RedCap是什么意思？RedCap与5G有何不同？

时间： 2024-05-16 来源：KEYSIGHT知乎

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Rel-17标准扩展边界，探索用例

Rel-17是续Rel-15和Rel-16后的第三个5G标准，此后还有5G演进的第二阶段Rel-18、Rel-19、Rel-20标准。

Rel-17标准的制定非常特别，因为它是在疫情大流行期间通过虚拟会议完成的。Rel-17的一个重要目标是提高效率并为现有的eMBB 用例添加增强功能，特别是在像频谱扩展，在FR2中增加了新的毫米波频率范围，现在最高可达71GHz MIMO和通过在下行链路中添加1024 QAM来提高频谱效率。在节能和扩大UL覆盖范围方面也有很多改进，这不仅被认为可以改进常规eMBB设备，而且还适用于全新的更轻的NR、Reduced Capability（RedCap模式），允许在要求较低的设备中支持5G，启用以前无法实现的新用例，打开通往新垂直领域的大门。在新的垂直领域，另一个重要的改进是通过非地面网络或NTN标准化对卫星到终端连接的支持。

首先是RedCap技术，RedCap的使用可与其他降低能力的技术相媲美，例如Cat-1等较低的LTE，其主要目的是为不需要很快数据速率且成本更低、覆盖范围和功率效率更高的设备提供连接服务。监控摄像头、工业传感器和可穿戴设备等场景非常适合智能物联网设备，考虑到这一点，RedCap是一种简单的NR设备，它具有有限的BW和有限数量的接收器链，可以将无线电连接成本降低大约65%。RedCap已针对FR1和FR2进行了标准化，这将有助于提供更好的覆盖范围。

RedCap是什么意思?

RedCap（Reduced Capability）是3GPP标准化组织定义的一种5G技术，属于新技术标准NR light（NR lite）,也称为轻量化5G。

在5G初期，5G的关注焦点主要集中在大带宽和低时延，但早期5G芯片和终端的设计极为复杂，研发和终端成本投入极高。对于很多应用场景，速率、性能、功耗、成本等要求实现性能和成本的均衡，并且还能和5G网络部署共生共存？在这种诉求之下，RedCap应运而生。

2022年6月，3GPP Rel-17冻结，意味着5G RedCap标准第一版正式确立。

RedCap技术是在确保应用需求和性能的前提下，通过减少带宽、收发天线数量、降低速率、调整调制方式、引入半双工模式等方式削减设备的能力，降低终端设备的复杂度，达到降低终端成本、功耗、延长使用寿命等一系列目的，更利于5G商用网络中大规模商业普及应用。

RedCap主要是为了满足工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等中端物联网应用场景中的终端特定需求所定义的技术，RedCap技术补齐了5G网络中高速率业务承载能力，使5G网络面向各类物联网应用需求形成了高、中、低多级别承载体系，满足物联网行业对中速大连接能力的应用需求。

为什么会有RedCap？RedCap应用场景

众所周知，在已经确定的5G标准之中，主要针对三大类应用场景，分别是：

1：eMBB增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband）

2：mMTC海量机器类通信（Massive MachineType Communication）

3：URLLC超可靠低延迟通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications）

eMBB是4G时代MBB（移动宽带）的升级，主要侧重于网络速率、带宽容量、频谱效率等指标。目前我们使用的5G手机通信，就属于eMBB场景，主要是高清视频、VRAR等大流量移动宽带业务。

mMTC是大规模机器通信，主要是物联网相关的应用，智能路灯，各种智能传感器，是高可靠低时延通信，主要是车联网、远程医疗这些。而uRLLC侧重可靠性和时延。两者都是主要服务于行业互联网，包括工业制造、车联网、远程抄表等垂直行业领域。

随着5G网络大规模商用部署，为了满足工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等中端物联网应用的新需求，3GPP从设备尺寸、能耗、成本等方面，在系统设计和性能指标等方面提出新要求。

a）设备复杂度：对比Rel-15/Rel-16 eMBB和uRLLC设备，大幅降低其复杂度和成本。
b）设备尺寸：需满足可穿戴设备对终端尺寸的紧凑型设计要求。
c）部署场景：支持NR全部商用频带，支持FDD和TDD模式。

RedCap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。

从RedCap技术特性上来说，RedCap介于eMBB（超宽带）和LPWA（低功耗广域网，NB-IoT等）之间。RedCap主要针对的是带宽、功耗、成本等需求都基于eMBB和LPWA之间的应用。它的带宽速率低于eMBB，但是远高于LPWA。它的功耗和成本高于LPWA，但是却又远低于eMBB。

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将时间敏感网络（TSN）也加入了支持列表。

时间敏感网络（TSN）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。

RedCap技术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。

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。

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。

RedCap与5G有何不同？5G NR与5G RedCap横向对比

在R17中RedCap主要裁剪了以下功能，从而将终端复杂度和成本下降50%至65%。

RedCap引入了一些节省功耗的手段，例如增强的非连续接收特性（eDRX），采用更长的休眠模式，让终端减小功耗，获得更高的续航能力。RedCap所需的频谱带宽更小：在Sub-6GHz频段，RedCap的带宽为20MHz，小于传统5G的100MHz。RedCap减少了收发天线的数量，并且降低了MIMO层数。对于Sub-6GHz频段，RedCap终端的接收链路可减少为1个或2个，相应下行MIMO降低为1层或2层接收。这样一来，就降低了对终端射频收发器和基带处理模块的能力要求。RedCap采用了64QAM调制方式，相对更加简单，同样意味着可大幅降低射频和基带的要求；采用半双工FDD（HD-FDD），可以在不同时间和不同频率上进行收发，而不需要双工器。

单工-指数据传输只支持数据在一个方向上传输
双工-指二台通讯设备之间，允许有双向的资料传输。通常有两种双工模式。一种叫半双工，另一种叫全双工。

FDD频分双工是什么？
FDD，即频分双工，是指上行链路（移动台到基站）和下行链路（基站到移动台）采用两个分开的频率（有一定频率间隔要求）工作，该模式工作在对称频带上。FDD适用于为每个用户提供单个无线频率信道的无线通信系统。

FDD(HD-FDD半双工是什么？半双工FDD(HD-FDD)方案指终端在不同频率上的数据收发需要在不同时刻进行。与全双工FDD(FD-FDD)相比,半双工FDD可放松对射频前端内的器件要求，采用成本较低的收发天线开关和低通滤波器来替代双工器，进而缩减复杂度/成本。RedCap采用A型HD-FDD模式，可节省约7%的成本。半双工FDD的引入，为基站调度带来了挑战。

RedCap典型应用场景

RedCap对标LTE Cat.4，要求下行峰值速率为150Mbit/s、上行峰值速率为50Mbit/s。3GPP为RedCap定义的典型应用场景包括工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备，其性能要求如下。

a）工业无线传感器。5G商用网络可助力工业数字化转型，增加工业生产的灵活性，5G网络互联互通的特性可提升生产效率，降低维护成本，同时增强运营安全。工业互连的无线设备包括压力传感器、湿度传感器、运动传感器、温度计、加速度计、驱动器等。这类设备的业务不仅包含对时延、可靠性要求较高的uRLLC业务，也包含相对低端的业务，对通信性能的要求高于LPWA（eMTC或NB-IoT），但低于uRLLC和eMBB。系统设计指标速率要求小于2Mbit/s，可靠性要求为99.99%，端到端时延要求小于100ms，设备工作时保持静止，电池可续航几年。对于安全相关的传感器，其时延要求较严格，为5~10ms。

b）视频监控。视频监控是智慧城市和工业的重要组成部分。5G视频监控可以更高效地监控城市资源，收集和处理数据，为城市居民提供服务。视频监控的通信需求以上行传输为主，业务时延要求小于500ms；通信可靠性要求在99%~99.9%。经济型视频监控的速率要求为2~4Mbit/s，高端型视频监控的速率要求为7.5~25Mbit/s。

c）可穿戴设备。可穿戴设备的应用案例包括智能手表、手环、医疗检测设备、个人防护设备等。这类设备尺寸通常较小，设备的电池续航能力需要满足若干天，下行参考速率为5~50Mbit/s，上行参考速率为2~5Mbit/s。

RedCap主要领域以及在Release 17标准中采取的主要措施

RedCap初始使用场景、数据速率和时延要求

RedCap如何降低成本？

RedCap如何降低复杂性和功耗？

RedCap信号又是如何工作的呢？

重点是允许具有较低带宽的设备在具有较高带宽的小区中共存。为了实现这个功能，SIB更新之后以提供访问控制，以便UE可以决定NW是否支持RedCap设备，并因此开始注册过程。此外，已经创建了一个新的特定于Red Cap的初始BWP，这样就可以在初始BWP中拥有具有更大BW的小区，但仍然允许RedCap UE进行连接。并且通过PRACH和MSg3的前期指示支持已经启用，这样网络就可以提前知道尝试连接的设备的能力降低了。

是德科技与为Rel-17增强功能提供支持，包括RedCap网络仿真解决方案。

KEYSIGHT RedCap网络仿真解决方案组合涵盖非信令和不同领域的信令测试，包括协议、射频、功能验证、和实际条件下的性能测试。

第二项在Rel-17需要关注的技术是NTN（非地面网络），Rel-17定义了NTN的第一个版本，并且Rel-18将继续使用更新的频段和其他架构类型和用例。Rel-17主要侧重于对GEO和LEO轨道的标准化支持，重点是透明有效载荷，意味着gNB作为网关的一部分位于地面，而Uu是两个馈线中使用的接口和服务链接。这样，卫星就充当了射频中继器。最初NTN的重点是6GHz以下频段，尤其是2GHz的S频段。

但卫星到终端直接通信在设计实际上非常具有挑战性，因此在任何实际部署之前在实验室中测试真实场景至关重要。例如链路预算，考虑到地面设备和卫星之间的距离很远，工程师们面临着巨大的路径损耗，我们的目标是在不需要大天线的情况下建立连接，仍然使用手机。另一个主要挑战是信道引入的大延迟，在地球静止轨道的情况下可能高达600毫秒左右，或者LEO轨道的变化延迟虽然较小，但会随着时间而变化，至关重要的是，这在所有设备中都得到了适当的补偿，从而可以避免符号间干扰。考虑到卫星的高速移动，多普勒是信道增加的另一个主要损伤。因此，补偿所有这些影响是至关重要的，这可以在卫星轨道已知的情况下完成，因此，只要UE和卫星的位置已知，就可以预测多普勒和延迟。

是德科技一直致力于开发NR NTN端到端测试台，该测试台能够模拟网关和gNB、信道和UE，并能够在实验室中建立NTN NR呼叫，演示延迟和多普勒预补偿的工作原理和实现方式。

物联网设备出货量高速增长。如果5G NR RedCap在5G网络上运行时能够充分满足物联网应用的覆盖范围、成本和功耗要求，从而使运营商能够通过单一蜂窝无线接入技术(RAT)支持所有服务，那么它就能取得成功。

RedCap问答What is 5G RedCap?

RedCap is a variation of 5G technology created by enhancements in 3GPP Release 17. RedCap enables Internet of Things (IoT) devices with reduced capabilities to connect to the internet via 5G networks. These RedCap devices are less complex, less costly, and more power efficient than conventional 5G devices like smartphones. However, they do not require the full capabilities and performance enabled by the 5G New Radio (NR) standard.

What types of devices use 5G RedCap?

5G RedCap addresses applications for simpler and lower-cost IoT devices such as sensors and actuators that send small packets of information continuously and require a long battery life. Such applications do not fit neatly into any initial use cases defined by the 5G NR standard. Release 17 specifies three RedCap use cases: industrial wireless sensors, health wearables, and surveillance devices.

Each RedCap use case has its own requirements for maximum data rate, end-to-end latency, and service availability. Early adopters of RedCap include chipset manufacturers and makers of IoT products that fit into the wearables, sensors, and surveillance use cases.

What are the key benefits of 5G RedCap?

5G RedCap devices use fewer antennas and support lower bandwidths than conventional 5G user equipment such as smartphones. Fewer antennas and multiple-input / multiple-output (MIMO) layers reduce device cost. Lower bandwidths reduce power amplifier costs.

RedCap provides other enhancements that further reduce the cost of RedCap devices. For example, RedCap supports half-duplex frequency division duplex (FDD), a transmission mode that can significantly affect device cost. Half-duplex FDD prevents the device from transmitting and receiving data on different frequencies at the same time. As a result, RedCap devices can use switches instead of expensive duplexers.

Fewer antennas, lower bandwidths, and different modes of operation also help reduce power consumption. RedCap devices can transmit data without connecting to the network and have less stringent radio resource management requirements than other 5G devices, helping the device save energy.

What are the limitations of 5G RedCap devices?

Because RedCap devices have fewer antennas and support lower bandwidths, they lack the full throughput, latency, and frequency-range capabilities of conventional 5G devices. 5G RedCap devices only support 2x2 MIMO for the downlink and single-input/single-output for the uplink, and bandwidths of 20 MHz for frequencies below 7.125 GHz and 100 MHz for millimeter-wave frequencies.

The lower bandwidths of RedCap operation require changes in bandwidth part configurations for both the downlink and the uplink. New information elements enable the bandwidth to adapt dynamically to the device’s actions.

5G RedCap devices require specialized signaling parameters and procedures. RedCap devices use a different random-access channel procedure to access the network, which affects device compatibility.

5G RedCap devices also do not detect scheduling information for the downlink and the uplink in the same set of symbols. As a result, they cannot check messages in the downlink while in uplink mode or send information in the uplink while monitoring the downlink.

When will 5G RedCap devices be available?

The first 5G RedCap chipsets will be available in 2023 and 2024, with commercial RedCap devices entering the market in 2025 and 2026. After 2026, the growth of commercial RedCap devices should rise steeply. Industries and consumers will adopt 5G-connected wearables for health monitoring and other applications, low-cost wireless sensors for industrial data collection and asset-tracking, and surveillance devices for use in smart cities, factories, and other applications.