5G RedCap关键技术研究

摘要：为满足工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备的5G商用需求，3GPP从Rel-17开始开展5G RedCap新技术研究与国际标准制定工作。与eMBB终端相比，RedCap终端具备更低的复杂度/成本、体积更小、续航更强。首先介绍了Rel-17 RedCap的典型应用场景，分析了Rel-17 RedCap关键技术，其次，对RedCap峰值速率进行估算并研究其在不同频段的应用特点，最后对5G RedCap的商用进行了分析和展望。

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引  言

5G在Rel-15/Rel-16定义的三大应用场景包括增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）。随着5G网络大规模商用部署，为了满足工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等中端物联网应用的新需求，3GPP从设备尺寸、能耗、成本等方面，在系统设计和性能指标等方面提出新要求。

a）设备复杂度：对比Rel-15/Rel-16 eMBB 和uRLLC 设备，大幅降低其复杂度和成本。

b）设备尺寸：需满足可穿戴设备对终端尺寸的紧凑型设计要求。

c）部署场景：支持NR全部商用频带，支持FDD和TDD模式［1］。

RedCap（Reduced Capability）即减能力的5G终端，它是5G Rel-17版本定义的新终端类型。在满足5G工业物联网等新应用场景需求的前提下，RedCap技术方案通过简化终端设计复杂度，简化5G系统配置和相应的业务流程，实现降低RedCap终端芯片、模组的成本、降低终端功耗等目的。5G商用网络可以提供满足中低速物联网新应用场景的业务需求，有助于扩展5G的生态系统，让5G得到更广泛的应用。

3GPP Rel-17中RedCap 课题的标准化进程包括SI（Study Item）和WI（Work Item）［2-3］。SI阶段的研究内容包括对RedCap的定义，潜在技术方向的讨论，以及成本评估、覆盖评估、能耗评估等结果，输出报告为3GPP TR 38.875［4］。WI阶段从RedCap降复杂度方案、终端接入限制和终端节能等几个关键技术进行标准制定。此外，Rel-18已启动RedCap的演进项目［5］，对RedCap 采用更小带宽的性能展开评估，进一步增强RedCap的降复杂度方案。

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RedCap典型应用场景

RedCap对标LTE Cat.4，要求下行峰值速率为150Mbit/s、上行峰值速率为50 Mbit/s。3GPP为RedCap定义的典型应用场景包括工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备，其性能要求如下。

a）工业无线传感器。5G商用网络可助力工业数字化转型，增加工业生产的灵活性，5G网络互联互通的特性可提升生产效率，降低维护成本，同时增强运营安全。工业互连的无线设备包括压力传感器、湿度传感器、运动传感器、温度计、加速度计、驱动器等。这类设备的业务不仅包含对时延、可靠性要求较高的uRLLC业务，也包含相对低端的业务，对通信性能的要求高于 LPWA（eMTC或 NB-IoT），但低于 uRLLC和eMBB。系统设计指标速率要求小于2 Mbit/s，可靠性要求为99.99%，端到端时延要求小于100 ms，设备工作时保持静止，电池可续航几年。对于安全相关的传感器，其时延要求较严格，为5~10 ms［6-9］。

b）视频监控。视频监控是智慧城市和工业的重要组成部分。5G视频监控可以更高效地监控城市资源，收集和处理数据，为城市居民提供服务。视频监控的通信需求以上行传输为主，业务时延要求小于500 ms；通信可靠性要求在99%~99.9%。经济型视频监控的速率要求为2~4 Mbit/s，高端型视频监控的速率要求为7.5~25 Mbit/s［6-9］。

c）可穿戴设备。可穿戴设备的应用案例包括智能手表、手环、医疗检测设备、个人防护设备等。这类设备尺寸通常较小，设备的电池续航能力需要满足若干天，下行参考速率为5~50 Mbit/s，上行参考速率为2~5Mbit/s［6-9］。

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Rel-17 RedCap关键技术

Rel-17 RedCap关键技术包括终端降复杂度关键技术，终端接入识别和控制技术以及终端节能技术。

2.1 RedCap降复杂度技术

终端设计复杂度与成本直接相关，从技术实现上降低RedCap复杂度，可直接降低终端设备的成本。3GPP从带宽、天线数、双工方案、调制等多个方面研究降低RedCap终端复杂度技术。

2.1.1 减小带宽

对于R15/R16版本的5G终端，FR1频段支持的最大信道为100 MHz，FR2可支持的最大信道带宽为400MHz。对于Rel-17 RedCap终端，FR1频段支持的最大信道带宽减小为20 MHz，FR2可支持的最大信道带宽减小为100 MHz，终端成本降低估算如表1所示。

表1 减少带宽的终端成本评估

RedCap 终端初始接入带宽可与eMBB终端共享初始带宽分段（BandWidth Part，BWP），但为保证RedCap终端的性能，RedCap终端设计了全新的下行、上行初始BWP技术方案。

对于下行链路，RedCap终端可配置独立的初始下行BWP，其带宽不能大于RedCap最大信道带宽，但可以和其他类型的 UE共享相同的频段资源。3GPP为RedCap UE引入独立初始下行BWP技术，用于初始接入过程中和初始接入之后，允许RedCap UE和其他类型UE使用相同或不同的初始下行资源。考虑到服务小区的多种测量和服务都集中在小区定义SSB（Cell-Defining-SSB，CD-SSB），随着RedCap终端类型的引入，为了避免所有的终端类型都把测量集中在CD-SSB附近的频域资源内，造成资源拥塞，RedCap可支持基于非小区定义SSB（Non Cell-Defining-SSB，NCD-SSB）进行服务小区测量的机制。

对于上行链路，从频域的角度考虑，RedCap UE占用带宽较少，且位置更加灵活，考虑到 RedCap UE的BWP内和两侧将分别配置PRACH资源和PUCCH资源，可能导致eMBB UE上行资源碎片化的问题，严重影响到其峰值速率。3GPP为RedCap UE引入独立初始上行BWP技术，用于初始接入过程中和初始接入之后，允许 RedCap UE 和其他类型UE使用相同或不同的初始上行资源。网络设备可以将RedCap UE 的BWP配置在载波的边缘位置，以避免出现由于RedCap较窄而引起的带宽资源碎片化问题（见图1）。

考虑到Msg4/B的PUCCH使用的资源为初始上行BWP的两侧，即使初始上行BWP配置在载波的边缘，也可能导致FR1频段内有20 MHz的资源被碎片化的问题。因而，当为RedCap UE配置独立初始上行BWP时，网络设备可以配置Msg4/B的PUCCH来实现跳频传输方案，且PUCCH资源可映射到BWP内靠近边缘的一侧。此外，为避免载波边缘PUCCH资源容量受限的问题，RedCap UE可以配置使用频域资源偏移参数，使RedCap UE和其他类型UE的PUCCH在频域资源上不完全重叠。

2.1.2 减少天线数/MIMO层数

终端射频通道是终端成本的重要组成部分。减少RedCap终端的天线数可降低终端射频收发机和基带处理模块的要求，直接降低成本。值得一提的是，随着天线数的减少，RedCap终端可支持的MIMO层数也相应减少，即对于接收天线数为1Rx的RedCap终端，其支持的最大DL MIMO层数为1。对于接收天线数为2Rx的RedCap终端，其支持的最大DL MIMO层数为2。3GPP评估了由于天线数降低以及MIMO层数降低带来的终端成本降低［4］，如表2所示。

表2 减少天线数和MIMO层数的终端成本评估

在标准化制定过程中，对于RedCap在FR1 TDD频段应支持的最小接收天线数是2Rx或1Rx一直是争议的焦点。减少射频通道数可大幅降低终端成本，但同时也将影响终端性能和RedCap终端的业务体验。另一方面，从终端结构上，可穿戴设备等终端尺寸较小，通常采用紧凑型的硬件设计，若放置多根天线，无法满足天线之间最小隔离要求，严重影响性能［10-11］。最终，3GPP Rel-17通过了对于FR1 FDD、FR1 TDD和FR2频段，RedCap可支持的最小接收天线数均为1Rx的方案。

2.1.3 半双工模式

半双工FDD（HD-FDD）方案指终端在不同频率上的数据收发需要在不同时刻进行。与全双工FDD（FD-FDD）相比，半双工FDD可放松对射频前端内的器件要求，采用成本较低的收发天线开关和低通滤波器来替代双工器，进而缩减复杂度/成本。RedCap采用A型HD-FDD模式，可节省约7%的成本。

半双工FDD的引入，为基站调度带来了挑战。NR系统中针对不同的信号存在多种调度方式，包括半静态调度、动态调度等，终端侧可能存在同时进行下行接收和上行发送的需求，即发生碰撞冲突。3GPP将潜在的碰撞冲突归为9个类型，并为每种冲突制定解决方案。

2.1.4 放松调制要求

降低终端的最大调制阶数，可以减少射频与基带处理量，进而降低终端复杂度/成本。RedCap终端的必选方案采用下行最高64QAM的调制阶数，256QAM仅作为可选项。根据3GPP评估，降低调制阶数可带来约6%的终端成本降低。

2.2 RedCap终端识别和访问限制

5G 系统中，RedCap终端将和其他类型的5G终端共享5G网络资源，为避免对存量终端的性能影响，5G网络应具备识别终端类型的能力，且能够限制RedCap终端接入小区。3GPP通过 R17新定义的UE特征组FG 28-1代表R17 RedCap UE，通过UE能力上报，基站可获取RedCap用户类型。此外，RedCap用户支持随机接入过程中的早期识别。对于4步RACH，RedCap终端的早期识别在Msg1和/或Msg3进行。对于2步RACH，RedCap终端的早期识别在Msg A PRACH进行。5G网络可通过RRC拒绝连接、RRC连接释放和基于UE的访问限制机制等，实现RedCap特定的访问限制功能，合理配置网络资源，避免出现网络超负载的情况。

2.3 RedCap节能方案

RedCap课题早期研究主要考虑3种节能技术：减少PDCCH盲检次数、eDRX增强和RRM测量发送。由于SI阶段的评估证明PDCCH监控次数降低会带来PDCCH性能的降低，因此没有采纳减少PDCCH盲检次数的方案，最终只有eDRX增强和RRM测量发送方案被纳入Rel-17 RedCap技术标准。

RedCap的eDRX操作包括终端节电分析、eDRX周期的上下限以及eDRX的机制分析，具体地，针对RedCap的空闲态和非激活态定义eDRX操作；空闲态下的DRX周期最大可扩展到10 485.76 s，最小值为2.56 s；非激活态下 eDRX周期最大可扩展到10.24 s，最小值为2.56 s；当eDRX周期大于10.24 s时，采用寻呼窗机制发送寻呼消息。

RedCap的RRM测量放松机制适用于对邻小区的测量，可支持空闲态、非激活态和连接态，是否启用Rel-17的RRM测量放松机制可由网络决定。Rel-17的增强方案包括引入不同状态下的邻区RRM测量放松方案，增加RRM测量时的可用测量资源，达到提高测量精度，降低能耗的目的。

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RedCap性能分析

根据3GPP协议，用户的峰值速率可由式（1）计算［12］：

（1）

式中：

J — —载波数量

Rmax— —最大编码率，Rmax=948/1 024

———对于第j个载波的最大MIMO层数

Q(j)m — —最大调制阶数

f(j) — —由高层指示的比例因数，取值可设为1 

μ — —子载波间隔［13］

Tμs— —OFDM符号的时间长度

——在带宽和子载波间隔确定后可支持的最大RB数［14-15］

OH（j）— —开销占比

FR1频段下行速率计算的开销可设置为0.14，FR1频段上行速率计算的开销可设置为0.08。针对3.5GHz频段和2.1GHz频段，RedCap峰值速率评估的参数配置如表3所示。

表3 RedCap速率评估参数配置

由此可得，RedCap UE在3.5 GHz频段和 2.1GHz频段的峰值速率如图2所示。从图2可以看出RedCap的峰值速率可以满足工业传感器和视频监控的速率需求。对于可穿戴设备场景，仅有FDD频段可以满足其峰值速率需求，这是因为虽然RedCap用户带宽均为20 MHz，但TDD帧结构的上下行资源配比限制了其峰值速率，令TDD的峰值速率低于FDD频段。对于下行传输，由于天线数不同，1T2R的峰值速率是1T1R的2倍。

用户峰值速率

总体来说，TDD频段和FDD频段引入RedCap各有优势。FDD频段可以达到较高的峰值速率，但5GFDD频段的带宽较窄，当用户数增多的情况下，可能导致网络负载提升。TDD频段虽然峰值速率略低，但也基本可以满足多数场景的需求，且3.5 GHz TDD频段具有100 MHz大带宽，丰富的带宽资源可容纳较多的RedCap用户。此外，实际的商用还应考虑现网中各个频段的商用部署情况、连续覆盖能力等。

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RedCap发展面临的挑战和展望

RedCap是5G网络中富有潜力的应用技术，从3GPP立项之初，即得到了行业的高度关注。RedCap具备在5G网络中与其他类型的5G终端共存的优势，可基于现有5G网络进行功能升级，充分利用5G网络资源，扩展5G的应用场景。

5G RedCap的关键技术可以具备不同的商用进程。首先，应首先实现Rel-17 RedCap最基本的功能特性，如FR1 20MHz带宽、1T2R天线数配置、RedCap终端类型的上报和识别。其次，HD-FDD技术方案在调度功能上实现复杂度较高且可带来的成本增益较少，可在部署的中期实现。对于RedCap节能技术方案，一方面，RedCap设备可采用文中提到的eDRX和RRM测量放松方案，另一方面，3GPP Rel-15~Rel-17制定的其他终端节能技术标准也可纳入考虑。最后，在商用过程中，RedCap可结合5G关键技术，能够体现出5G灵活带宽、上行高并发、低时延、高可靠性、高精度定位等优势。

3GPP Rel-17 RedCap国际标准制定工作已全部完成，预计将随着5G网络的Rel-17技术升级具备商用条件，行业将快速开展试验试点及商用部署，从单用户峰值速率、小区可容纳的最大用户数、与eMBB用户共存时的网络性能变化、终端待机时间等多个角度验证其性能，评估其在不同频段商用的特点，为商用奠定基础。Rel-17可支持的RedCap功能有限，需通过后续的标准化进程，完善技术方案，达到更全面的5G物联网技术支持能力。

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结束语

综上所述，RedCap将5G的应用场景扩展至可穿戴设备等物联网领域，Rel-17 RedCap通过多种技术方案实现RedCap的复杂度及成本降低、终端能耗降低、终端类型识别和网络接入管控的目的。通过理论计算给出了RedCap峰值速率和在不同频段的应用特点。随着3GPP Rel-17版本的冻结，产业界开发的RedCap产品将逐步完善，RedCap的端到端技术验证也即将开展，这将加速推动5G在垂直行业的应用。

▍参考文献

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王璐璐，工程师，硕士，主要从事无线移动通信前沿技术研究、标准制定以及试验验证相关的工作；

曹亘，高级工程师，博士，主要从事无线新技术研究，国际标准/行业标准制定等工作；

韩潇，高级工程师，硕士，主要从事无线移动通信技术标准制定与技术验证相关的工作；

李福昌，教授级高级工程师，博士，主要从事无线新技术研究、管理工作。