精簡化5G芯片應用需求、技術要求及標準化研究

摘 要：3GPP R17 RedCap標準于2022年6月凍結，RedCap通過減少帶寬、減少MIMO層數以及放寬下行鏈路調制階數等技術手段，旨在降低5G設備的復雜性和成本，從而使得5G技術能夠更廣泛地應用于垂直行業。到2025年，全國縣級以上城市實現5G RedCap規模覆蓋，5G RedCap連接數實現千萬級增長。但面向電力等行業的RedCap應用，存在場景需求碎片化的特點。精簡化5G芯片遵循3GPP RedCap標準協議，同時針對行業應用需求，對行業定制化功能、性能進行增強。本文從行業用5G終端芯片的角度，調研面向電力、視頻行業的應用需求，研究精簡化5G終端芯片平臺的技術要求并進行標準制定，從而指導精簡化5G終端芯片的研發，促進5G行業應用的規模化發展。

關鍵詞：5G RedCap， 5G 精簡化芯片，5G應用需求，電力通信，標準

0 引 言

2024年，工業和信息化部發布了《關于推進5G輕量化（RedCap）技術演進和應用創新發展的通知》，要求推進5G輕量化芯片技術演進、產品研發、構建豐富的產業生態，實現芯片的低價、高質量供給，降低行業5G應用成本。紫光展銳、翱捷科技、海思、北京智芯等主流芯片企業均已積極投入研發，芯片產品已具備規模化應用的能力。必博半導體、新基訊、無錫摩羅科技等新興芯片企業也啟動了5G輕量化的芯片研發。目前，中國通信標準化協會（CCSA）的行標《RedCap終端設備技術要求》[1]《RedCap通用模組技術要求》[2]已完成制定并報批，《RedCap終端設備測試方法》[3]-[4]也即將完成制定。在此之前，由北京智芯牽頭，海思、翱捷等國內主流芯片廠商共同制定1EyJgd3U04dmdBK/eKrLmg==的5G 應用產業方陣（5G AIA）標準《精簡化5G芯片能力和技術要求》[5]于2023年制定完成并于2024年4月發布，該標準在遵循3GPP標準的同時，更著重考慮了行業適配性功能和增強能力，不僅為行標制定提供了關鍵參考，也為RedCap芯片的研發提供了重要指導。本文調研以電力和視頻為代表的垂直行業的精簡化5G終端芯片應用需求，研究芯片的技術要求，提出適配于行業特殊應用的定制化技術，此外，分析國內外相關的標準化進展，以指導芯片的研發落地。

1 精簡化5G芯片視頻及電力應用需求

視頻和電力是5G RedCap應用的重點行業，市場規模需求都是千萬級別，潛力巨大。視頻和電力行業的海量需求，將有力促進RedCap終端的規模量產，從技術以及經濟性角度看，行業應用場景的規模化5G部署應從終端層面適配化下沉至芯片。5G RedCap芯片既是終端核心技術也是成本的主要組成部分。

1.1 視頻行業典型應用

視頻行業的主要業務集中在上行數據傳輸，對可靠性、抖動、安全性等要求高，對更廣闊更大落差的不同場景的適配能力要求高，主要應用到攝像頭終端上。攝像頭高清化、智能化已成為產業趨勢。5G RedCap可以充分發揮5G大容量優勢，實現多路4K視頻監控并發，AI技術實現快速跟蹤識別，大幅度降低綜合部署成本，實現5G應用成本和性能最佳平衡。

1.1.1 低功耗遠程監控

到2025年我國農業規模占全球比重將超過1/5，對于位于偏遠地區的果園、魚塘、牧場等農牧漁區域，有限網絡面臨著供電和部署的成本問題。但目前5G模塊價格高且功耗大，尤其是在5G信號覆蓋較差區域5G功耗更高，增加了監控設備的供電不足風險。另外，在一些對設備尺寸和功耗有嚴格要求的場景，5G模塊不能適配，因此需要5G RedCap芯片，在提供大帶寬的同時，降低芯片功耗和面積，實現低功耗遠程監控。

1.1.2 大規模超高清接入

我國工業園區占地面積大，導致工業園區數字化系統構建的復雜度和成本很高。比如：電力、石化企業廠區，有線部署施工存在安全隱患，Wi-Fi/4G等傳統無線網絡的可靠性、帶寬和時延無法滿足行業需求。5G RedCap帶寬20MHz，足以支持高清視頻傳輸，接入網絡時，系統會對其進行接入控制與用戶識別，并進行靈活的BWP（bandwidthpart）帶寬策略調整及移動性管理，確保終端高效接入。

1.1.3 人流密集監控

人流密集監控是一種重要的視頻監控技術，它通過使用高清攝像頭和先進的分析軟件來實時監測和分析人流密集區域的人流量、密度和行為等數據。通常使用高清攝像頭捕捉清晰的視頻圖像，然后利用AI算法對視頻流進行分析，實現自動化的軌跡追蹤、人數統計、異常行為檢測等功能，相比于無線網絡，有線網絡的部署需要鋪設電纜，成本較高，在人流密集區域部署有線網絡可能會遇到物理障礙，增加布設難度，并且一旦布線完成，難以進行更改或擴展。5G RedCap終端降低了設備的復雜度和成本，支持高清視頻傳輸，無需復雜布線，部署更加靈活。

1.2 電力行業典型應用

建設新型電力系統，實現清潔低碳安全高效的能源體系構建，需要一張高可靠安全又兼顧經濟性的通信網，提高電力通信的靈活接入能力、業務承載能力、調控可靠能力。5G RedCap在繼承低時延、高可靠、高安全、網絡切片、5G LAN等5G原生能力基礎上，通過減少帶寬、減少MIMO層數以及下行鏈路調制階數等技術手段，降低功耗和成本，可廣泛應用于電力控制類、采集類、巡檢類等各種電力業務場景。

1.2.1 輸電無人機巡檢

該場景主要針對網架之間的輸電線路物理特性檢查，如：彎曲形變、物理損壞等特征，該場景一般用于高壓輸電的野外空曠場景，距離較遠。利用5G通信高速、低時延、安全特點，將巡檢高清視頻實時回傳。實現巡檢任務自動化，航線自動規劃及任務編排，遠程遙控二次精細化巡檢任務，為高強度的輸電線路巡檢工作提供了自動化、智能化、現代化的替代方案。同時，困擾無人機發展的問題，一是電池的續航問題。二是上行帶寬不足的問題，導致視頻及圖像信息無法快速上傳。因此，可以通過5GRedCap技術縮小面積，降低功耗。同時，通過上行帶寬增強技術解決上行帶寬不足問題。

1.2.2 精準負荷控制

電網負荷控制主要包括調度批量負荷控制和營銷負荷控制系統兩種控制模式。傳統配網由于缺少通信網絡支持，切除負荷手段相對簡單粗暴，通常只能切除整條配電線路。基于5G RedCap精準負荷控制系統從業務影響、用戶體驗等角度出發，在低成本低功耗基礎上盡可能降低時延，做到減少對重要用戶的影響。通過精準控制，優先快速切除可中斷非重要負荷，例如：電動汽車充電樁、工廠內部非連續生產的電源等，做到對負荷的快速精準控制。

1.2.3 配網差動保護

配網差動保護是以解決配網保護實際運行中存在的缺乏有效的快速保護和極差配合困難等問題為導向，充分利用5G RedCap技術的大容量、高速率、低延時的特點，為配網線路提供的一種更經濟、更可靠的差動保護。其動作原理是配網差動保護終端比較兩端或多端同時刻電流值，當電流差值超過門限值時判定為故障發生，通過5G技術執行差動保護動作，隔離故障線路并快速切換備用線路。具有原理簡單、動作可靠、可適應多端電源接入等特點，通過在配電網的應用，實現故障區段的快速定位與隔離，提高配電網的供電可靠性。

1.3 精簡化5G芯片應用需求

總結視頻和電力行業的典型應用場景，并通過調研得出對精簡化5G芯片的技術需求如表1所示。

2 精簡化5G芯片技術要求

2.1 芯片總體架構

精簡化5 G 芯片的核心功能包括基帶部分（BB）、射頻收發部分（RF）和其他接口部分。基帶部分主要包括物理層功能、高層協議功能、應用處理功能等。物理層負責基帶信號的處理，比如：編碼、解碼等。高層協議主要實現MAC、RLC、PDCP、RRC、SDAP、NAS等功能。射頻收發部分主要包括射頻收發功能，將射頻信號轉換成基帶信號或者將基帶信號轉換成射頻信號。其他接口部分主要包括用戶接口功能和存儲功能。用戶接口功能可實現芯片與上位機進行通信。芯片的主要功能模塊如圖1所示。

2.2 技術要求

技術要求包括：基本功能要求，增強功能要求，硬件能力要求，接口能力要求，無線射頻要求以及安全要求。

2.2.1 基本功能要求

基本功能要求包括：模式要求，工作頻段要求，帶寬、調制模式、MIMO與速率要求、高層要求、切片功能要求、運營商網絡選擇要求、IP協議棧要求。

2.2.2 增強功能要求

增強功能要求包括：低時延高可靠能力要求，語音能力要求，定位能力要求，授時能力要求，5G LAN 能力要求，SDT 能力要求，網絡感知要求，覆蓋增強要求，UE 節能要求。

2.2.3 硬件能力要求

硬件能力要求包括：系統要求功耗要求，存儲能力，安全系統，溫度范圍。

2.2.4 接口能力要求

接口能力要求包括：外部通信接口、GPIO 接口、AUXADC 接口、調試接口。

2.2.5 安全要求

安全要求包括：認證和密鑰協商、信令和用戶面數據的加密保護、信令和用戶面數據的完整性保護、用戶 ID 的隱私保護、簽約憑證的安全存儲和處理。

2.3 行業制定化要求

對于2.2節的技術要求，在遵循3GPP以及CCSA行標的前提下，針對行業應用需求，進行定制化增強。一方面，對CCSA標準中某些可選項強制為宜選、必選項。另一方面，增加了CCSA標準中沒有定義的技術要求。

2.3.1 可選變宜選、必選的增強技術要求

（1）最大調制階數

精簡化5G芯片應支持上、下行最高調制階數256QAM二選一必選。對于行業業務來說，上行業務的速率要求往往比消費類業務更高。比如：電力視頻監控、輸電線路巡檢場景，要求終端傳輸多路高清圖像、高清視頻等。256QAM相比64QAM可以提升1/3的上行速率，FDD模式下上行峰值速率由90Mbps提升至120Mbps。滿足垂直行業對于高速業務場景需求。

（2）上行免調度傳輸

第一類配置授權的PUSCH傳輸（configuredgrant Type 1）以及第二類配置授權的PUSCH傳輸（configured grant Type 2）要求二選一必選。上行免調度傳輸可以降低上行傳輸時延，對于電力負控、配電等業務場景來說，有助于達到時延小于20ms以內的目標。對于工業控制、遠程醫療等對時延要求較高的場景非常重要。

（3）上行覆蓋增強

PUSCH類型A重復傳輸增強，Msg3 PUSCH重復傳輸必選。由于RedCap對終端天線以及功性能的裁剪，導致上行傳輸能力相比R15 5G終端下降，隨著電路視頻監控、變電站視頻監控、充電樁、地下管廊等新興業務的大量應用，面臨上行覆蓋受限、可靠性無法滿足應用需求等問題，上行覆蓋增強技術支持最大32次重傳。圖2為通過仿真評估得到QPSK調制的重傳性能。

在理想信道估計情況下，重傳次數每增加一倍，誤比特率性能將有3dB增益。32次重傳最大可增加10dB以上的上行鏈路覆蓋預算。

（4） UE節能要求

RRC_INACTIVE態UE擴展DRX（e-DRX）為宜選、PDCCH skipping為可選。節能是行業終端重要的特性之一，對于某些業務場景，非激活態的休眠至關重要。比如：電力抄表，終端大部分時間工作在非激活態或者空閑態，數據傳輸呈現隨機或突發特性。通過仿真得到e-DRX的性能（見圖3）。

業務間隔越長，e-DRX節能效果越明顯，仿真表明采用e-DRX與持續工作相比，能耗節省99%左右。

2.3.2 附加的技術要求

（1）網絡感知要求

宜支持蜂窩網絡狀態獲取，支持蜂窩網絡狀態獲取時的要求如下。

1 ） 應支持周期上報上行速率統計信息用于上行帶寬預測。上報周期可設，設置范圍為（200～1000ms）。上報上行速率統計信息為PDCP層在上報周期中的平均速率（Byte/s）；

2）宜支持獲取當前層二PDCP的實時存數據量信息（Byte）；

3）可選支持獲取上行RB、TB size、MCS信息。

對于視頻業務來說，通過網絡感知獲取帶寬預測數據、層二實時數據量等信息可以動態提前調整視頻編解碼器的調制方式，從而有效保證視頻傳輸質量。

（2）硬件能力要求

提出工作溫度范圍應滿足-30～70℃；存儲溫度范圍應滿足-40～85℃。對于工業級芯片，相對商用芯片更嚴苛的工作溫度和存儲溫度要求。

（3）接口能力要求

除定義支持SPI、USB2.0以及UART等通用接口外，還應支持集成SIM接口控制器，支持USIM/eSIM。對于電力等行業，eSIM一方面可以保證終端與特定運營商的解綁從而保證網絡覆蓋質量，另一方面，通過采用基于eSIM的二次鑒權技術，大大加強了垂直行業5G終端的安全性。

3 5G RedCap標準化情況

3.1 國際情況

國際上，3GPP Rel-17 研究和標準化了 5GRedCap 技術，研究工作于2021年3月完成，標準化工作于2022年6月完成。5G RedCap 標準面向中高速連接場景引入基于 5G 的蜂窩物聯網技術，定義了 5G 輕量化終端設備類型“RedCap”。該技術基于 5G 統一空口，在滿足特定應用需求和一定性能的前提下，通過精簡設備能力和降低設備復雜度的方式，達到削減成本、縮小尺寸、降低功耗和延長電池工作時間等目標。

2019年12月3GPP RAN#86次會議提出 RedCap課題的研究立項提案（RP-193238[6]）。此次會議提出了 5G 輕量級終端的概念，并初步將其命名為“NR Light”。2020年6月3GPP RAN#88次會議明確針對低復雜度 5G 終端進行研究立項并獲得通過，將該輕量級 5G 終端更名為“RedCap”，正式啟動研究工作。研究階段的輸出報告為 TR38.875[7]，報告包括 RAN1、RAN2 的研究內容，其中主要針對終端復雜度降低特性及其帶來的性能影響、節能特性等技術對產業界研究進行了總結。

基于研究階段的評估和討論，2020年12月3GPP RAN#90e 次會議提出針對 RedCap 進行標準立項并通過（RP-202933[8]），從此在3GPP Rel-17正式開啟 5G RedCap 標準化工作。2021年第一季度、第二季度、第三季度和第二季度分別在RAN1、RAN2、RAN3和 RAN4 進行了相關標準化工作。2022年3月完成 RAN1、RAN2、RAN3的標準化工作，2022年6月 完成 RAN4 核心內容的標準化，至此 5G RedCap 的第一版核心規范完成凍結。5G RedCap 標準化的主要內容包括標準化復雜度降低相關的特性，比如：縮減最大帶寬、減少最小接收天線數/天線通道數、降低最大下行MIMO層數、放寬最大調制階數、支持半雙工等；標準化節能相關的增強特性（eDRX 增強和 RRM 測量放松）、RedCap 終端類型的定義、RedCap 終端類型的早期識別和小區接入管理；標準化其他終端能力、RRC參數、RAN4 要求等相關功能。

3GPP 5G RedCap標準工作的完成為全球通信產業提供了 5G RedCap基礎研發依據。

3.2 國內情況

國內，CCSA一直致力于通信領域標準化工作。其下無線通信技術工作委員會（TC5）的移動通信無線工作組（WG9）緊隨 3GPP開展5GRedCap技術研究和行業標準的制定工作。

2021年3月，CCSA TC5WG9 113次會議通過5G RedCap 關鍵技術研究立項，并于2023年8月結題完成研究報告。2022年6月 CCSA TC5WG9 120次會議通過支持 5G RedCap 的基站設備技術要求[9]和測試方法[10]、5G RedCap 終端設備技術要求[1]和測試方法[3-4]立項。2022年12月，CCSA TC5WG9 123次會議通過 5G 輕量化模組技術要求[2]立項。支持5G RedCap 的基站標準《5G數字蜂窩移動通信網6GHz以下頻段基站設備技術要求（第三階段）》和《5G數字蜂窩移動通信網 6GHz以下頻段基站設備測試方法（第三階段）》分別于2024年4月和2024年6月進入報批稿階段。5G RedCap 終端標準《5G數字蜂窩移動通信網 輕量化（RedCap）終端設備技術要求（第一階段）》《5G輕量化通用模組技術要求（第一階段）》分別于2024年4月和2024年6月進入報批稿階段。《輕量化（RedCap）終端設備 測試方法（第一階段）第1部分：功能和網絡兼容性測試》和《輕量化 （RedCap）終端設備測試方法（第一階段）第2部分：一致性測試》目前處于送審稿階段，預計2024年10月提交標準報批稿。

CCSA 制定的 5G RedCap 行業標準初步形成指導我國 5G RedCap 技術與產品研發的完整標準體系，為我國 5GRedCap 終端的設備研發和網絡的升級部署提供指導依據。

5G AIA由北京智芯微電子牽頭制定《精簡化5G芯片能力和技術要求》[5]，于2024年4月發布。該標準在遵循RedCap行標的同時，著重考慮了視頻、電力等行業的應用需求，對行業定制化功能、性能進行了增強。

4 結 語

在今后的5G RedCap芯片研發和應用過程中，產、學、研應緊密協同，進一步調研行業新應用、提煉新需求、優化關鍵技術、持續完善標準，進行標準和產品的循環迭代，最終更好的推動RedCap芯片的規模化應用。

參考文獻

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[2]CCSA TC5WG9#123-022 行業標準項目建議書（基于RedCap的輕量化5G通用模組技術要求（一階段））[Z].

[3]CCSA TC5WG9#120-007 行業標準項目建議書（5G NRRedCap終端設備測試方法 第1部分：功能和網絡兼容性測試）[Z].

[4]CCSA TC5WG9#120-008 行業標準項目建議書（5G NRRedCap終端設備測試方法 第2部分：一致性測試）[Z].

[5]5G A I A 011-2 0 2 4 精簡化5G芯片能力和技術要求[S].2024.

[6]3GPP R P-193238 New SID on suppor t of reduced capability NR devices[S].

[7]3GPP TR 38.875 （v17.0.0） Study on support of reduced capability NR devices[S].

[8]3GPP R P-202933 New WID on support of reduced capability devices[S].

[9]CCSA TC5WG9#120-010 行業標準項目建議書（5G數字蜂窩移動通信網 6GHz以下頻段基站設備技術要求（第三階段））[Z].

[10]CCSA TC5WG9#120-011 行業標準項目建議書（5G數字蜂窩移動通信網6GHz以下頻段基站設備測試方法（第三階段））[Z].