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第五代移动通信技术（5G）定义了增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（uRLLC）三大应用场景，以满足不同用户的差异化需求。然而随着技术应用的深入，在视频监控、可穿戴设备等一些中高速应用场景中，5G新空口（NR）并不能满足其需求，5G技术需要进一步优化。因此，第三代合作伙伴项目（3GPP）在Release-17（R17）版本中定义了“轻量化5G”（ReducedCapability，RedCap）。
RedCap标准演进
为了满足eMBB、mMTC、uRLLC三大场景的业务需求，3GPP在R15版本中首次引入5G NR无线接入技术，并在R16版本中进一步增强了5G NR相关技术。
然而，在一些中高速率物联网应用场景（如智能手表等可穿戴设备、压力传感器、运动传感器等工业无线传感器，智能城市、工业视频监控等），5G NR技术难以做到适配。因此3GPP又在R17版本中定义了RedCap，以满足中高速率物联网应用场景的需求。
在继承5G NR关键特性的同时，RedCap降低了对数据速率、时延等的要求，而在设备成本、复杂性、功耗等方面有所提升。RedCap与eMBB、uRLLC和mMTC典型性能比较如图1所示。
在时延方面，uRLLC的目标时延为1ms，而RedCap应用在工业传感器的目标时延低于100ms，视频监控的目标时延低于500ms。
在传输速率方面，eMBB的目标峰值速率在下行链路中可达20Gbit/s，在上行链路中可达10Gbit/s。而要求最高的RedCap应用（例如可穿戴设备），其下行链路要求为150Mbit/s，上行链路要求为50Mbit/s。
在电池寿命方面，mMTC的目标是10~15年，而对于RedCap应用来说，工业传感器的目标是几年，可穿戴设备的目标是一到两周。
R18标准中RedCap技术的性能有望进一步增强，RedCap也将对标4G Cat1/1bis（专为4GLTE物联网应用而设计的终端类别），通过缩减业务带宽、降低峰值速率等方式降低终端复杂度，并拓展智能电网、健康监测等新的应用领域。
RedCap技术特点
终端复杂度降低
目前RedCap的许多业务都可以由低等级LTE终端替代，这些LTE终端的硬件要求比NR终端更为简单。因此，需要引入一种复杂性较低的NR终端，以更好地适配现有5G网络。在R17版本中，相对于常规的5G NR终端，RedCap技术在减少最大终端带宽、减少终端的最小天线配置、放宽最大下行调制阶数和支持FDD频段的半双工操作等方面进行了简化。
与常规NR终端相比，RedCap终端预计可将低频段或中频段（FR1）终端的调制解调器复杂度降低约65%，将高频段（FR2）终端的调制解调器复杂度降低约50%，同时保持足够高的峰值数据速率，以便服务于要求更高的物联网应用场景。
节能技术优化
3GPP在R17版本中为RedCap终端引入了扩展不连续接收（eDRX）机制和放宽无线资源管理（RRM）的方式延长电池寿命。
扩展不连续接收（eDRX）机制
在物联网中，终端和网络之间的数据流量通常具有间歇性或突发性。在数据包到达前，接收机处于不活动状态；而当接收机需要接收数据流量时，则需要进入连续活动期。在R15版本中，3GPP为NR引入了不连续接收（DRX）机制，允许终端在不活动期间进入“休眠”状态。
在空闲和非活动无线电资源控制（RRC）状态下，配置DRX的终端基于DRX周期在寻呼时机监视下行控制信道（PDCCH），以接收寻呼消息的调度信息。终端可以在剩余时间内进入省电状态（例如关闭接收器），从而显著降低功耗。
在R17版本中，RedCap引入了eDRX机制以进一步优化节能效果。eDRX在DRX机制基础上，采用了更长时间的休眠模式，以此降低功耗、获得更高的续航能力。终端在休眠周期结束之前无法响应，因此在配置eDRX周期时，终端唤醒频率较低，并且不强制要求在休眠周期期间监控寻呼消息和通知。但eDRX技术在显著降低终端功耗的同时，也存在增加下行链路时延等问题。
由于RedCap没有像eMBB、uRLLC应用那样的低时延要求，因此可以牺牲时延性能来提高电池寿命。此外，当上行链路中有数据活动时，终端无法保持在休眠状态。因此，上行链路中的数据传输越频繁，电池寿命的性能提升就越小。
无线电资源管理（RRM）测量放宽
在5G网络中，终端会对基站广播的下行链路信号执行RRM测量。由于接收机（有时还包括发射机）需要始终保持活动状态，因此该过程会消耗终端中的能量。要想延长终端电池寿命，可以通过放宽RRM测量（即允许RedCap终端降低执行测量的频率）以减少消耗。结合eDRX和RRM放宽，可大大延长RedCap终端电池寿命，为物联网实际应用提供坚实基础。
产业生态发展情况
近年来，RedCap产业生态建设不断提速。自2023年第二季度起，高通、MTK、紫光展锐、翱捷等芯片厂商不断加大RedCap芯片研发力度，芯片商用进程加速；2023年2月至5月间，RedCap模组由原先的1款增加至6款，联通雁飞、美格、广和通等厂商的RedCap模组陆续问世；2023年4月至6月，南瑞配网自动化终端、中移物联企业网关、中微普业工业网关等RedCap终端相继推出，短短一个季度RedCap终端就由3款增加至21款。
相较于常规NR终端，RedCap具有低复杂度、低成本等优点。在价格方面，RedCap相关芯片模组的成本也有望大幅下降，预计未来将与LTE Cat.4模组的价格看齐，未来几年的RedCap模组价格预测如表1所示。
RedCap的推出使得由RAN和核心网组成的5G独立网络能够满足行业数字化和业务转型的各种需求。同时，RedCap还将扩展5G应用场景和范围，将更多终端连接到5G网络中。
试点应用情况
自2023年第一季度5G RedCap首次商用发布以来，越来越多的RedCap模组逐渐投入到生产与应用中。国内运营商结合网络升级和部署情况，开始在多城市进行智慧社区、智慧渔排等应用场景的试点工作。
智慧社区
目前，厦门、深圳等多个城市已完成RedCap视联网商用验证，5G RedCap模组成功应用在视联网中的AI垃圾分类、城管智能执法监控、城市智能管理等场景中。
智慧渔排
国内多个沿海城市已经开展RedCap智慧渔排试点项目，通过智慧监控管理平台，纳管接入渔排视频采集RedCap模组及终端，为用户提供全天候监控服务，并依托人工智能技术，分析拍摄的高清视频、设置电子围栏、提供防落水人工智能识别，实时提醒工作人员潜在风险。
智慧电力
在电力领域，运营商开展多项RedCap智慧电力试点项目，连片开通电力硬切片、进行RB资源预留，同时结合硬切片基站，开通RedCap功能，通过智慧电厂管理运维系统，满足电力业务需求。
总结
RedCap的推出将促进更多厂家生产出成本/复杂性更低、尺寸更小、电池寿命更长的新模组、新终端，进一步扩展5G设备生态系统。作为匹配宽带物联网细分市场的新技术，RedCap能够在一些NR终端功能溢出的非高端物联网业务中完美“胜任”。预计R18版本将继续简化RedCap终端，进一步降低终端成本与复杂性，同时为R17版本提供改进的技术方案，将RedCap扩展到更多业务领域。
*本文刊载于《通信世界》总第925期 2023年8月10日 第15期
原文标题：《 5G RedCap技术发展与应用》
作者：中通服咨询设计研究院 朱晨鸣
责编/版式：王禹蓉
审核：舒文琼
监制：刘启诚
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