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第五代移動通信技術（5G）定義了增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（uRLLC）三大應用場景，以滿足不同用戶的差異化需求。然而隨著技術應用的深入，在視頻監(jiān)控、可穿戴設備等一些中高速應用場景中，5G新空口（NR）并不能滿足其需求，5G技術需要進一步優(yōu)化。因此，第三代合作伙伴項目（3GPP）在Release-17（R17）版本中定義了“輕量化5G”（ReducedCapability，RedCap）。
RedCap標準演進
為了滿足eMBB、mMTC、uRLLC三大場景的業(yè)務需求，3GPP在R15版本中首次引入5G NR無線接入技術，并在R16版本中進一步增強了5G NR相關技術。
然而，在一些中高速率物聯(lián)網(wǎng)應用場景（如智能手表等可穿戴設備、壓力傳感器、運動傳感器等工業(yè)無線傳感器，智能城市、工業(yè)視頻監(jiān)控等），5G NR技術難以做到適配。因此3GPP又在R17版本中定義了RedCap，以滿足中高速率物聯(lián)網(wǎng)應用場景的需求。
在繼承5G NR關鍵特性的同時，RedCap降低了對數(shù)據(jù)速率、時延等的要求，而在設備成本、復雜性、功耗等方面有所提升。RedCap與eMBB、uRLLC和mMTC典型性能比較如圖1所示。
在時延方面，uRLLC的目標時延為1ms，而RedCap應用在工業(yè)傳感器的目標時延低于100ms，視頻監(jiān)控的目標時延低于500ms。
在傳輸速率方面，eMBB的目標峰值速率在下行鏈路中可達20Gbit/s，在上行鏈路中可達10Gbit/s。而要求最高的RedCap應用（例如可穿戴設備），其下行鏈路要求為150Mbit/s，上行鏈路要求為50Mbit/s。
在電池壽命方面，mMTC的目標是10~15年，而對于RedCap應用來說，工業(yè)傳感器的目標是幾年，可穿戴設備的目標是一到兩周。
R18標準中RedCap技術的性能有望進一步增強，RedCap也將對標4G Cat1/1bis（專為4GLTE物聯(lián)網(wǎng)應用而設計的終端類別），通過縮減業(yè)務帶寬、降低峰值速率等方式降低終端復雜度，并拓展智能電網(wǎng)、健康監(jiān)測等新的應用領域。
RedCap技術特點
終端復雜度降低
目前RedCap的許多業(yè)務都可以由低等級LTE終端替代，這些LTE終端的硬件要求比NR終端更為簡單。因此，需要引入一種復雜性較低的NR終端，以更好地適配現(xiàn)有5G網(wǎng)絡。在R17版本中，相對于常規(guī)的5G NR終端，RedCap技術在減少最大終端帶寬、減少終端的最小天線配置、放寬最大下行調制階數(shù)和支持FDD頻段的半雙工操作等方面進行了簡化。
與常規(guī)NR終端相比，RedCap終端預計可將低頻段或中頻段（FR1）終端的調制解調器復雜度降低約65%，將高頻段（FR2）終端的調制解調器復雜度降低約50%，同時保持足夠高的峰值數(shù)據(jù)速率，以便服務于要求更高的物聯(lián)網(wǎng)應用場景。
節(jié)能技術優(yōu)化
3GPP在R17版本中為RedCap終端引入了擴展不連續(xù)接收（eDRX）機制和放寬無線資源管理（RRM）的方式延長電池壽命。
擴展不連續(xù)接收（eDRX）機制
在物聯(lián)網(wǎng)中，終端和網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)流量通常具有間歇性或突發(fā)性。在數(shù)據(jù)包到達前，接收機處于不活動狀態(tài)；而當接收機需要接收數(shù)據(jù)流量時，則需要進入連續(xù)活動期。在R15版本中，3GPP為NR引入了不連續(xù)接收（DRX）機制，允許終端在不活動期間進入“休眠”狀態(tài)。
在空閑和非活動無線電資源控制（RRC）狀態(tài)下，配置DRX的終端基于DRX周期在尋呼時機監(jiān)視下行控制信道（PDCCH），以接收尋呼消息的調度信息。終端可以在剩余時間內(nèi)進入省電狀態(tài)（例如關閉接收器），從而顯著降低功耗。
在R17版本中，RedCap引入了eDRX機制以進一步優(yōu)化節(jié)能效果。eDRX在DRX機制基礎上，采用了更長時間的休眠模式，以此降低功耗、獲得更高的續(xù)航能力。終端在休眠周期結束之前無法響應，因此在配置eDRX周期時，終端喚醒頻率較低，并且不強制要求在休眠周期期間監(jiān)控尋呼消息和通知。但eDRX技術在顯著降低終端功耗的同時，也存在增加下行鏈路時延等問題。
由于RedCap沒有像eMBB、uRLLC應用那樣的低時延要求，因此可以犧牲時延性能來提高電池壽命。此外，當上行鏈路中有數(shù)據(jù)活動時，終端無法保持在休眠狀態(tài)。因此，上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸越頻繁，電池壽命的性能提升就越小。
無線電資源管理（RRM）測量放寬
在5G網(wǎng)絡中，終端會對基站廣播的下行鏈路信號執(zhí)行RRM測量。由于接收機（有時還包括發(fā)射機）需要始終保持活動狀態(tài)，因此該過程會消耗終端中的能量。要想延長終端電池壽命，可以通過放寬RRM測量（即允許RedCap終端降低執(zhí)行測量的頻率）以減少消耗。結合eDRX和RRM放寬，可大大延長RedCap終端電池壽命，為物聯(lián)網(wǎng)實際應用提供堅實基礎。
產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展情況
近年來，RedCap產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設不斷提速。自2023年第二季度起，高通、MTK、紫光展銳、翱捷等芯片廠商不斷加大RedCap芯片研發(fā)力度，芯片商用進程加速；2023年2月至5月間，RedCap模組由原先的1款增加至6款，聯(lián)通雁飛、美格、廣和通等廠商的RedCap模組陸續(xù)問世；2023年4月至6月，南瑞配網(wǎng)自動化終端、中移物聯(lián)企業(yè)網(wǎng)關、中微普業(yè)工業(yè)網(wǎng)關等RedCap終端相繼推出，短短一個季度RedCap終端就由3款增加至21款。
相較于常規(guī)NR終端，RedCap具有低復雜度、低成本等優(yōu)點。在價格方面，RedCap相關芯片模組的成本也有望大幅下降，預計未來將與LTE Cat.4模組的價格看齊，未來幾年的RedCap模組價格預測如表1所示。
RedCap的推出使得由RAN和核心網(wǎng)組成的5G獨立網(wǎng)絡能夠滿足行業(yè)數(shù)字化和業(yè)務轉型的各種需求。同時，RedCap還將擴展5G應用場景和范圍，將更多終端連接到5G網(wǎng)絡中。
試點應用情況
自2023年第一季度5G RedCap首次商用發(fā)布以來，越來越多的RedCap模組逐漸投入到生產(chǎn)與應用中。國內(nèi)運營商結合網(wǎng)絡升級和部署情況，開始在多城市進行智慧社區(qū)、智慧漁排等應用場景的試點工作。
智慧社區(qū)
目前，廈門、深圳等多個城市已完成RedCap視聯(lián)網(wǎng)商用驗證，5G RedCap模組成功應用在視聯(lián)網(wǎng)中的AI垃圾分類、城管智能執(zhí)法監(jiān)控、城市智能管理等場景中。
智慧漁排
國內(nèi)多個沿海城市已經(jīng)開展RedCap智慧漁排試點項目，通過智慧監(jiān)控管理平臺，納管接入漁排視頻采集RedCap模組及終端，為用戶提供全天候監(jiān)控服務，并依托人工智能技術，分析拍攝的高清視頻、設置電子圍欄、提供防落水人工智能識別，實時提醒工作人員潛在風險。
智慧電力
在電力領域，運營商開展多項RedCap智慧電力試點項目，連片開通電力硬切片、進行RB資源預留，同時結合硬切片基站，開通RedCap功能，通過智慧電廠管理運維系統(tǒng)，滿足電力業(yè)務需求。
總結
RedCap的推出將促進更多廠家生產(chǎn)出成本/復雜性更低、尺寸更小、電池壽命更長的新模組、新終端，進一步擴展5G設備生態(tài)系統(tǒng)。作為匹配寬帶物聯(lián)網(wǎng)細分市場的新技術，RedCap能夠在一些NR終端功能溢出的非高端物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務中完美“勝任”。預計R18版本將繼續(xù)簡化RedCap終端，進一步降低終端成本與復雜性，同時為R17版本提供改進的技術方案，將RedCap擴展到更多業(yè)務領域。
*本文刊載于《通信世界》總第925期 2023年8月10日 第15期
原文標題：《 5G RedCap技術發(fā)展與應用》
作者：中通服咨詢設計研究院?朱晨鳴
責編/版式：王禹蓉
審核：舒文瓊
監(jiān)制：劉啟誠
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