IoT的等等。而在明年即将正式发布的最新5G标准（3GPP Release 17）中，则定义了一种更细化的新5G标准，即Reduced Capacity（RedCap，意为“低容量”），主要针对对于通信带宽有一定需求，但是同时对于成本也有要求的应用场景，例如可穿戴设备。

从标准的定义上来看，5G RedCap最主要的不同包括：

带宽较小：相对于之前的100MHz（FR1）/200MHz (FR2)带宽，RedCap的带宽为20MHz（FR1）/100MHz（FR2）。
调制方式较为简单：RedCap使用64QAM，相比之前的256QAM调制方式来说有显著简化，这意味着无论是射频部分还是基带部分的要求都有所降低。
MIMO简化：RedCap通常只使用单个射频链路，而传统5G需要使用2-4层MIMO

RedCap的带宽虽然较传统5G要小，但是它的码率并不低，其下行和上行码率在单链路20MHz带宽的情况下可达75/50 Mbps。相对地，4G LTE Cat1在使用20MHz带宽的时候，其下行和上行码率则只有10/5Mbps，可见相对于4G LTE Cat1来说，RedCap的数据率仍然有显著提升。

另一方面，相对于传统5G来说，RedCap的链路复杂度和成本则有明显改善。通过简化射频链路数量并简化MIMO和调制方式，RedCap的成本根据3GPP的估计可以减小2-5倍。另外，在RedCap标准中还引入了一些节省功耗的手段（例如延长唤醒间隔），这也将能减小使用RedCap设备的功耗。

5G RedCap带来的新市场机会

如前所述，5G RedCap主要针对的是对于带宽、功耗、成本等需求都基于eMBB和LPWA之间的应用：它的带宽和通信码率低于eMBB，但是远高于LPWA；它的功耗和成本高于LPWA，但是却又远低于eMBB。目前来看，这样的需求介于中间的应用主要是可穿戴设备，以及安防等应用使用的视频监控。

以智能手表为例的可穿戴设备是RedCap的主要目标市场之一。目前，市面上的支持蜂窝通信的可穿戴智能手表中，通常使用LTE（主要用于高端手表例如Apple Watch）或更早的标准（例如3G甚至2G GSM，通常用于中低端手表），但是这样的标准难以满足未来智能手表对于通信速度的需求。例如，目前已经有智能手表支持视频通话，而未来这样的需求可能会越来越多，因此对于蜂窝无线通信的速度会有越来越高的需求，而RedCap所支持的下行75Mbps的码率将能更好地支持类似的多媒体应用。更重要的是，视频通话不仅仅需要较高的下行码率，对于上行码率也有需求，而RedCap在上行码率上拥有相对LTE cat1高达10倍的提升，因此将会成为相关应用较好的选择。

另一方面，可穿戴设备对于复杂度、功耗和成本也有其考量。5G RedCap需要的射频通信链路较为简单，需要的天线数目较传统5G要少，因此能更好地满足可穿戴设备对于尺寸的需求，同时5G RedCap在成本上和功耗上的优势也会给可穿戴设备带来很大帮助。我们认为，随着5G RedCap在可穿戴设备上的推广开，我们会看到以智能手表为代表的的新一代可穿戴设备进一步智能化（例如可以在5G RedCap较高通信码率和较低延迟的支持下运行在云端的人工智能算法）和多媒体化（例如更高质量的视频通话）。

5G RedCap的另一大应用是以安防为代表的的视频监控应用。在这类视频监控应用中，最关键的需求是可靠性以及上行码率，同时对于成本也有一定考量。5G RedCap在提供可靠的通信覆盖的同时，其主要优势在于能提供足够的上行码率（50Mbps可以支持高清视频传输），同时复杂度也相较于之前的方案（LTE Cat 4）大大改善。我们认为，5G RedCap也将会对于各种智能监控，尤其是在大规模野外部署的监控（例如用于智能农业的视频监控），起到很强的助推作用，从而让5G能更好地服务于这些下一代智能行业应用。

芯片竞争格局

5G RedCap将会为5G打开全新的市场，因此可望会成为芯片公司的争夺目标。首先，我们可以大概预估支持5G RedCap的modem芯片的上市时间，为此我们可以参考之前第一版5G标准发布和之后的芯片上市时间：5G第一版标准于2018年第一季度正式发布，而此后modem芯片首发时间大约是2019年第三季度（高通 X50）和第四季度（高通X55，三星 Exynos S5100，联发科Dimensity 700）；而5G RedCap预计于2022年第二季度发布，因此我们估计芯片将于2023年第四季度左右上市，因此我们最早可能会在2024年左右看到使用5G RedCap的可穿戴设备。

在5G RedCap的芯片竞赛中，目前高通是声势最大的。在今年六月底于巴塞罗那举办的世界移动技术大会（Mobile World Congress）中，高通已经展示了其5G RedCap的原型系统。我们估计高通也将延续其在竞争中首先推出X50 5G modem的势头，可能在2023年首先推出支持5G RedCap的modem芯片。

除了高通之外，三星估计也会在5G RedCap芯片竞赛中扮演重要角色。三星的智能手表目前在全球智能手表的市场占有率名列前茅，为了牢牢占据5G智能手表的市场，我们估计三星支持5G RedCap的芯片也将会在2023到2024年搭配其相关产品一起推出。相对而言，目前智能手表出货量最大的苹果是否会使用自研的5G RedCap芯片则存在一定的不确定性。苹果确实在大力发展其自研无线通信芯片团队，但是其5G智能手表是否会首先使用自研的5G RedCap芯片还是会直接采购其他厂商的产品（例如高通），目前的信息还不足够我们做出一个较好的判断。另外，中国台湾地区的联发科预计也将会在相应的时间点推出相应产品。

中国大陆的芯片公司在5G RedCap领域也有很不错的机会。从技术上来说，5G RedCap芯片的复杂度略低，设计门槛总体来说要低于5G eMMB产品，同时需要的半导体工艺节点也不一定要最先进的节点。中国公司同时也有动力去牢牢抓住5G RedCap市场：目前在全球智能手表市场中，华为和三星以8%的份额并列第二，因此我们认为自研5G RedCap芯片对于华为来说将会成为一个能实现差异化竞争的重要砝码。同时，由于5G RedCap需要的射频前端复杂度预期会比传统5G要低，加之目前离正式上市还有3年时间，我们可能可以乐观地估计到2024年华为有机会能推出基于自研芯片加上国产化射频前端方案的5G RedCap智能手表。此外，智能视频监控领域的5G RedCap对于华为来说也将是一个重要的市场，同时由于视频监控对于功耗的需求相对较为宽松，这更加保证华为即使只能使用成熟工艺（例如16nm）也能设计出符合需求的5G RedCap芯片。因此，我们对于华为在5G RedCap芯片领域的前景持较为乐观的态度。除了华为之外，由于5G RedCap的市场很大，中国大陆的其他无线通信芯片公司（例如紫光展锐）和射频前端厂商都有希望在未来推出相关产品，以帮助中国大陆的芯片行业真正在5G终端领域的新兴市场和应用中站稳脚跟，并且逐渐向更高端的市场继续发力。

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