5GNR RedCap關(guān)鍵技術(shù)研究

李晗陽(yáng)，翁瑋文，李男，張龍，程錦霞

5GNR RedCap關(guān)鍵技術(shù)研究

李晗陽(yáng)，翁瑋文，李男，張龍，程錦霞

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

面向工業(yè)無(wú)線傳感器、視頻監(jiān)控、可穿戴等場(chǎng)景，3GPP Release 17（Rel-17）提出了一種5G輕量級(jí)用戶終端（reduced-capability user equipment，RedCap UE）類型，能夠在滿足這類業(yè)務(wù)需求的前提下極大降低終端成本。首先，介紹了5G RedCap技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展；然后，分析了RedCap的典型應(yīng)用場(chǎng)景及其關(guān)鍵指標(biāo)；然后，從終端優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)性能提升兩方面對(duì)RedCap技術(shù)帶來(lái)的復(fù)雜度降低特性及相關(guān)增益進(jìn)行了深入研究；最后，總結(jié)了RedCap技術(shù)的發(fā)展?jié)摿εc未來(lái)演進(jìn)方向。

5G；RedCap；低復(fù)雜度；低功耗；多BWP；LTE Cat 4

0 引言

國(guó)際電信聯(lián)盟將5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景分為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable and low latency communication，URLLC）和大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type communication，mMTC），其目標(biāo)分別為提升網(wǎng)絡(luò)峰值速率、提高通信可靠性及響應(yīng)速度、實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。5G三大應(yīng)用場(chǎng)景及其典型用例如圖1所示[1]，eMBB旨在滿足人們對(duì)多媒體業(yè)務(wù)、服務(wù)、數(shù)據(jù)的獲取及交互需求，應(yīng)用場(chǎng)景包括手機(jī)、4K高清視頻、VR/AR、遠(yuǎn)程教育等；URLLC對(duì)系統(tǒng)的吞吐量、時(shí)延、可靠性有很高的要求，典型實(shí)例包括工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)線控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、自動(dòng)車輛駕駛、運(yùn)輸安全保障等；mMTC則是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署與應(yīng)用，這類設(shè)備需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小、時(shí)延敏感性較弱，同時(shí)還要兼顧低成本、低功耗的要求，主要用例部署于智慧城市、智能家居等。

圖1 5G三大應(yīng)用場(chǎng)景及典型用例[1]

目前5G在各行各業(yè)的落地，面臨較大的發(fā)展阻力，其中最大的阻力之一便是高昂的終端成本。眾所周知，5G芯片和模組的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，較高的研發(fā)門(mén)檻帶來(lái)了終端成本高的問(wèn)題，當(dāng)前5G模組價(jià)格在500～1 000元。然而部分場(chǎng)景并不存在極致的性能需求，5G現(xiàn)有能力超出了實(shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)而存在降低終端成本的需求。因此，產(chǎn)業(yè)界提出了在5G網(wǎng)絡(luò)中研究性能與成本的平衡，通過(guò)犧牲部分指標(biāo)實(shí)現(xiàn)研發(fā)成本的降低，由此提出了5G輕量級(jí)（reduced-capability，RedCap）終端。RedCap概念定義如圖2所示，顧名思義，RedCap即降低能力，是基于5G NR終端進(jìn)行剪裁形成的低復(fù)雜度終端類型，是一種輕量級(jí)的5G技術(shù)。

圖2 RedCap概念定義

1 標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

RedCap技術(shù)從2019年提出至今，經(jīng)歷了從研究討論到納入標(biāo)準(zhǔn)的不同階段，取得了階段性的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）Release 17 （Rel-17）階段RedCap技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展如圖3所示。愛(ài)立信在3GPP RAN#86會(huì)議中提出文稿[2]，提出了5G輕量級(jí)終端的概念，并初步將其命名為“NR Light”，希望針對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行立項(xiàng)，會(huì)議討論后提交了修訂文稿[3]，通過(guò)了提案并在3GPP Rel-17開(kāi)展研究項(xiàng)目。在3GPP RAN#88會(huì)議中，愛(ài)立信明確針對(duì)低復(fù)雜度5G終端進(jìn)行研究立項(xiàng)[4-5]并獲得通過(guò)，將該輕量級(jí)5G終端更名為“RedCap”，正式啟動(dòng)研究。在3GPP RAN#90e會(huì)議中，愛(ài)立信、諾基亞提出針對(duì)RedCap進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)[6]并獲得通過(guò)，在3GPP Rel-17正式啟動(dòng)RedCap標(biāo)準(zhǔn)化工作。

截至2021年第一季度，3GPP基本完成了面向RedCap UE的研究報(bào)告[7]，其中主要針對(duì)UE復(fù)雜度降低特性及其帶來(lái)的性能影響、節(jié)電特性等技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)界研究進(jìn)行了總結(jié)。隨之，在標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中輸出了該階段研究明確的特性[8]，預(yù)計(jì)在2022年第二季度完成標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。2021年第四季度在3GPP Rel-18工作組中[9]同步啟動(dòng)了下一階段RedCap特性的優(yōu)化研究[10]，主要包括帶寬進(jìn)一步降低、節(jié)電技術(shù)增強(qiáng)等方面的研究。

圖3 3GPP Rel-17階段RedCap技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

2 國(guó)家政策引導(dǎo)支持

2021年7月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021?2023年）》[11]，指出按照5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不同版本階段性特性，Rel-15聚焦高速率、大帶寬應(yīng)用，Rel-16聚焦高可靠、低時(shí)延應(yīng)用，Rel-17聚焦中高速、大連接應(yīng)用，分階段開(kāi)展技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用導(dǎo)入。

該行動(dòng)計(jì)劃中提出了“5G+信息消費(fèi)”“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“5G+智慧城市”等15個(gè)“5G+”垂直行業(yè)，列舉了智能安防監(jiān)控、新型穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程操控設(shè)備、高清視頻監(jiān)控等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)“5G+智慧農(nóng)業(yè)”等領(lǐng)域，重點(diǎn)推進(jìn)面向廣覆蓋低成本場(chǎng)景的5G技術(shù)和應(yīng)用。

在IMT-2020（5G）推進(jìn)組的第23次會(huì)議中，產(chǎn)業(yè)界針對(duì)Rel-17 RedCap市場(chǎng)需求、應(yīng)用場(chǎng)景、部署規(guī)劃和產(chǎn)品路標(biāo)進(jìn)行了討論，建議根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研制和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，與3GPP標(biāo)準(zhǔn)同步，組織國(guó)內(nèi)力量開(kāi)展面向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品規(guī)范制定，適度加快產(chǎn)業(yè)節(jié)奏。

在國(guó)家政策的積極影響下，RedCap技術(shù)的發(fā)展將獲得助力，產(chǎn)業(yè)各界也將積極跟蹤標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展，在標(biāo)準(zhǔn)工作完成后開(kāi)展技術(shù)試點(diǎn)并推動(dòng)其落地。

3 典型應(yīng)用場(chǎng)景及訴求

3.1 典型應(yīng)用場(chǎng)景

面向多樣化的5G目標(biāo)場(chǎng)景，3GPP提出了以下3類能力需求適用于RedCap的典型應(yīng)用場(chǎng)景，分別為工業(yè)無(wú)線傳感器、視頻監(jiān)控、可穿戴設(shè)備。

（1）工業(yè)無(wú)線傳感器

工業(yè)無(wú)線傳感器包括工業(yè)環(huán)境中的壓力傳感器、濕度傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器等，這些傳感器包括對(duì)性能要求非常高的URLLC應(yīng)用，也包括一些通信性能要求略低、終端尺寸較小、耗電低的相對(duì)低端應(yīng)用，這類較低端應(yīng)用可靠性要求為99.99%，業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延要求小于100 ms，設(shè)備靜止時(shí)的參考速率要求小于2 Mbit/s[7,12-13]。

（2）視頻監(jiān)控

5G應(yīng)用于城市管理、工業(yè)/農(nóng)業(yè)或各類區(qū)域監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中，存在實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控需求，以應(yīng)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題、提升管理手段等。將5G終端模組與監(jiān)控?cái)z像機(jī)集成，為視頻監(jiān)控提供靈活、低成本的回傳手段。視頻監(jiān)控的大規(guī)模應(yīng)用也需要低成本的5G模組，經(jīng)濟(jì)型視頻監(jiān)控的速率要求為2～4 Mbit/s，超高清視頻監(jiān)控的速率要求在7.5～25 Mbit/s，業(yè)務(wù)時(shí)延要求小于500 ms，通信可靠性要求在99%～99.9%[7,14]。國(guó)內(nèi)已有民用泛安防業(yè)務(wù)、行業(yè)車輛監(jiān)控和公安警務(wù)投入使用。

（3）可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備主要包括智能手表、智能手環(huán)、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等，普遍要求設(shè)備體積小、功耗低，這類用例要求終端能夠低復(fù)雜度、低成本地實(shí)現(xiàn)，并且滿足終端小尺寸要求，以適應(yīng)智能手表等終端對(duì)設(shè)備空間的嚴(yán)苛要求，便于提供空間給電池，從而增大設(shè)備續(xù)航?？纱┐髟O(shè)備的參考速率是下行5～50 Mbit/s，峰值速率下行最高為150 Mbit/s、上行最高為50 Mbit/s，電池的理想工作續(xù)航為數(shù)天甚至1～2周[7]。目前全球可穿戴業(yè)務(wù)規(guī)模逐年高速增長(zhǎng)，IDC發(fā)布的《中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告，2020年第四季度》顯示，2020年第四季度中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)出貨量為3 026萬(wàn)臺(tái)，其中，智能設(shè)備508萬(wàn)臺(tái)。

3.2 關(guān)鍵訴求

（1）RedCap總體訴求——尺寸、成本

當(dāng)前5G模組尺寸較大、價(jià)格高昂，影響了其典型業(yè)務(wù)的落地應(yīng)用，難以匹配產(chǎn)業(yè)界的規(guī)模化訴求。

尺寸方面，當(dāng)前5G模組的尺寸較大，給終端集成帶來(lái)了困難，產(chǎn)業(yè)界提出需要對(duì)終端進(jìn)行一定程度的剪裁。價(jià)格方面，當(dāng)前5G eMBB模組的價(jià)格仍然居于高位，用于安防、車載監(jiān)控等行業(yè)的攝像機(jī)價(jià)格高達(dá)幾百元，智能手表等穿戴產(chǎn)品的平均價(jià)格更高，高昂的成本在一定程度上限制這些行業(yè)應(yīng)用的規(guī)模發(fā)展。

因此，為了匹配5G芯片和模組對(duì)尺寸和價(jià)格的要求，需要降低終端復(fù)雜度以降低成本?；赗edCap的研究目標(biāo)，其終端剪裁后的成本會(huì)大幅度低于eMBB終端。

（2）工業(yè)無(wú)線傳感器關(guān)鍵訴求——時(shí)延、可靠性

工業(yè)無(wú)線傳感器或一些控制類場(chǎng)景對(duì)端到端時(shí)延有一定要求，可以繼承現(xiàn)有URLLC能力基礎(chǔ)，往返時(shí)延（round-trip time，RTT）相對(duì)于URLLC會(huì)增加5～10 ms，端到端時(shí)延要求小于100 ms，安全類探索的業(yè)務(wù)時(shí)延要求為5～10 ms。

（3）視頻監(jiān)控關(guān)鍵訴求——速率、并發(fā)連接

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)主要關(guān)注速率性能，攝像機(jī)實(shí)時(shí)將采集的圖像、視頻數(shù)據(jù)流上傳到平臺(tái)，因此，其對(duì)速率穩(wěn)定性有相對(duì)高的要求，如在5G場(chǎng)景大并發(fā)下多路終端穩(wěn)定的速率需求。

視頻監(jiān)控在產(chǎn)業(yè)界發(fā)展迅速，目前在端側(cè)具備AI智能處理功能的占比逐年提高，產(chǎn)業(yè)界期待增大5G使用以提升無(wú)線率。隨著攝像機(jī)的超清化趨勢(shì)及AI識(shí)別和處理功能在視頻監(jiān)控中逐漸成為剛需，不同產(chǎn)品壓縮程度不同，在傳輸過(guò)程中需要保證足夠的速率體驗(yàn)，成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

中國(guó)信息通信研究院組織產(chǎn)業(yè)界定義了視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的上行鏈路（uplink，UL）速率要求為2～24 Mbit/s，其中，按照清晰度定義了上行帶寬要求，分別為1 080P，2～6 Mbit/s；2K，4～12 Mbit/s；4K，8～24 Mbit/s。

（4）可穿戴設(shè)備關(guān)鍵訴求——功耗

低功耗是可穿戴設(shè)備非常關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)力，節(jié)電能力提升可加速其5G使用的升級(jí)。

當(dāng)前主流的成人和兒童智能手表中，大多數(shù)使用LTE Cat 4和Cat 1技術(shù)制式，續(xù)航時(shí)間平均較短。

對(duì)于5G場(chǎng)景的穿戴設(shè)備使用，降低功耗是標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)界討論期望的續(xù)航最大可以達(dá)到1～2周。

4 終端優(yōu)化特性與增益分析

3GPP中針對(duì)RedCap終端特性展開(kāi)了探討[7,8,15-21]，主要包括復(fù)雜度降低技術(shù)、節(jié)電技術(shù)以及RedCap終端的定義與識(shí)別技術(shù)，本節(jié)介紹目前討論確定的關(guān)鍵特性內(nèi)容。

4.1 復(fù)雜度降低技術(shù)

（1）降低UE帶寬

降低UE帶寬可降低對(duì)UE基帶處理能力的要求?；?GPP提供的成本評(píng)估模型，在FR1頻段上，UE最大帶寬從100 MHz降低為20 MHz，UE成本可降低超過(guò)30%，降低UE帶寬后的成本縮減示意圖如圖4所示。降低終端成本的主要模塊為部分基帶模塊，如模數(shù)轉(zhuǎn)換/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）模塊、快速傅里葉逆變換（inverse fast Fourier transform，IFFT）模塊、接收處理塊、低密度奇偶校驗(yàn)（low density parity check，LDPC）解碼模塊等。

圖4 降低UE帶寬后的成本縮減示意圖

（2）降低UE接收天線數(shù)與MIMO層數(shù)

減少UE接收天線數(shù)量、多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）層數(shù)后，UE復(fù)雜度及成本隨之降低?；?GPP提供的成本評(píng)估模型，在NR UE 2T4R的基礎(chǔ)上，RedCap UE的接收天線數(shù)量減少為2時(shí)，UE成本降低約40%；接收天線數(shù)量減少為1時(shí)，UE成本降低約60%，降低UE接收天線數(shù)后的成本縮減示意圖如圖5所示。降低成本的主要模塊包括天線陣列、功率放大器、濾波器、收發(fā)器、雙工器/開(kāi)關(guān)在內(nèi)的UE射頻收發(fā)信機(jī)和部分基帶處理模塊，其中，假定基帶和射頻模塊的成本比為6:4。

圖5 降低UE接收天線數(shù)后的成本縮減示意圖

（3）半雙工FDD

在NR中，UE采用全雙工的頻分雙工（full duplex-frequency division duplexing，F(xiàn)D-FDD）模式，即在相同時(shí)刻可以在不同頻率上進(jìn)行發(fā)射和接收，使用雙工器的成本較高，而在RedCap中引入了半雙工的頻分雙工（half duplex-frequency division duplexing，HD-FDD），即在不同時(shí)刻分別在不同頻率上進(jìn)行發(fā)射和接收，采用開(kāi)關(guān)和低通濾波器等組件代替了雙工器，UE的復(fù)雜度及成本也隨之降低。

LTE中存在兩種HD-FDD模式，分別為T(mén)ype A和Type B，Type A用開(kāi)關(guān)和低通濾波器代替雙工器實(shí)現(xiàn)，Type B通過(guò)上、下行鏈路共享一個(gè)本地振蕩器實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)成本的節(jié)省。3GPP當(dāng)前選擇針對(duì)RedCap UE采用Type A實(shí)現(xiàn)半雙工。評(píng)估結(jié)果表明，在此模式下的UE成本降低約7%，半雙工模式下的成本縮減示意圖如圖6所示。

圖6 半雙工模式下的成本縮減示意圖

（4）降低調(diào)制階數(shù)

降低最大調(diào)制階數(shù)后，UE復(fù)雜度及成本隨之降低。在NR中，UE最高支持256QAM調(diào)制，對(duì)于RedCap UE，3GPP討論將其設(shè)定為64QAM必選、256QAM可選?；?GPP提供的成本評(píng)估模型，在FR1上，由256QAM調(diào)制變?yōu)?4QAM調(diào)制后，UE成本降低約6%，降低調(diào)制階數(shù)后的成本縮減示意圖如圖7所示，復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)降低的主要包括射頻收發(fā)器和部分基帶模塊。

圖7 降低調(diào)制階數(shù)后的成本縮減示意圖

（5）多種技術(shù)方案組合

綜合上述多種技術(shù)方案，可盡可能地降低UE的復(fù)雜度與成本，不同方法的組合可以獲得不同程度的UE成本降低，基于3GPP研究數(shù)據(jù)，在降低UE帶寬至20 MHz、單接收天線、單MIMO、調(diào)制階數(shù)為下行64QAM、上行16QAM的情況下，成本可降低將近70%[7,22]。

4.2 節(jié)電技術(shù)

降低功耗是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的持續(xù)性議題，加之5G終端強(qiáng)烈的節(jié)能需求，節(jié)電技術(shù)成為RedCap研究中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。工業(yè)無(wú)線傳感器、視頻監(jiān)控用例中的終端位置通常處于靜止或基本靜止?fàn)顟B(tài)，采用節(jié)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗可簡(jiǎn)化運(yùn)維工作，可穿戴設(shè)備對(duì)提升電池續(xù)航有顯著需求。3GPP Rel-15/Rel-16階段引入了一系列5G終端節(jié)能技術(shù)，包括節(jié)能喚醒信號(hào)觸發(fā)非連續(xù)接收（discontinuous reception，DRX）自適應(yīng)、跨時(shí)隙調(diào)度、基于帶寬部分（bandwidth part，BWP）的MIMO層數(shù)配置、輔小區(qū)休眠、終端輔助信息上報(bào)、測(cè)量放松等[23]。在3GPP Rel-17階段，產(chǎn)業(yè)界開(kāi)展了UE節(jié)電增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目[24]，目前研究的節(jié)電技術(shù)主要有以下3類：減少物理下行控制信道（physical downlink control channel，PDCCH）監(jiān)控、增加無(wú)線資源控制（radio resource control，RRC）空閑態(tài)或非激活態(tài)UE的DRX周期、放松無(wú)線資源管理（radio resource management，RRM）測(cè)量要求。

（1）減少PDCCH監(jiān)控

UE在RRC連接態(tài)下需要進(jìn)行PDCCH監(jiān)控，從而及時(shí)接收基站對(duì)UE的調(diào)度信息。UE在每個(gè)時(shí)隙都會(huì)進(jìn)行PDCCH檢測(cè)和緩存，然而在多數(shù)時(shí)隙中只有很少的數(shù)據(jù)或沒(méi)有數(shù)據(jù)，待機(jī)時(shí)的PDCCH監(jiān)控會(huì)占據(jù)超過(guò)一半的通信功耗，這些不必要的PDCCH監(jiān)控增大了UE的能耗，因此，可以通過(guò)減少PDCCH監(jiān)控的方式實(shí)現(xiàn)UE節(jié)電。

在3GPP Rel-16中，研究提出了通過(guò)PDCCH忽略、配置多個(gè)核心集（CORESET）/搜索空間、物理層信令指示盲檢次數(shù)等方法減少PDCCH監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，在Rel-17針對(duì)RedCap的研究中，3GPP新提出了3種減少PDCCH監(jiān)控的方法，即減少每個(gè)時(shí)隙上要求UE執(zhí)行的最大盲檢次數(shù)、增大PDCCH監(jiān)測(cè)周期、動(dòng)態(tài)調(diào)整PDCCH盲檢參數(shù)，從而進(jìn)一步降低PDCCH監(jiān)控所消耗的電量。

（2）增加RRC空閑態(tài)或非激活態(tài)UE的DRX周期

針對(duì)非活躍的RedCap UE，頻繁的喚醒會(huì)消耗UE的電量，基于3GPP Rel-13引入的擴(kuò)展DRX機(jī)制，在Rel-17中針對(duì)RedCap UE繼續(xù)采用增大DRX周期的方式節(jié)省UE的耗電。

3GPP評(píng)估結(jié)果表明，增大DRX周期至10.24 s以上，RRC空閑態(tài)或非激活態(tài)中的擴(kuò)展非連續(xù)接收（extended discontinuous reception，eDRX）有明顯的節(jié)能增益[7]，有利于電池壽命的提高，該方法尤其適合業(yè)務(wù)周期較大的終端。

（3）放松RRM測(cè)量要求

在終端處于靜止或低速度移動(dòng)狀態(tài)下，信道的變化相對(duì)較慢，可以一定程度上降低對(duì)鄰區(qū)的測(cè)量要求，減少單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)量頻次對(duì)性能的影響較小，從而實(shí)現(xiàn)UE耗電的降低[24]。3GPP Rel-16提出了通過(guò)RRM測(cè)量放松進(jìn)行終端節(jié)電的機(jī)制，Rel-17在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究RedCap UE在RRC空閑態(tài)、非激活態(tài)和連接態(tài)下放松RRC測(cè)量要求的節(jié)電增強(qiáng)機(jī)制。

3GPP評(píng)估結(jié)果表明，當(dāng)處于RRC空閑態(tài)、非激活態(tài)的UE的測(cè)量周期擴(kuò)大4倍時(shí)，可以獲得3.6%～13.4%的節(jié)電增益；當(dāng)連接態(tài)UE的測(cè)量周期擴(kuò)大4倍時(shí)，可以獲得11.1%～26.6%的節(jié)電增益[7]。

4.3 RdeCap終端定義與識(shí)別技術(shù)

在LTE中，根據(jù)功能等級(jí)的不同，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分定義了多種UE類型。面向NR RedCap研究，產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為不應(yīng)該定義過(guò)多的UE類型，以避免產(chǎn)品碎片化。因此在開(kāi)展RedCap標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目時(shí)，3GPP決定只定義一種RedCap UE類型，包括RedCap UE識(shí)別能力、限制RedCap UE僅對(duì)RedCap UE使用這些能力以及防止RedCap使用不適用于RedCap UE的其他能力，包括載波聚合、雙連接和更大的帶寬等。

在明確了RedCap UE類型后，在UE接入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，需要網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確識(shí)別出RedCap UE以確保正確提供服務(wù)并進(jìn)行針對(duì)性處理，如調(diào)度消息、限制UE對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)等。

根據(jù)RedCap UE指示發(fā)生在隨機(jī)接入過(guò)程中的先后位置，可將RedCap UE識(shí)別方案分為4類，分別在隨機(jī)接入的Msg1、Msg3、Msg5或兩步隨機(jī)接入的MsgA傳輸期間指示RedCap UE。在3GPP RedCap標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中，研究決定采用前兩種方式，即通過(guò)Msg1或Msg3的早期指示被網(wǎng)絡(luò)明確識(shí)別；如果支持兩步隨機(jī)接入，則也支持通過(guò)MsgA識(shí)別RedCap UE，包括具備網(wǎng)絡(luò)可配置早期指示的能力[25-26]。

表1 NR RedCap與LTE Cat 4技術(shù)對(duì)標(biāo)

5 網(wǎng)絡(luò)功能特性與性能提升

5.1 NR RedCap與LTE Cat 4對(duì)標(biāo)分析

RedCap技術(shù)從5G終端低成本切入開(kāi)展研究，其終端能力與LTE Cat 4基本對(duì)齊，由于端側(cè)能力相近，產(chǎn)業(yè)界對(duì)RedCap發(fā)展的必要性存在不同聲音，考慮RedCap研究訴求及后續(xù)發(fā)展方向，該技術(shù)與LTE Cat 4能力特性的對(duì)標(biāo)分析尤為重要。

整體來(lái)說(shuō)，RedCap的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：可充分利用NR網(wǎng)絡(luò)大帶寬，提供LTE無(wú)法保證的時(shí)延和可靠性性能，速率也略優(yōu)于Cat 4；另外，RedCap可繼承NR的各類優(yōu)秀特性，如多BWP、切片、用戶面功能（user plane function，UPF）下沉、更優(yōu)功耗等。而在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、終端價(jià)格和產(chǎn)業(yè)成熟度方面，LTE Cat 4在初期相較于RedCap具備一定優(yōu)勢(shì)。NR RedCap與LTE Cat 4技術(shù)對(duì)標(biāo)見(jiàn)表1。

5.2 NR RedCap與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的功能特性

基于NR RedCap與LTE Cat 4的對(duì)比，產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為這種輕量級(jí)5G技術(shù)的核心價(jià)值還是在于與NR網(wǎng)絡(luò)優(yōu)異特性的融合，也就是說(shuō)，RedCap在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的功能特性是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

基于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化研究關(guān)注的內(nèi)容進(jìn)展[25-26]，RedCap技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的功能特性見(jiàn)表2。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著RedCap的引入，終端復(fù)雜度相比傳統(tǒng)eMBB終端有明顯下降，并且可充分利用NR大帶寬優(yōu)勢(shì)，繼承了NR的各類優(yōu)秀特性，如多BWP、切片、UPF下沉、更優(yōu)功耗等，對(duì)產(chǎn)業(yè)界具備極大吸引力。伴隨著3GPP Rel-17階段RedCap標(biāo)準(zhǔn)化工作的逐步夯實(shí)完善，在產(chǎn)業(yè)各界的全力推動(dòng)下，相信RedCap技術(shù)能夠在其應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手。此外，面向更低成本、更優(yōu)功耗的需求，RedCap會(huì)持續(xù)演進(jìn)，在3GPP Rel-18階段將重點(diǎn)針對(duì)帶寬縮減、功耗節(jié)省等特性[9]開(kāi)展攻關(guān)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低成本5G終端技術(shù)的優(yōu)化及其與網(wǎng)絡(luò)的適配融合。

表2 RedCap技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的功能特性

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Research of 5G NR RedCap technology

LI Hanyang, WENG Weiwen, LI Nan, ZHANG Long, CHENG Jinxia

China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Faced to industrial wireless sensors, video surveillance, wearable devices, RedCap UE (reduced-capability user equipment) was proposed in 3GPP Release 17 (Rel-17), which could greatly reduce the costs of UE under the premise of satisfying the requirements of these use cases. Firstly, the standardization progress of 5G RedCap was introduced. Then, typical use cases of 5G RedCap technology were analyzed. After that, deep research was carried on the complexity reduction characteristics as well as the related gains brought by RedCap technology from two aspects of UE optimization and network performance improvement. Finally, the development potential and the evolution direction in the future were summarized.

5G, RedCap, low complexity, low power consumption, multiple BWP, LTE Cat4

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022044

2022?01?30；

2022?03?11

李晗陽(yáng)（1993? ），女，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院研究員，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)及演進(jìn)解決方案。

翁瑋文（1978? ），男，現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)及演進(jìn)解決方案。

李男（1981? ），男，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院無(wú)線與終端技術(shù)研究所副所長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事移動(dòng)通信技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作，主要研究方向?yàn)?G、6G通信新技術(shù)及芯片自主可控攻關(guān)等。

張龍（1985? ），男，現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，主要研究方向?yàn)?G行業(yè)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

程錦霞（1981? ），女，現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，主要研究方向?yàn)?G行業(yè)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。