5GNR RedCap关键技术研究

2022-07-09李晗阳翁玮文李男张龙程锦霞

电信科学 2022年3期

李晗阳，翁玮文，李男，张龙，程锦霞

5GNR RedCap关键技术研究

李晗阳，翁玮文，李男，张龙，程锦霞

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

面向工业无线传感器、视频监控、可穿戴等场景，3GPP Release 17（Rel-17）提出了一种5G轻量级用户终端（reduced-capability user equipment，RedCap UE）类型，能够在满足这类业务需求的前提下极大降低终端成本。首先，介绍了5G RedCap技术的标准化研究进展；然后，分析了RedCap的典型应用场景及其关键指标；然后，从终端优化及网络性能提升两方面对RedCap技术带来的复杂度降低特性及相关增益进行了深入研究；最后，总结了RedCap技术的发展潜力与未来演进方向。

5G；RedCap；低复杂度；低功耗；多BWP；LTE Cat 4

0 引言

国际电信联盟将5G的三大应用场景分为增强型移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB）、超可靠低时延通信（ultra-reliable and low latency communication，URLLC）和大连接物联网（massive machine type communication，mMTC），其目标分别为提升网络峰值速率、提高通信可靠性及响应速度、实现万物互联。5G三大应用场景及其典型用例如图1所示[1]，eMBB旨在满足人们对多媒体业务、服务、数据的获取及交互需求，应用场景包括手机、4K高清视频、VR/AR、远程教育等；URLLC对系统的吞吐量、时延、可靠性有很高的要求，典型实例包括工业生产过程的无线控制、远程医疗手术、自动车辆驾驶、运输安全保障等；mMTC则是大规模物联网部署与应用，这类设备需要传输的数据量较小、时延敏感性较弱，同时还要兼顾低成本、低功耗的要求，主要用例部署于智慧城市、智能家居等。

图1 5G三大应用场景及典型用例[1]

目前5G在各行各业的落地，面临较大的发展阻力，其中最大的阻力之一便是高昂的终端成本。众所周知，5G芯片和模组的设计较为复杂，较高的研发门槛带来了终端成本高的问题，当前5G模组价格在500～1 000元。然而部分场景并不存在极致的性能需求，5G现有能力超出了实际应用需求，进而存在降低终端成本的需求。因此，产业界提出了在5G网络中研究性能与成本的平衡，通过牺牲部分指标实现研发成本的降低，由此提出了5G轻量级（reduced-capability，RedCap）终端。RedCap概念定义如图2所示，顾名思义，RedCap即降低能力，是基于5G NR终端进行剪裁形成的低复杂度终端类型，是一种轻量级的5G技术。

图2 RedCap概念定义

1 标准化研究进展

RedCap技术从2019年提出至今，经历了从研究讨论到纳入标准的不同阶段，取得了阶段性的标准化工作进展，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）Release 17 （Rel-17）阶段RedCap技术的标准化研究进展如图3所示。爱立信在3GPP RAN#86会议中提出文稿[2]，提出了5G轻量级终端的概念，并初步将其命名为“NR Light”，希望针对该领域进行立项，会议讨论后提交了修订文稿[3]，通过了提案并在3GPP Rel-17开展研究项目。在3GPP RAN#88会议中，爱立信明确针对低复杂度5G终端进行研究立项[4-5]并获得通过，将该轻量级5G终端更名为“RedCap”，正式启动研究。在3GPP RAN#90e会议中，爱立信、诺基亚提出针对RedCap进行标准立项[6]并获得通过，在3GPP Rel-17正式启动RedCap标准化工作。

截至2021年第一季度，3GPP基本完成了面向RedCap UE的研究报告[7]，其中主要针对UE复杂度降低特性及其带来的性能影响、节电特性等技术对产业界研究进行了总结。随之，在标准项目中输出了该阶段研究明确的特性[8]，预计在2022年第二季度完成标准冻结。2021年第四季度在3GPP Rel-18工作组中[9]同步启动了下一阶段RedCap特性的优化研究[10]，主要包括带宽进一步降低、节电技术增强等方面的研究。

图3 3GPP Rel-17阶段RedCap技术的标准化研究进展

2 国家政策引导支持

2021年7月，工业和信息化部发布了《5G应用“扬帆”行动计划（2021−2023年）》[11]，指出按照5G国际标准不同版本阶段性特性，Rel-15聚焦高速率、大带宽应用，Rel-16聚焦高可靠、低时延应用，Rel-17聚焦中高速、大连接应用，分阶段开展技术、产业化和应用导入。

该行动计划中提出了“5G+信息消费”“5G+工业互联网”“5G+智慧城市”等15个“5G+”垂直行业，列举了智能安防监控、新型穿戴设备、远程操控设备、高清视频监控等众多应用领域，针对“5G+智慧农业”等领域，重点推进面向广覆盖低成本场景的5G技术和应用。

在IMT-2020（5G）推进组的第23次会议中，产业界针对Rel-17 RedCap市场需求、应用场景、部署规划和产品路标进行了讨论，建议根据标准研制和产业进展，与3GPP标准同步，组织国内力量开展面向国内市场需求的产品规范制定，适度加快产业节奏。

在国家政策的积极影响下，RedCap技术的发展将获得助力，产业各界也将积极跟踪标准化研究进展，在标准工作完成后开展技术试点并推动其落地。

3 典型应用场景及诉求

3.1 典型应用场景

面向多样化的5G目标场景，3GPP提出了以下3类能力需求适用于RedCap的典型应用场景，分别为工业无线传感器、视频监控、可穿戴设备。

（1）工业无线传感器

工业无线传感器包括工业环境中的压力传感器、湿度传感器、运动传感器等，这些传感器包括对性能要求非常高的URLLC应用，也包括一些通信性能要求略低、终端尺寸较小、耗电低的相对低端应用，这类较低端应用可靠性要求为99.99%，业务的端到端时延要求小于100 ms，设备静止时的参考速率要求小于2 Mbit/s[7,12-13]。

（2）视频监控

5G应用于城市管理、工业/农业或各类区域监测等场景中，存在实时视频监控需求，以应对安全风险问题、提升管理手段等。将5G终端模组与监控摄像机集成，为视频监控提供灵活、低成本的回传手段。视频监控的大规模应用也需要低成本的5G模组，经济型视频监控的速率要求为2～4 Mbit/s，超高清视频监控的速率要求在7.5～25 Mbit/s，业务时延要求小于500 ms，通信可靠性要求在99%～99.9%[7,14]。国内已有民用泛安防业务、行业车辆监控和公安警务投入使用。

（3）可穿戴设备

可穿戴设备主要包括智能手表、智能手环、医疗监控设备等，普遍要求设备体积小、功耗低，这类用例要求终端能够低复杂度、低成本地实现，并且满足终端小尺寸要求，以适应智能手表等终端对设备空间的严苛要求，便于提供空间给电池，从而增大设备续航。可穿戴设备的参考速率是下行5～50 Mbit/s，峰值速率下行最高为150 Mbit/s、上行最高为50 Mbit/s，电池的理想工作续航为数天甚至1～2周[7]。目前全球可穿戴业务规模逐年高速增长，IDC发布的《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告，2020年第四季度》显示，2020年第四季度中国可穿戴设备市场出货量为3 026万台，其中，智能设备508万台。

3.2 关键诉求

（1）RedCap总体诉求——尺寸、成本

当前5G模组尺寸较大、价格高昂，影响了其典型业务的落地应用，难以匹配产业界的规模化诉求。

尺寸方面，当前5G模组的尺寸较大，给终端集成带来了困难，产业界提出需要对终端进行一定程度的剪裁。价格方面，当前5G eMBB模组的价格仍然居于高位，用于安防、车载监控等行业的摄像机价格高达几百元，智能手表等穿戴产品的平均价格更高，高昂的成本在一定程度上限制这些行业应用的规模发展。

因此，为了匹配5G芯片和模组对尺寸和价格的要求，需要降低终端复杂度以降低成本。基于RedCap的研究目标，其终端剪裁后的成本会大幅度低于eMBB终端。

（2）工业无线传感器关键诉求——时延、可靠性

工业无线传感器或一些控制类场景对端到端时延有一定要求，可以继承现有URLLC能力基础，往返时延（round-trip time，RTT）相对于URLLC会增加5～10 ms，端到端时延要求小于100 ms，安全类探索的业务时延要求为5～10 ms。

（3）视频监控关键诉求——速率、并发连接

视频监控业务主要关注速率性能，摄像机实时将采集的图像、视频数据流上传到平台，因此，其对速率稳定性有相对高的要求，如在5G场景大并发下多路终端稳定的速率需求。

视频监控在产业界发展迅速，目前在端侧具备AI智能处理功能的占比逐年提高，产业界期待增大5G使用以提升无线率。随着摄像机的超清化趋势及AI识别和处理功能在视频监控中逐渐成为刚需，不同产品压缩程度不同，在传输过程中需要保证足够的速率体验，成为产业界关注的重点。

中国信息通信研究院组织产业界定义了视频监控业务的上行链路（uplink，UL）速率要求为2～24 Mbit/s，其中，按照清晰度定义了上行带宽要求，分别为1 080P，2～6 Mbit/s；2K，4～12 Mbit/s；4K，8～24 Mbit/s。

（4）可穿戴设备关键诉求——功耗

低功耗是可穿戴设备非常关键的竞争力，节电能力提升可加速其5G使用的升级。

当前主流的成人和儿童智能手表中，大多数使用LTE Cat 4和Cat 1技术制式，续航时间平均较短。

对于5G场景的穿戴设备使用，降低功耗是标准化的重点，产业界讨论期望的续航最大可以达到1～2周。

4 终端优化特性与增益分析

3GPP中针对RedCap终端特性展开了探讨[7,8,15-21]，主要包括复杂度降低技术、节电技术以及RedCap终端的定义与识别技术，本节介绍目前讨论确定的关键特性内容。

4.1 复杂度降低技术

（1）降低UE带宽

降低UE带宽可降低对UE基带处理能力的要求。基于3GPP提供的成本评估模型，在FR1频段上，UE最大带宽从100 MHz降低为20 MHz，UE成本可降低超过30%，降低UE带宽后的成本缩减示意图如图4所示。降低终端成本的主要模块为部分基带模块，如模数转换/数模转换器、快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）模块、快速傅里叶逆变换（inverse fast Fourier transform，IFFT）模块、接收处理块、低密度奇偶校验（low density parity check，LDPC）解码模块等。

图4 降低UE带宽后的成本缩减示意图

（2）降低UE接收天线数与MIMO层数

减少UE接收天线数量、多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO）层数后，UE复杂度及成本随之降低。基于3GPP提供的成本评估模型，在NR UE 2T4R的基础上，RedCap UE的接收天线数量减少为2时，UE成本降低约40%；接收天线数量减少为1时，UE成本降低约60%，降低UE接收天线数后的成本缩减示意图如图5所示。降低成本的主要模块包括天线阵列、功率放大器、滤波器、收发器、双工器/开关在内的UE射频收发信机和部分基带处理模块，其中，假定基带和射频模块的成本比为6:4。

图5 降低UE接收天线数后的成本缩减示意图

（3）半双工FDD

在NR中，UE采用全双工的频分双工（full duplex-frequency division duplexing，FD-FDD）模式，即在相同时刻可以在不同频率上进行发射和接收，使用双工器的成本较高，而在RedCap中引入了半双工的频分双工（half duplex-frequency division duplexing，HD-FDD），即在不同时刻分别在不同频率上进行发射和接收，采用开关和低通滤波器等组件代替了双工器，UE的复杂度及成本也随之降低。

LTE中存在两种HD-FDD模式，分别为Type A和Type B，Type A用开关和低通滤波器代替双工器实现，Type B通过上、下行链路共享一个本地振荡器实现射频收发成本的节省。3GPP当前选择针对RedCap UE采用Type A实现半双工。评估结果表明，在此模式下的UE成本降低约7%，半双工模式下的成本缩减示意图如图6所示。

图6 半双工模式下的成本缩减示意图

（4）降低调制阶数

降低最大调制阶数后，UE复杂度及成本随之降低。在NR中，UE最高支持256QAM调制，对于RedCap UE，3GPP讨论将其设定为64QAM必选、256QAM可选。基于3GPP提供的成本评估模型，在FR1上，由256QAM调制变为64QAM调制后，UE成本降低约6%，降低调制阶数后的成本缩减示意图如图7所示，复杂度实现降低的主要包括射频收发器和部分基带模块。

图7 降低调制阶数后的成本缩减示意图

（5）多种技术方案组合

综合上述多种技术方案，可尽可能地降低UE的复杂度与成本，不同方法的组合可以获得不同程度的UE成本降低，基于3GPP研究数据，在降低UE带宽至20 MHz、单接收天线、单MIMO、调制阶数为下行64QAM、上行16QAM的情况下，成本可降低将近70%[7,22]。

4.2 节电技术

降低功耗是物联网领域的持续性议题，加之5G终端强烈的节能需求，节电技术成为RedCap研究中重点关注的问题。工业无线传感器、视频监控用例中的终端位置通常处于静止或基本静止状态，采用节电技术实现低功耗可简化运维工作，可穿戴设备对提升电池续航有显著需求。3GPP Rel-15/Rel-16阶段引入了一系列5G终端节能技术，包括节能唤醒信号触发非连续接收（discontinuous reception，DRX）自适应、跨时隙调度、基于带宽部分（bandwidth part，BWP）的MIMO层数配置、辅小区休眠、终端辅助信息上报、测量放松等[23]。在3GPP Rel-17阶段，产业界开展了UE节电增强标准项目[24]，目前研究的节电技术主要有以下3类：减少物理下行控制信道（physical downlink control channel，PDCCH）监控、增加无线资源控制（radio resource control，RRC）空闲态或非激活态UE的DRX周期、放松无线资源管理（radio resource management，RRM）测量要求。

（1）减少PDCCH监控

UE在RRC连接态下需要进行PDCCH监控，从而及时接收基站对UE的调度信息。UE在每个时隙都会进行PDCCH检测和缓存，然而在多数时隙中只有很少的数据或没有数据，待机时的PDCCH监控会占据超过一半的通信功耗，这些不必要的PDCCH监控增大了UE的能耗，因此，可以通过减少PDCCH监控的方式实现UE节电。

在3GPP Rel-16中，研究提出了通过PDCCH忽略、配置多个核心集（CORESET）/搜索空间、物理层信令指示盲检次数等方法减少PDCCH监控。在此基础上，在Rel-17针对RedCap的研究中，3GPP新提出了3种减少PDCCH监控的方法，即减少每个时隙上要求UE执行的最大盲检次数、增大PDCCH监测周期、动态调整PDCCH盲检参数，从而进一步降低PDCCH监控所消耗的电量。

（2）增加RRC空闲态或非激活态UE的DRX周期

针对非活跃的RedCap UE，频繁的唤醒会消耗UE的电量，基于3GPP Rel-13引入的扩展DRX机制，在Rel-17中针对RedCap UE继续采用增大DRX周期的方式节省UE的耗电。

3GPP评估结果表明，增大DRX周期至10.24 s以上，RRC空闲态或非激活态中的扩展非连续接收（extended discontinuous reception，eDRX）有明显的节能增益[7]，有利于电池寿命的提高，该方法尤其适合业务周期较大的终端。

（3）放松RRM测量要求

在终端处于静止或低速度移动状态下，信道的变化相对较慢，可以一定程度上降低对邻区的测量要求，减少单位时间内的测量频次对性能的影响较小，从而实现UE耗电的降低[24]。3GPP Rel-16提出了通过RRM测量放松进行终端节电的机制，Rel-17在其基础上进一步研究RedCap UE在RRC空闲态、非激活态和连接态下放松RRC测量要求的节电增强机制。

3GPP评估结果表明，当处于RRC空闲态、非激活态的UE的测量周期扩大4倍时，可以获得3.6%～13.4%的节电增益；当连接态UE的测量周期扩大4倍时，可以获得11.1%～26.6%的节电增益[7]。

4.3 RdeCap终端定义与识别技术

在LTE中，根据功能等级的不同，标准区分定义了多种UE类型。面向NR RedCap研究，产业界认为不应该定义过多的UE类型，以避免产品碎片化。因此在开展RedCap标准项目时，3GPP决定只定义一种RedCap UE类型，包括RedCap UE识别能力、限制RedCap UE仅对RedCap UE使用这些能力以及防止RedCap使用不适用于RedCap UE的其他能力，包括载波聚合、双连接和更大的带宽等。

在明确了RedCap UE类型后，在UE接入网络的过程中，需要网络能够准确识别出RedCap UE以确保正确提供服务并进行针对性处理，如调度消息、限制UE对网络的访问等。

根据RedCap UE指示发生在随机接入过程中的先后位置，可将RedCap UE识别方案分为4类，分别在随机接入的Msg1、Msg3、Msg5或两步随机接入的MsgA传输期间指示RedCap UE。在3GPP RedCap标准项目中，研究决定采用前两种方式，即通过Msg1或Msg3的早期指示被网络明确识别；如果支持两步随机接入，则也支持通过MsgA识别RedCap UE，包括具备网络可配置早期指示的能力[25-26]。

表1 NR RedCap与LTE Cat 4技术对标

5 网络功能特性与性能提升

5.1 NR RedCap与LTE Cat 4对标分析

RedCap技术从5G终端低成本切入开展研究，其终端能力与LTE Cat 4基本对齐，由于端侧能力相近，产业界对RedCap发展的必要性存在不同声音，考虑RedCap研究诉求及后续发展方向，该技术与LTE Cat 4能力特性的对标分析尤为重要。

整体来说，RedCap的优势表现在：可充分利用NR网络大带宽，提供LTE无法保证的时延和可靠性性能，速率也略优于Cat 4；另外，RedCap可继承NR的各类优秀特性，如多BWP、切片、用户面功能（user plane function，UPF）下沉、更优功耗等。而在网络覆盖、终端价格和产业成熟度方面，LTE Cat 4在初期相较于RedCap具备一定优势。NR RedCap与LTE Cat 4技术对标见表1。

5.2 NR RedCap与网络相关的功能特性

基于NR RedCap与LTE Cat 4的对比，产业界普遍认为这种轻量级5G技术的核心价值还是在于与NR网络优异特性的融合，也就是说，RedCap在网络侧的功能特性是后续研究的重点。

基于当前标准化研究关注的内容进展[25-26]，RedCap技术与网络相关的功能特性见表2。

6 结束语

综上所述，随着RedCap的引入，终端复杂度相比传统eMBB终端有明显下降，并且可充分利用NR大带宽优势，继承了NR的各类优秀特性，如多BWP、切片、UPF下沉、更优功耗等，对产业界具备极大吸引力。伴随着3GPP Rel-17阶段RedCap标准化工作的逐步夯实完善，在产业各界的全力推动下，相信RedCap技术能够在其应用领域大显身手。此外，面向更低成本、更优功耗的需求，RedCap会持续演进，在3GPP Rel-18阶段将重点针对带宽缩减、功耗节省等特性[9]开展攻关，进一步实现低成本5G终端技术的优化及其与网络的适配融合。

表2 RedCap技术与网络相关的功能特性

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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

10.11959/j.issn.1000−0801.2022044

2022−01−30；

2022−03−11