5G RedCap移動通信技術(shù)解析

羅智敏，劉 建

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

RedCap全稱為Reduced Capability（降低能力），是一個相對的概念，即輕量化的5G終端，RedCap主要通過對5G速率等能力進(jìn)行精簡，以便精準(zhǔn)適配中低速物聯(lián)場景，提高設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的性價比，從而可以加快5G物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)5G的規(guī)模化發(fā)展。其標(biāo)準(zhǔn)于2022年6月隨著5G R17標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)而宣告面世，之后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)、技術(shù)驗(yàn)證、終端研發(fā)以及商用預(yù)演階段。

1 RedCap應(yīng)用場景

2022年6月，3 GPP R17協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)被凍結(jié)，5G Redcap技術(shù)被定義為中高速IoT場景。RedCap通過精簡終端天線數(shù)和收發(fā)帶寬，使5G終端設(shè)備的成本可以大幅降低，但又能保留大容量、低時延、高可靠、網(wǎng)絡(luò)切片等5G技術(shù)的原生能力，實(shí)現(xiàn)了性能和成本的最佳平衡。具體需求如表1所示。

表1 RedCap三大應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的需求[1-4]

（1）視頻監(jiān)控。5G的視頻監(jiān)控主要用于城市管理、工業(yè)、農(nóng)業(yè)或各類區(qū)域監(jiān)測場景中，3GPP TR 22.804中描述了視頻監(jiān)控應(yīng)用參考需求：經(jīng)濟(jì)型監(jiān)控速率要求為2～4 Mbps，高端型監(jiān)控速率為7.5～25 Mbps；業(yè)務(wù)時延要求＜500 ms；通信可靠性達(dá)到99%～99.9%。在智慧城市建設(shè)中，5G RedCap視頻監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)對城市各個角落的實(shí)時監(jiān)控和安全防范，提高城市的安全性和治理效率。在智慧工業(yè)領(lǐng)域，5G RedCap視頻監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的實(shí)時監(jiān)控和自動化管理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在智慧交通領(lǐng)域，5G RedCap視頻監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)對交通路況的實(shí)時監(jiān)控和交通誘導(dǎo)，緩解交通擁堵和保障交通安全。

（2）可穿戴設(shè)備。在智能家居領(lǐng)域，用戶可以通過5G RedCap可穿戴設(shè)備遠(yuǎn)程控制各種智能家居設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一鍵操控，提升生活便利性。此外，5G RedCap可穿戴設(shè)備還可以應(yīng)用于智能支付、智能導(dǎo)航等領(lǐng)域，提升用戶的移動生活體驗(yàn)。

（3）工業(yè)無線傳感器。5G網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通特性可提高生產(chǎn)效率，降低維護(hù)成本，同時增強(qiáng)運(yùn)營安全。工業(yè)領(lǐng)域存在大量數(shù)據(jù)采集需求，包括工業(yè)環(huán)境中的壓力傳感器、濕度傳感器、運(yùn)動傳感器、溫度計(jì)、加速度計(jì)、驅(qū)動器等。這類設(shè)備的業(yè)務(wù)不僅包含對低時延、高可靠性有要求，也包含具有相對低端的業(yè)務(wù)，對通信性能的要求高于LPWA（LTE-MTC或NB-IoT），但低于uRLLC和eMBB。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中指標(biāo)速率要求小于2 Mbps，可靠性要求為99.99%，時延要求小于100 ms，電池可續(xù)航幾年。

2 RedCap關(guān)鍵技術(shù)

作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，Redcap的關(guān)鍵技術(shù)主要囊括以下幾個方面：降復(fù)雜性技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、現(xiàn)代技術(shù)和安全技術(shù)。

2.1 RedCap復(fù)雜度降低技術(shù)

通過模塊化設(shè)計(jì)、多傳感器融合和數(shù)據(jù)采集，降低了Redcap的復(fù)雜性。多傳感器融合技術(shù)可以將多個傳感器的數(shù)據(jù)融會在一起，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時降低單個傳感器的精度要求。數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理來提取關(guān)鍵信息，減少數(shù)據(jù)量，降低傳輸成本。

2.1.1 減小帶寬

RedCap經(jīng)由算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)壓縮和緩存管理降低了帶寬消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)效率。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)則通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，減少數(shù)據(jù)量，從而降低帶寬消耗。對于R17版本的RedCap終端，F(xiàn)R1頻段支持的最大信道帶寬減小為20 MHz，F(xiàn)R2可支持的最大信道帶寬減小為100 MHz，終端成本降低估算如表2所示。

表2 減少帶寬的終端設(shè)備成本評估

與4G Cat.4相比，該方案使RedCap終端的帶寬消耗、傳輸延遲和數(shù)據(jù)丟失率分別降低了30%、20%和10%左右，這表明RedCap技術(shù)在降低帶寬消耗和提高網(wǎng)絡(luò)效率方面具有顯著優(yōu)勢。

2.1.2 減少天線數(shù)/MIMO層數(shù)

RedCap是一種5G增強(qiáng)技術(shù)，旨在為中速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供更好的支持。它通過使用更低階的調(diào)制技術(shù)和更小的傳輸塊來降低數(shù)據(jù)速率，同時仍保持網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和低延遲性能。Redcap通過降低數(shù)據(jù)傳輸速率來削減天線數(shù)量，從而降低信號處置的復(fù)雜度。傳統(tǒng)的方法是使用多天線技術(shù)來增加數(shù)據(jù)速率，但這也增加了設(shè)備的復(fù)雜性和成本。RedCap通過使用單個天線或少許天線并優(yōu)化信號傳輸模式來實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸。具體而言，RedCap技術(shù)減少天線數(shù)的方法包括以下方面。

（1）優(yōu)化信號傳輸模式：RedCap利用更有用的信號傳輸模式，這使得在減少天線數(shù)量的同時，仍能夠保持高數(shù)據(jù)速率和低延遲性能。

（2）調(diào)整天線布局：RedCap技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際場景調(diào)整天線布局，如將天線布置在不同的樓層或建筑物上。這可以減少在同一地點(diǎn)使用的天線數(shù)量，降低設(shè)備復(fù)雜性和成本。

通過以上方法，RedCap技術(shù)可以在減少天線數(shù)量的同時提高數(shù)據(jù)傳輸效率。這使得5G技術(shù)在滿足低功耗、低復(fù)雜度設(shè)備需求的同時，能夠提供中高速率、低時延的服務(wù)。

2.1.3 半雙工模式

RedCap半雙工模式的原理是在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，器件可以在同一頻帶上工作，但不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在這種模式下，設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際情況靈活地選擇發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，從而有效地利用頻譜資源，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。5G RedCap半雙工通信模式具有以下優(yōu)勢。

（1）高速率：由于半雙工通信模式允許設(shè)備在同一頻段上進(jìn)行操作，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（2）低能耗：相比于全雙工通信模式，半雙工通信模式可以顯著降低設(shè)備的能耗，延長設(shè)備的續(xù)航時間。

（3）低成本：由于半雙工通信模式只需要使用單天線或少量天線，因此可以降低設(shè)備的成本，使其更具有競爭力。

2.2 RedCap節(jié)能技術(shù)

5G RedCap的節(jié)能技術(shù)原理是，通過引入非連續(xù)接收特性，采用更長的休眠模式，降低了終端設(shè)備的能耗。同時，該技術(shù)采用高能效的硬件和優(yōu)化的軟件算法，降低了通信過程中設(shè)備的能耗。具體來說，5G RedCap使用低功耗處理器和節(jié)能軟件棧，有效降低了設(shè)備在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時的能耗。此外，5G RedCap還采用智能休眠技術(shù)和動態(tài)功率管理技術(shù)，使得設(shè)備在不需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)一步降低了能耗。5G RedCap的節(jié)能技術(shù)具有以下優(yōu)勢。

（1）高能效：經(jīng)由利用高能效的硬件和優(yōu)化的軟件算法，5G RedCap可以明顯降低設(shè)備的能耗，提高設(shè)備的能效比。

（2）低成本：由于5G RedCap只需要使用單天線或少量天線，因此可以降低設(shè)備的成本，使其更具有競爭力。

（3）廣泛應(yīng)用：5G RedCap節(jié)能技術(shù)可用于各種連接設(shè)備，包括智能家居，智能醫(yī)療，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

以智能家居為例，通過5G RedCap實(shí)現(xiàn)的節(jié)能技術(shù)可以使得智能家居設(shè)備在保證通信質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)更低的能耗，從而能夠更長時間地使用，降低了用戶的用電成本。

2.3 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

相比于普通4G網(wǎng)絡(luò)，RedCap采用更高階調(diào)制及解調(diào)技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Я翱煽啃浴Ｍ瑫r，該技術(shù)還引入了更加智能化的信號處理算法，提高了信號的抗干擾能力和穩(wěn)定性。5G網(wǎng)絡(luò)可通過RRC拒絕連接、RRC連接釋放和基于UE的訪問限制機(jī)制等，實(shí)現(xiàn)RedCap特定的訪問限制功能，合理配置網(wǎng)絡(luò)資源，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)超負(fù)載的情況。

2.4 安全性技術(shù)

RedCap采用更安全的數(shù)據(jù)傳輸及加密技術(shù)，以確保資料的安全和私隱。同時，該技術(shù)還引入了更加智能的認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制，提高了終端設(shè)備的安全性和可信性。

3 RedCap性能分析

根據(jù)3GPP協(xié)議，用戶的峰值速率可由式（1）[5]計(jì)算：

由式（1）可得，RedCap速率性能介于LPWA和5G eMBB之間，與4G Cat.4基本持平。在功耗方面，RedCap通過疊加5G相關(guān)節(jié)能技術(shù)，可比4G Cat.4具有更低功耗。同時，RedCap基于5G系統(tǒng)可以按需實(shí)現(xiàn)與5G切片、5G LAN、高精度授時、URLLC等5G增強(qiáng)功能結(jié)合，滿足5G行業(yè)應(yīng)用不同領(lǐng)域的增強(qiáng)需求。

根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)，到2025年，國內(nèi)可穿戴、視頻監(jiān)控及電力行業(yè)終端規(guī)模均可達(dá)千萬量級。因此，RedCap將在很多行業(yè)，如視頻監(jiān)控、智能電力、智能制造，以及AR/VR等消費(fèi)電子類應(yīng)用場景中具備基礎(chǔ)性優(yōu)勢。

4 RedCap發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和展望

RedCap是5G網(wǎng)絡(luò)中具有潛力的應(yīng)用技術(shù)，作為一項(xiàng)新一代的無線通信技術(shù)，從3GPP立項(xiàng)之初就得到了行業(yè)的高度關(guān)注。RedCap具備在5G網(wǎng)絡(luò)中與其他類型的5G終端共存的優(yōu)勢，可基于現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)行功能升級，擴(kuò)展目前的5G應(yīng)用場景及垂直業(yè)務(wù)。以下是RedCap面臨的幾點(diǎn)挑戰(zhàn)。

（1）技術(shù)創(chuàng)新：隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，5G RedCap將會不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，以提供更高的速率、更低的延遲和更大的連接能力。

（2）頻譜管理：隨著無線通信的發(fā)展，頻譜資源的利用變得越來越緊張。未來，各國政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)將加強(qiáng)頻譜管理和優(yōu)化，以確保不同技術(shù)之間的干擾最小化。這將提高5G RedCap頻譜資源使用的發(fā)展水平。

（3）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：5G RedCap作為一項(xiàng)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)，未來將獲得更普遍的利用。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的日益普及，5G RedCap將成為連接這些設(shè)備的重要工具，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

（4）6G時代的到來：雖然5G RedCap目前還在發(fā)展和優(yōu)化階段，但未來的6G時代將會帶來更加先進(jìn)和高效的無線通信技術(shù)。5G RedCap將為6G時代的發(fā)展提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)支持，推動無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。

總之，5G RedCap作為一項(xiàng)無線通信技術(shù)，在發(fā)展過程中面臨著一些挑戰(zhàn)。未來，需要各方共同努力，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、頻譜管理等方面的工作，推動5G RedCap技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為無線通信領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語

RedCap技術(shù)作為一種新一代5G技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在未來的研究中，我們可以進(jìn)一步探索RedCap在智能交通、智能電網(wǎng)等其他領(lǐng)域的利用。同時，也要注意RedCap在現(xiàn)實(shí)利用中存在的問題和挑戰(zhàn)，并采取措施加以解決。展望未來，RedCap將成為移動通信產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵發(fā)展方向之一，之后將逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模商用、連接快速上量、生態(tài)加速成熟，為5G進(jìn)一步規(guī)模化應(yīng)用增添活力。■