RedCap: 5G时代的新蜂窝物联网技术

作者：是德科技5G行业解决方案经理Dylan McGrath

多年来，蜂窝网络行业已经推出了多种无线技术，以推动物联网设备的连接入网。表1中列出的蜂窝物联网技术包括LTE Cat M、扩展覆盖GSM物联网（EC-GSM-IoT）和窄带物联网（NB-IoT）。这些技术的出现都是为了最大限度地降低蜂窝连接的附加成本，让远程无线连接的成本效益最大化。

最新推出的强大的蜂窝物联网技术，有望成为首个能够充分释放5G潜能的蜂窝物联网技术。3GPP R17标准引入了一些增强特性，使得轻量级5G设备或者RedCap设备能够在5G网络上运行。

表1：蜂窝物联网技术对比


顾名思义，5G RedCap设备通过5G网络接入互联网，但是它们并不像智能手机等传统设备以及其他在5G网络上运行的更先进的终端设备一样具备完整的功能（性能）。虽然可穿戴设备、传感器、监控设备和其他物联网设备等RedCap设备并不具备5G技术标准所要求的高吞吐量、大带宽和低时延能力，但是它们通常对功耗和成本有更为严格的限制。RedCap设备将受益于5G的大规模部署，同时利用较少的5G能力即可实现功能与成本和功耗的最佳平衡。

3GPP规范了RedCap设备的三大用例：工业传感器、监控设备和可穿戴设备。3GPP的技术报告（TR38.875版本）规定了每个用例的最大数据速率、端到端（E2E）延迟和服务可用性，如表2所示。

表2：R17标准引入的增强特性包括低成本和低功


RedCap追求成本和性能的平衡

为了降低复杂度、成本和功耗，RedCap设备所需的天线数量比标准5G设备要少。这不仅降低了成本，还减少了多入多出(MIMO)层的最大数量。RedCap设备的下行链路仅支持2×2 MIMO，而上行链路仅支持单入单出。

RedCap设备支持的带宽比标准5G终端设备要低，较低的带宽可以有效降低功率放大器 (PA)的成本。RedCap设备只支持FR1频段的20MHz带宽和FR2频段的100MHz带宽。

表3：RedCap降低成本策略的益处及其实现的成本与性能之间的平衡


3GPP R17为RedCap设备引入的另一个能够降低成本的增强特性是支持半双工FDD传输。虽然半双工FDD通过支持RedCap设备使用转换开关来代替全双工FDD所需的双工器，大幅降低了成本，但它确实存在着一些缺陷。RedCap设备无法同时发送和接收数据。这是因为设备使用半双工FDD也会产生一些问题:
•        将无法在同一组信号集中同时检测下行链路和上行链路调度信息
•        不能在上行链路模式下监测下行链路信息
•        也无法在监测下行链路的同时发送上行链路控制信息

一旦出现冲突，RedCap设备能够根据具体实践来决定采取何种操作。

RedCap的低功耗增强特性

RedCap专门对5G规范进行了一些简化，以提高电源效率，最大限度地降低功耗，并延长RedCap设备的电池使用寿命。例如与完整的5G规范相比，RedCap采用了一种精简的网络监测方案。RedCap减少了设备在物理下行链路控制信道（PDCCH）中监测的盲解码和控制信道单元的数量，从而降低了用于执行这些任务所需的能耗。

RedCap实施的另一项降低功耗的策略就是扩展非连续接收(eDRX)周期。在设备处于非连接态或空闲态时，RedCap可以增加eDRX周期，大幅延长电池的使用寿命。更长的eDRX周期对于固定的无线传感器等特定用例是非常有益的，因为延长eDRX周期需要降低设备的可移动性。（设想一下，一个监测铁轨的无线传感器只需要定期连接到网络上来传输数据。）

此外，对于不处在小区边缘的设备，RedCap还放宽了对无线资源管理（RRM）的要求，并且引入了无线资源控制（RRC）非活动状态，允许终端设备在不切换RRC连接状态的情况下进行小批量的数据传输。这两项增强特性都是为了降低功耗，延长RedCap设备的电池使用寿命。

RedCap设备的复杂性降低

最后，RedCap的增强特性还体现在采取一系列简化措施来降低RedCap设备的复杂性。这些措施也可以降低功耗和设备成本，但它们的主要目的是为了降低设备的复杂性，这样射频元器件便能够匹配外形非常小巧或者具有非常规外形尺寸的设备（例如智能眼镜等可穿戴设备）。

RedCap为降低设备的复杂性所采取的简化措施包括：仅支持单一运营商（不支持运营商聚合），以及支持单一连接，让RedCap设备只能在5G独立模式下运行。RedCap还支持5G功率等级3，它限制了设备的等效各向同性辐射功率 (EIRP)，从而缩小了设备电池的体积。

对5G网络的影响

上述的R17增强特性主要集中在RedCap设备上。但是RedCap的增强特性也对5G网络产生了影响。

RedCap给5G网络带来的最大影响是，在随机接入过程中以及设备保持连接时，网络必须适配RedCap的特定功能。为RedCap引入的新信息元素（IE）让带宽能够根据设备采取的操作进行动态匹配。例如，其中一些新的IE涉及到将RedCap终端设备接入小区或者使用半双工模式的许可。 (一些IE是RedCap设备接入小区的必要条件；当这些IE没有被检测到时，小区将禁止RedCap设备连接，RedCap设备将不得不启动RRC程序以连接到另一个它可以提供对应IE的小区）。

另一个新的IE让固定设备或者处在小区边缘的设备能够应用精简的RedCap技术标准。

一些新的IE则用于支持部分带宽（BWP）配置，它允许灵活地使用频谱，以便根据终端设备的需要自适应动态分配到的带宽，从而降低功耗。低带宽也会影响设备访问网络所使用的随机接入信道(RACH)程序。网络可以为RedCap设备指定一个BWP，或者减少这些设备连接到网络时所需的BWP大小。但是，这一改进给RedCap带来的价值有限，正是由于如上所述，RedCap设备支持的最大带宽为20MHz。

为了让网络能够支持RedCap设备，R17引入的新信令参数和程序要求设备工程师通过检查设备的兼容性来确保连接。5G设备的开发工程师出于调试的目的，还需要用特定的工具检查RedCap参数。

RedCap市场展望

未来几年，5G RedCap设备的落地应用前景一片光明。分析师预测，5G RedCap芯片组将于今年或者2024年问世，第一批商用RedCap设备也将在2025年或者2026年进入市场。2026年之后，随着各个行业以及消费者迫切希望采用支持5G连接的可穿戴设备来进行健康检测或者用于其他应用，商用RedCap设备的市场规模将急剧上升。比如，经济高效的无线传感器将用于工业领域的数据收集和资产追踪，一些监控设备也将用于智慧城市、工厂和其他应用场景。

与所有的蜂窝网络设备一样，5G RedCap设备在推向市场之前需要经过全面的测试，这一点至关重要。采用正确的测试方法对于验证5G RedCap设备的协议合规性和性能而言非常关键。