5G物联网技术之“5G RedCap”

作者：爱集微 2022-02-22

来源：慧智微电子 #慧智微电子#

3.8w

5G里的“RedCap”并不是“红帽子”的意思。

自2019年4月首个5G NR网络推出以来，5G标准已在全球广泛采用。根据GSMA数据显示，到2021年底，全球5G连接数达到6.4亿。然而，大多数5G连接主要集中在消费者智能手机和固定无线接入（FWA）产品上。与智能手机采用5G相比，物联网（IoT）采用5G的速度一直相对缓慢。下图为TSR公布的非手机物联网出货统计及预测，可以看到自2021年之后，5G物联网才开始有较明显的出货[1]。

图：非手机蜂窝物联网出货（以协议划分）[1]

与智能手机所处的eMBB（增强移动宽带）场景不同，许多物联网应用并不需要大带宽性能。相反，不少用例要求比5G eMBB场景更小的带宽、更低的功耗，以及更低的成本。

为了支持这一场景物联网设备使用，第三代伙伴计划协议（3GPP）一直在开发一种名为轻型版5G标准：5G RedCap（5G Reduced Capability），以满足物联网这一需求。

5G RedCap究竟是什么？为什么开发5G RedCap？5G RedCap商用的时间点是什么？带着以上问题，本文将对物联网5G RedCap技术及应用展开介绍。

什么是5G RedCap

5G RedCap指的是3GPP所提出的5G 标准，与之前发布的5G标准相比，功能更加精简。5G RedCap于2019年6月首次被纳入3GPP Release17研究项目 [2]。

5G RedCap最早被称之为“低复杂度NR设备”，之后曾被命名为NR-lite、NR-light或IWSN（工业无线传感网络）。在现在大多数3GPP文档中，这个术语被标准化为“5G RedCap NR”，也就是5G Reduced Capability NR。

为什么是5G RedCap

从当前5G覆盖的业务场景来看， 5G定义了三大场景：主要针对大带宽应用的eMBB场景，主要针对高可靠超低时延应用的URLLC场景，主要针对低速率、大连接的物联网应用的mMTC场景。

5G应用场景的定义看似全面，但其实一些场景需求依然没有覆盖到。如：

工业无线传感网：要求对于通信服务可靠性达99.99%，端到端时延小于100ms，但对于速率的要求不高；

可穿戴设备应用：对于速率的要求下行在150Mbps，上行最高50Mbps，属于中高速率要求，但是对于功耗、设备电池使用时长及尺寸等有高要求，需要整体方案足够精简。

显然，以上用例对于通信能力的要求要高于NB-IoT/Cat-M，但要低于eMBB和URLLC，并且方案需要足够简化。于是，针对这些物联网应用，3GPP着手定义“精简版”5G场景，即5GRedCap。

图：5G技术方案能力对比

5G RedCap的定义还有一个因素是来自于成本的考量，5G物联网要普及开来，就需要把终端价格降下来。当前市面上5G模组价格在大几百甚至上千元，价格因素成为5G模组大规模部署的阻力。

把一些不必要的功能去掉就可以带来模组价格的降低。2021年12月中国移动召开移动物联网研讨会，其会议主题就是关于5G模组成本优化演进，重点提到了5G RedCap的规划和布局，即利用5G Rel-17协议中的RedCap新功能助力模组终端成本优化[3]。根据预测，5G RedCap的模组价格未来会控制在100~200元（人民币）之间，相较于当前5G模组近1000元人民币的单价有明显的降低。

综上，5G RedCap背后的基本想法是：为物联网应用定义一种新的、不那么复杂的NR设备，它可以提供比LTE Cat-M和NB-IoT更快的数据传输速度，但又比现在部署的传统5G NR设备简单便宜得多。一句话：够用就好。

此外，3GPP RedCap工作项目组正在努力复用当前5G基站硬件的规范制定，同时为RedCap设备提供与5G NR设备相同的覆盖范围。其目标是使RedCap设备易于部署，只要基于对现有移动网络运营商（MNOs）NR网络进行软件升级，就能够为RedCap设备提供连接。

5G RedCap有什么不同

根据最新3GPP Release17协议标准，5G RedCap在降低设备复杂度、降低成本方面主要有以下几个功能特点：

· 最大带宽更窄

· 下行接收分支数更少

· 最大MIMO层数更少

· 调制阶数更低

· 双工方式支持半双工

· 功耗更低

下表总结了5G RedCap设备与传统Release 15 NR设备的支持能力的对比：

带宽的减少、上下行MIMO层数的减小以及最大下行链路调制阶数的减小都有助于降低基带复杂度。减少TX/RX上下行天线数量，并允许在FDD频段支持HD-FDD半双工工作模式，有助于降低天线和前端射频器件的成本。下面将详细地描述这些减少的功能特性。

支持带宽：传统5G设备需要在FR1频率范围内最大支持100MHz信号带宽，在FR2频段内最大支持200MHz 信号带宽。而对于RedCap，最大支持信号带宽分别减少到20MHz和100MHz。带宽减小降低了系统复杂度，然而这种带宽的减少并不影响5G RedCap对于网络的接入，也最大限度地减少了对网络和设备部署的影响。

最小接收分支数：接收分支数可以理解成接收天线数量。通过减少接收分支的数量，可以减少接收天线的数量，节约成本。接收天线的最小个数要求与频段有关：在FR1频段，对于传统NR设备需要配置至少2个或4个接收天线，RedCap设备只需要配置1个或2个接收天线。在FR2频段，对于传统NR设备需要配置至少2个接收天线，RedCap设备只需要配置1个接收天线。

最大下行MIMO层数：RedCap设备支持的下行MIMO层数是和天线数量相关的，最大能够支持的下行MIMO层数等于天线数量。接收天线数量的减小相应也降低了最大下行MIMO层数的能力，带来了基带信号处理复杂度的降低。

最大调制阶数：在FR1频段，传统NR设备需要支持下行256QAM。对于RedCap设备，当前要求最大支持64QAM调制方式。

双工方式：5G RedCap对于TDD频段要求还是一样的，主要在FDD频段要求有所放松。在FDD频段，传统NR设备需要支持FDD频段内的全双工（Full duplex FDD，FD-FDD）工作模式，前端需要采用双工器（Duplexer）来实现收发同时工作。对于RedCap设备，FD-FDD的支持是可选的，可以采用半双工（Half duplex FDD，HD-FDD）的工作方式，这样射频前端就省去了双工滤波器的需要，可以采用开关进行收发的切换。

功耗：Rel-17在RRC控制，空闲和非活动模式中增加了对功耗优化的增强技术，这一点在5G RecCap中同样也有体现，例如在低移动设备中放宽监控机制，采用增强型非连续接收（eDRX），减少寻呼（Paging）周期，达到降低终端功耗的目的。

根据以上5G RedCap “减能力”的研究，相比传统5G设备而言，5G RedCap预计可以使5G模组成本降低60%~70%，设备复杂度的降低大幅度带来了成本的节约。

表:RedCap设备相比传统5G成本对比

(来自3GPPTSG-RAN WG1 Meeting,R1-2008837)

5G Red应用场景在哪里

如前文所述，5G RedCap在这些“减能力”的加持下，带来了设备复杂度和成本极大的优化。3GPP文件RP-202933中描述了这些用例的关键需求[4]，如下表所示主要包括三个应用场景：

· 可穿戴设备，如智能手表、可穿戴医疗设备、AR/VR护目镜等

· 工业无线传感器

· 视频监控

表：可穿戴、工业无线传感和视频监控要求

（来自3GPPTR38.875）

如下图5G技术示意图所示，5G标准目前还没有可以与高性能、低时延的eMBB、ULRRC标准和低端大规模物联网mMTC（NB-IoT、LTE-M）标准共存的中高速标准，RedCap的出现正好契合了物联网这一需求。

5G RedCap在带宽，吞吐率方面低于eMBB，但是远高于LPWA；在功耗和成本方面高于LPWA，但又远低于eMBB。5G RedCap这一技术特性，可以广泛应用在可穿戴设备、工业传感器以及视频监控等领域。

图：RedCap在LPWA,eMMB和URLLC中技术定位

5G RedCap商用进程

图：3GPP Release17时间线

5G RedCap重要的商用时间点如下：

· 2019年6月3GPP会议上5G RedCap首次作为Release17 Study Item被提出

· 2021年3月5G RedCap标准化项目正式立项

· 2022年Q2，预计Release17冻结， 5G RedCap标准化完成

Release17标准化完成并不意味着5G RedCap马上商用，还需要芯片公司、物联网模块公司做大量的应用工作。根据业界推测，至少还要1~2年时间才能看到RedCap的商用产品出现。5G RedCap芯片组预计将在3GPP Release17正式发布后的2022年底至2023年中首次亮相。高通和展锐、ASR等公司有可能在早期阶段将其商业化。预计2024年后，LTE Cat.1/Cat.4商业化的几家芯片供应商将陆续推出5G RedCap芯片解决方案。

根据TSR预测，5G RedCap设备市场将在2025年开始增长，到2026年5G RedCap市场将初具规模 [1]。

图：非手机类5G设备市场预测

关于5G RedCap的一些预测

3GPP Rel-17协议即将于2022年Q2完成冻结，5G RedCap也将为5G打开全新的市场，有望成为各家芯片厂商争夺的目标。当前或未来5G RedCap会如何发展，可以看到的趋势又如何？

个人有如下几个判断和预测：

1. 5G RedCap设备会是单模吗？

单模5G RedCap设备只可连接5G网络，无法连接到LTE网络。因此至少在前期阶段我们可能会看到RedCap设备会采用双模模式，同时支持LTE和5G RedCap技术。这样即使在没有5G NR覆盖的地区，也可以使用现有的LTE网络连接。

5G SA only的进程决定着5G RedCap单模的演进，这一方面我国的5G网络部署走在了前面。

2. 5G RedCap对射频前端器件有何影响？

Rel-17 RedCap有一个很吸引人的功能，就是在FDD频段引入了HD-FDD半双工工作方式，从而减少对双工器件的需求。如果5G RedCap only到来后， HD-FDD可省FDD频段双工器，RedCap设备的成本和尺寸会更有优势。但是正如前面所说，5G RedCap设备至少初期还是会支持LTE/RedCap双模，双工器还是省不了。

双工器的移除将降低射频前端插损，这使得5G PA发射更少的功率就能够满足天线口功率要求。同时，5G RedCap仅要求支持上行最大20MHz/16QAM调制方式， PA的设计要求会有放松，成本也会有一定的降低。

3.5G Redcap的SoC芯片中会集成射频前端吗？

对于RedCap HD-FDD工作方式，省去了双工器，这确实有点像NB-IoT，后者现在已经做到了基带加射频、射频前端高度集成的单芯片方案。

对于5G Redcap SoC，基带逻辑尺寸可能和LTE Cat.4差不多，射频部分要比LTE Cat.4要大些，从成本角度考虑，22/28nm将会是较为合适的工艺节点，考虑到性能及芯片面积，12/14nm也是个选择。

从目前看，为满足足够的线性功率输出，射频前端需要独立于SoC芯片。但随着HD-FDD半双工模式的引入、频段的精简，不排除在某些对集成度要求高、性能要求低的特定市场出现单芯片解决方案。

文章结语

“4G改变生活，5G改变世界”，5G之所以能成为改变世界的通信模式，就是因为5G不仅仅考虑了适应人与人互联的移动通信场景，还考虑了用于物与物相连的万物互联场景。5G RedCap是3GPP从物联网应用场景需求出发，针对于中速率、低成本场景开发的通信标准，有望在5G物联网中得到广泛应用。

“5G”与“物联网”是慧智微关注的智能互联应用场景，慧智微期待用创新的射频前端技术，为5G设备提供智慧连接，努力“化繁为简，使一切智慧互联”。

本文整理过程中得到众多同事及同行的帮助，在此表示感谢。

参考文献

[1]. 2021 Cellular Broadband Device & ModuleMarket, Techno Systems Research, 2021.

[2]. https://www.3gpp.org