作者：是德科技5G行業解決方案經理Dylan McGrath

多年來，蜂窩網絡行業已經推出了多種無線技術，以推動物聯網設備的連接入網。表1中列出的蜂窩物聯網技術包括LTE Cat M、擴展覆蓋GSM物聯網（EC-GSM-IoT）和窄帶物聯網（NB-IoT）。這些技術的出現都是為了最大限度地降低蜂窩連接的附加成本，讓遠程無線連接的成本效益最大化。

最新推出的強大的蜂窩物聯網技術，有望成為首個能夠充分釋放5G潛能的蜂窩物聯網技術。3GPP R17標準引入了一些增強特性，使得輕量級5G設備或者RedCap設備能夠在5G網絡上運行。

表1：蜂窩物聯網技術對比

顧名思義，5G RedCap設備通過5G網絡接入互聯網，但是它們并不像智能手機等傳統設備以及其他在5G網絡上運行的更先進的終端設備一樣具備完整的功能（性能）。雖然可穿戴設備、傳感器、監控設備和其他物聯網設備等RedCap設備并不具備5G技術標準所要求的高吞吐量、大帶寬和低時延能力，但是它們通常對功耗和成本有更為嚴格的限制。RedCap設備將受益于5G的大規模部署，同時利用較少的5G能力即可實現功能與成本和功耗的最佳平衡。

3GPP規范了RedCap設備的三大用例：工業傳感器、監控設備和可穿戴設備。3GPP的技術報告（TR38.875版本）規定了每個用例的最大數據速率、端到端（E2E）延遲和服務可用性，如表2所示。

表2：R17標準引入的增強特性包括低成本和低功耗

RedCap追求成本和性能的平衡

為了降低復雜度、成本和功耗，RedCap設備所需的天線數量比標準5G設備要少。這不僅降低了成本，還減少了多入多出(MIMO)層的最大數量。RedCap設備的下行鏈路僅支持2×2 MIMO，而上行鏈路僅支持單入單出。

RedCap設備支持的帶寬比標準5G終端設備要低，較低的帶寬可以有效降低功率放大器 (PA)的成本。RedCap設備只支持FR1頻段的20MHz帶寬和FR2頻段的100MHz帶寬。

表3：RedCap降低成本策略的益處及其實現的成本與性能之間的平衡

3GPP R17為RedCap設備引入的另一個能夠降低成本的增強特性是支持半雙工FDD傳輸。雖然半雙工FDD通過支持RedCap設備使用轉換開關來代替全雙工FDD所需的雙工器，大幅降低了成本，但它確實存在著一些缺陷。RedCap設備無法同時發送和接收數據。這是因為設備使用半雙工FDD也會產生一些問題:

•  將無法在同一組信號集中同時檢測下行鏈路和上行鏈路調度信息

•  不能在上行鏈路模式下監測下行鏈路信息

•  也無法在監測下行鏈路的同時發送上行鏈路控制信息

一旦出現沖突，RedCap設備能夠根據具體實踐來決定采取何種操作。

RedCap的低功耗增強特性

RedCap專門對5G規范進行了一些簡化，以提高電源效率，最大限度地降低功耗，并延長RedCap設備的電池使用壽命。例如與完整的5G規范相比，RedCap采用了一種精簡的網絡監測方案。RedCap減少了設備在物理下行鏈路控制信道（PDCCH）中監測的盲解碼和控制信道單元的數量，從而降低了用于執行這些任務所需的能耗。

RedCap實施的另一項降低功耗的策略就是擴展非連續接收(eDRX)周期。在設備處于非連接態或空閑態時，RedCap可以增加eDRX周期，大幅延長電池的使用壽命。更長的eDRX周期對于固定的無線傳感器等特定用例是非常有益的，因為延長eDRX周期需要降低設備的可移動性。（設想一下，一個監測鐵軌的無線傳感器只需要定期連接到網絡上來傳輸數據。）

此外，對于不處在小區邊緣的設備，RedCap還放寬了對無線資源管理（RRM）的要求，并且引入了無線資源控制（RRC）非活動狀態，允許終端設備在不切換RRC連接狀態的情況下進行小批量的數據傳輸。這兩項增強特性都是為了降低功耗，延長RedCap設備的電池使用壽命。

RedCap設備的復雜性降低

最后，RedCap的增強特性還體現在采取一系列簡化措施來降低RedCap設備的復雜性。這些措施也可以降低功耗和設備成本，但它們的主要目的是為了降低設備的復雜性，這樣射頻元器件便能夠匹配外形非常小巧或者具有非常規外形尺寸的設備（例如智能眼鏡等可穿戴設備）。

RedCap為降低設備的復雜性所采取的簡化措施包括：僅支持單一運營商（不支持運營商聚合），以及支持單一連接，讓RedCap設備只能在5G獨立模式下運行。RedCap還支持5G功率等級3，它限制了設備的等效各向同性輻射功率 (EIRP)，從而縮小了設備電池的體積。

對5G網絡的影響

上述的R17增強特性主要集中在RedCap設備上。但是RedCap的增強特性也對5G網絡產生了影響。

RedCap給5G網絡帶來的最大影響是，在隨機接入過程中以及設備保持連接時，網絡必須適配RedCap的特定功能。為RedCap引入的新信息元素（IE）讓帶寬能夠根據設備采取的操作進行動態匹配。例如，其中一些新的IE涉及到將RedCap終端設備接入小區或者使用半雙工模式的許可。 (一些IE是RedCap設備接入小區的必要條件；當這些IE沒有被檢測到時，小區將禁止RedCap設備連接，RedCap設備將不得不啟動RRC程序以連接到另一個它可以提供對應IE的小區）。

另一個新的IE讓固定設備或者處在小區邊緣的設備能夠應用精簡的RedCap技術標準。

一些新的IE則用于支持部分帶寬（BWP）配置，它允許靈活地使用頻譜，以便根據終端設備的需要自適應動態分配到的帶寬，從而降低功耗。低帶寬也會影響設備訪問網絡所使用的隨機接入信道(RACH)程序。網絡可以為RedCap設備指定一個BWP，或者減少這些設備連接到網絡時所需的BWP大小。但是，這一改進給RedCap帶來的價值有限，正是由于如上所述，RedCap設備支持的最大帶寬為20MHz。

為了讓網絡能夠支持RedCap設備，R17引入的新信令參數和程序要求設備工程師通過檢查設備的兼容性來確保連接。5G設備的開發工程師出于調試的目的，還需要用特定的工具檢查RedCap參數。

RedCap市場展望

未來幾年，5G RedCap設備的落地應用前景一片光明。分析師預測，5G RedCap芯片組將于今年或者2024年問世，第一批商用RedCap設備也將在2025年或者2026年進入市場。2026年之后，隨著各個行業以及消費者迫切希望采用支持5G連接的可穿戴設備來進行健康檢測或者用于其他應用，商用RedCap設備的市場規模將急劇上升。比如，經濟高效的無線傳感器將用于工業領域的數據收集和資產追蹤，一些監控設備也將用于智慧城市、工廠和其他應用場景。

與所有的蜂窩網絡設備一樣，5G RedCap設備在推向市場之前需要經過全面的測試，這一點至關重要。采用正確的測試方法對于驗證5G RedCap設備的協議合規性和性能而言非常關鍵。

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