keysight网络仿真解决方案和协议研发工具套件有助于增强5G NR RedCap，为发展开辟物联网新赛道

5G新空口（NR）技术自 2019 年首次实现商业化以来，其采用率迅速增长，极大提升了移动设备的数据速率。截止到2022年 2月，已经有 60 多个国家/地区的大约 200 家运营商推出了 5G 移动业务。随着第三代合作伙伴计划（3GPP）Release 17 的发布，5G NR将应用范围扩展到了用户多元化的新需求。

时间敏感网络（TCN）等应用要求时延极低并且上下行链路速率稳定可靠，而许多物联网（IoT）应用对容量和延迟的要求较低，但对于成本和功耗的要求极为严格。

本文回顾了第一批支持物联网的蜂窝技术。文中对 5G NR 精简轻量化（RedCap）设备进行了详细说明——这种设备与 LTE（Cat-M 或 NB-IoT）设备相比需要更大容量，同时要求更低的成本与更低的功耗。本文对3GPP R17层1，层2，层3 流程中为支持新的RedCap设备而引入的新参数和相关变化进行了回顾。

在整个 2020 年代，物联网设备的出货量有望保持两位数的增长率。如果5G NR RedCap在5G网络中运行时，能够充分满足物联网应用对覆盖范围、成本和功耗的要求，使运营商能够使用单一蜂窝无线接入技术（RAT）支持所有业务，那么它就可以取得成功。

蜂窝物联网的演进

移动网络已从只能支持语音业务发展到能够同时支持语音和数据连通性业务。这一发展使蜂窝网络能够与部署在外场的电子设备相结合，远程监测外场条件和发送数据，这样就可以减少到达外场进行测试的次数，从而降低某些类型传感器和设备的操作成本。不过这一变化需要业界制定全球公认的互操作性标准。这些标准通过定义协议和射频接口，旨在最大限度降低设备的增量成本，同时尽量发挥远程无线接入的成本效益。

3GPP 在 Release 13 中首次加入了针对这些类型设备的技术，并在后续版本直至 Release 16 中陆续增添了多项增强技术。3GPP 标准将三类技术定义为蜂窝物联网（C-IoT）：

• 扩展覆盖范围的 2G GSM 物联网（EC-GSM-IoT），旨在充分利用现有网络和用户群

• 机器类通信 LTE（LTE-M），与常规 LTE 兼容

• 窄带物联网（NB-IoT），为进一步优化功耗和覆盖范围提出了新的设备技术指标，即使工作在地下等恶劣环境中也能达到理想效果。

相较于其他的竞争技术，蜂窝物联网由于使用了规定的频谱并得到移动网络运营商的支持，因此能够提供更高的服务质量。 它通过遵守 3GPP 标准以及通过 GCF（全球认证论坛）和 PTCRB（PCS 类型认证审查委员会）等认证机构的认证，实现了全球兼容性。

如何将RedCap技术融入5G NR使用场景 

5G NR的基础目标是实现增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠性超低时延通信（URLLC）和海量机器类通信 （mMTC）。 最近，3GPP将TSN也加入了支持列表。

RedCap 的理念是使用户设备既能从 5G NR 大规模部署中受益，又不必支持所有的 5G NR 功能，在功能与成本和功耗之间实现良好平衡。 3GPP 设立了一个研究项目，专门研究如何为精简轻量化的 NR 设备提供更好的支持。 这个研究项目最终变成了 3GPP 工作项目，并在Release 17标准中推出了 RedCap。 

URLLC、mMTC 和 TSN――例如产线机器人和无人机――均要求采用大带宽和低时延的物联网连接。 但是对 于传感器、执行器和其他一些通常受到成本或外形限制、对性能要求不高的物联网设备来说，它们对连通性没 有要求。 这些设备可以通过小数据包发送异步信息，但是需要尽量降低初始采购成本和后续的操作维护成本， 其中电池的续航时间至关重要。

除了“智能”行业之外，3GPP在Release 17规范中还加入了另外两个RedCap使用场景：监控设备和可以收集和传递健康信息的可穿戴设备。

在R17中发布的第一个 RedCap 版本

图 2 列出了 RedCap 适用的主要领域以及在 Release 17 标准中采取的主要措施：

与支持 eMBB 的其他 5G NR 设备相比，分析中的初始使用场景显示了 RedCap 设备对数据吞吐量和时延的要求较低（表2）。

Release 17标准对5G规范进行了必要更改，以支持 RedCap 设备。 例如：

 • 在下行链路（DL）和上行链路（UL）的带宽部分（BWP）配置中使用了 20MHz这一较小带宽

 • 支持采用单发射机和单接收机的设备

 • 支持一个下行链路层和一个上行链路层 

RedCap 设备的初始部署将采用单次连接，NR 在频率范围 1（FR1）和频率范围2（FR2）独立组网（SA）部署中均支 持这种连接。

Release 17 标准还支持半双工频分复用（FDD），这种传输模式可以显著降低设备成本。 当然，它也有一些缺点。 当采用半双工 FDD 时，设备将无法在同一组符号 (Symbols) 中检测到 DL 和 UL 的调度信息。 当设备采用 UL 模 式配置时，无法监测 DL 消息；而在监测 DL 时，又将无法发送 UL 控制信息。 一旦发生冲突，设备可以根据其实施 决定如何操作，但不能同时进行发送和接收。

 RedCap 的技术规范更简单，因此设备制造商可以从其产品中去掉部分元器件，从而降低最终的设备成本。 要想推 出成功的物联网产品，每一分钱都至关重要。 表 3 总结了首批 RedCap 设备为了降低成本而做出的主要简化以及 潜在的优势和权衡。

降低复杂性和功耗 

到现在为止，我们已经讨论了 RedCap 的概念，以及它如何通过放宽一些 NR 相关技术指标要求来降低设备成本。接下来将讨论如何降低设备的复杂性，通过减小射频元器件的尺寸，使其能够集成到最终成型的设备中，例如智能眼镜。 Release 17 标准要求 RedCap设备包括增强功能，例如使用单一连接和仅使用选定的功率等级。 

 最后，为了降低功耗，Release 17版标准还放宽在某些方面的要求。 由于 RedCap 设备通常是静止不动或是缓慢移动 的，因此在某些使用场景中，减少网络监控活动可以显著节能，并且不会影响设备的价值。

 表 4 总结了首批 RedCap 设备的主要简化策略及其潜在的优势和权衡。

R17 中的主要 RedCap 参数

对于网络来说，引入 RedCap 设备的主要影响是在随机接入信道（RACH）过程中和设备保持连接期间，网络需要适应其特定功能。 表 5 汇总了处理这些过程所需要的新信息元素（IE）。

表 5 中列出的第一个 IE 与允许 RedCap UE 在小区中驻留或使用半双工模式的许可有关。 下一个 IE 与 BWP 有关，它支持根据用户设备正在执行的工作动态调整分配的带宽，从而灵活地使用频谱，实现节能目标。不过由于最大带宽降低（20MHz），BWP 只能为 RedCap 设备提供有限的值。

带宽和功率要求 

我们前面说过，RedCap 用户设备的最大带宽比其他 NR 设备的小。 带宽的减小会对 RACH 程序产生影响。 网络允许用户设备使用 RedCap 设备特定的初始 BWP，或放宽 BWP 大小要求以便使 RedCap 用户设备能够完成连接过程。 在初始接入（Msg1）期间使用 RedCap BWP，表明该设备是 RedCap设备。 如果该设备使用 RedCap 逻辑信道标识符，则该标识也可能稍后在 Msg3 中出现。

Release 17 标准针对 RedCap 设备做出的另一项节能改进是采用了系统帧号（SFN）。 这个方法此前已在 LTE 中使用过，它允许将断开接收机的时间（eDRX）延长到最长 10.24 秒，利用工作期间空闲时段较长的特点降低设备功耗。 

为了避免出现切换错误，最大eDRX时间的使用可能仅限于静止场景或设备不在小区边缘的场景。

使用UXM 5G进行 RedCap信令测试

是德科技在市场中较早就支持对 pre-5G（也称 5GTF）的 100 MHz 带宽小区进行测试。 从那时开始，是德科技支持无线行业在 Release 15 和 Release 16 标准中实现了一个又一个的5G NR里程碑，从不同部署模式和频率范围的初始呼叫，到以创纪录的载波聚合配置和总使用带宽实现最大数据速率不胜枚举。

是德科技还通过其网络仿真解决方案支持 Release 17 标准对 5G NR的增强，包括RedCap。 这个全面的解决方案系列涵盖了不同领域的非信令和信令测试，包括协议测试、射频测试、功能验证和真实场景下的性能测试。

 前文讨论过，为了确保网络支持 RedCap 设备，Release 17标准对信令参数和程序进行了一些更改。 设备制造商在推出商业产品之前需要确保其兼容性。 KEYSIGHT S8701A协议研发工具套件支持 Release 17 标准 ASN.1 和更新的 L1 至 L3 流程，其中包括对 RedCap 参数的特定测试，以确保 RedCap 设备能够实现和保持连通性。

除了支持最新的 R17 信令程序之外，这个协议研发工具套件还提供了报告工具，用于分析测试结果并帮助设 备制造商调试 5G NR 设备，包括那些支持 RedCap 的设备。

RedCap 将为物联网的发展开辟新赛道

3GPP 自 Release 13 起就开始使用 LTE 或基于 LTE 的技术支持物联网设备，并在后续版本中添加了增强功能。 Release 17 标准又增加了一项提案，引入了对 5G NR 物联网设备的支持。此类设备与基于 LTE 技术的同类产品相比，对成本和功耗的要求更为苛刻，同时进一步增加了容量。 对于采用以前的物联网专用技术（如 NB-IoT 和 LTE Cat-M）均无法满足容量需求的用户来说，该提案使 RedCap 设备成为这些用户的一个良好选择。

利用 RedCap 设备，网络获得了更强的适应能力，能够支持工业物联网、可穿戴设备、安全和监控应用所需的设备。 

这种通过单个网络支持多种类型设备的能力为网络运营商和服务提供商带来了更多优势，可以帮助他们通过基于物联网的新业务取得成功。 虽然最初推出的设备可能同时支持 LTE 和 5G NR RedCap 技术，但全球 5G 部署和用户数量的快速增长将促使设备向仅支持 RedCap 过渡。