曹 恒，尚海波，平軍磊，張 鵬（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司，北京 00033）

1 概述

5G 主要面向三大類應用場景，即增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）。3GPP通過3個版本的標準完成5G第1階段的技術演進，Rel-15 是現(xiàn)網(wǎng)商用版本，重點滿足增強移動寬帶（eMBB）和基礎的低時延、高可靠（uRLLC）應用需求；Rel-16 主要聚焦于eMBB 的增強以及低時延、高可靠能力的完善，關注垂直行業(yè)應用及整體系統(tǒng)性能的提升；Rel-17 對5G 基礎能力和垂直行業(yè)技術進行增強，并引入了許多全新的特性和技術，如RedCap等。

RedCap 技術是在確保應用需求和性能的前提下，通過削減設備的能力，降低終端設備的復雜度，達到降低成本和功耗、延長使用壽命等目的。同時繼承了5G 原生能力，可支持5G LAN、uRLLC、切片等垂直行業(yè)增強特性，滿足行業(yè)用戶的增強需求，是5G 物聯(lián)網(wǎng)最核心的標準技術。

2 RedCap關鍵特性與能力

RedCap 作為“輕量化”5G 技術，相對于Rel-15/Rel-16 的eMBB 和uRLLC 設備，RedCap 設備具備低復雜度和成本，設備尺寸滿足緊湊型設計要求，可以在NR 全頻帶內(nèi)部署，并支持FDD 和TDD 模式，其關鍵特性及效果如表1所示。

表1 RedCap“輕量化”關鍵特性及效果

移動物聯(lián)網(wǎng)重點面向4 類應用場景需求：采用NB-IoT 滿足大部分低速率場景需求，采用4G Cat.1、5G RedCap（R18）滿足中等速率物聯(lián)需求和語音需求，采用4G Cat.4、5G RedCap（R17）滿足中高速率場景需求，采用5G NR技術滿足更高速率、低時延聯(lián)網(wǎng)需求。

RedCap 終端在最大工作帶寬、調(diào)制階數(shù)、數(shù)據(jù)速率等方面與4G Cat.4終端相當，可以通過支持uRLLC、節(jié)能、覆蓋增強、切片、SUL、5G LAN 等技術實現(xiàn)能力的組合增強，更好地滿足垂直行業(yè)的需求，RedCap 綜合能力將超越現(xiàn)有的4G Cat.4終端。隨著標準繼續(xù)演進，預計在2024 年的Rel-18 標準中，RedCap 將對標4G Cat.1/1bis，通過縮減業(yè)務帶寬至5M、降低峰值速率等進一步降低終端復雜度。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務分類和技術特點對比如表2所示。

表2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接分類及業(yè)務技術特點

3 RedCap應用場景及產(chǎn)業(yè)生態(tài)

3.1 RedCap行業(yè)需求及應用方向

在3GPP 標準化工作中，產(chǎn)業(yè)界劃分出適用于RedCap的典型應用場景包括工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控和可穿戴設備。受政策、產(chǎn)業(yè)、市場等多方面因素影響，國內(nèi)在配電自動化、車聯(lián)網(wǎng)領域也有廣泛的應用空間。

a）工業(yè)無線傳感器通過內(nèi)置5G 模組或外接5G終端設備采集運行數(shù)據(jù)，產(chǎn)品形態(tài)主要包括DTU、CPE、工業(yè)網(wǎng)關等。工信部《5G 全連接工廠建設指南》提出十四五期間推動萬家企業(yè)開展5G 全連接工廠建設，工業(yè)數(shù)據(jù)采集逐漸成為實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉型的基礎環(huán)節(jié)，未來連接規(guī)?？蛇_百萬級。

b）視頻監(jiān)控應用廣泛，中國每年銷售超過1.2 億只攝像頭，目前攝像頭無線化比例低于3%。但據(jù)公安部門統(tǒng)計，城市安防的有線傳輸攝像頭在線率為70%～90%，離線的原因主要是光纖不可達、傳輸損壞等，攝像頭無線化是剛性需求。標準5G主要用于移動性及速率時延要求較高場景，Cat.1/4 主要用于移動性要求不高的場景。RedCap 可滿足中高端視頻監(jiān)控業(yè)務中存在高清、低功耗需求和有政策+成本驅(qū)動的典型場景，如政法公安高清執(zhí)法、行業(yè)作業(yè)AR 攝像頭等。

c）隨著人們對大健康的關注度逐步提升，智能手表、智能手環(huán)、慢病監(jiān)測設備、醫(yī)療監(jiān)控設備等實現(xiàn)了大規(guī)模普及。這些業(yè)務普遍要求設備體積小、功耗低。其典型業(yè)務需求包括下行參考速率為5～50 Mbit/s、上行參考速率為2～5 Mbit/s；下行峰值速率為150 Mbit/s、上行峰值速率為50 Mbit/s；電池的理想工作續(xù)航為數(shù)天甚至1～2 周。智能穿戴產(chǎn)品在迭代的過程中，亟需更強的網(wǎng)絡連接能力、更低的功率消耗、更小的設備體積以及更豐富的軟件功能。LTE Cat.1 在承接2G 網(wǎng)絡換代之后，逐步擴大應用場景。同時也為5G Red-Cap在可穿戴領域奠定良好的基礎。

d）國家能源局發(fā)布《能源領域5G 應用實施方案》等一系列政策，明確在電力行業(yè)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)開展5G應用場景和解決方案的創(chuàng)新試點工作。其中在配電環(huán)節(jié)中的應用主要是數(shù)據(jù)采集和遠程控制，其具有終端數(shù)量多、覆蓋面廣、場景復雜、可靠性及時延要求高等特點，由于需要規(guī)模連接，對成本較敏感，RedCap 終端將有效降低5G 電力終端及模組的成本，助力電力行業(yè)5G應用規(guī)模推廣。

e）目前隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術持續(xù)推進，C-V2X量產(chǎn)前裝已經(jīng)成為車企共識?！吨悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車技術路線圖2.0》規(guī)劃中提到2025 年部分自動駕駛（PA）、有條件自動駕駛（CA）級智能網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率持續(xù)增加，預計到2025 年達50%，2030 年超過70%，2025 年CV2X 終端的新車裝配率達50%，2030 年基本普及。當前量產(chǎn)車市場正處于4G/5G 迭代窗口期，量產(chǎn)汽車的5G 發(fā)展可能直接轉向5G 高品質(zhì)路線。根據(jù)細分場景分析，重點關注自動駕駛領域的RedCap 示范應用，在乘用車領域密切跟蹤車企需求。

3.2 RedCap產(chǎn)業(yè)及生態(tài)進展

自從Rel-17 RedCap 標準凍結后，RedCap 產(chǎn)業(yè)生態(tài)不斷提速。2022 年完成了應用場景與關鍵技術研究、關鍵技術測試規(guī)范制定、開展關鍵技術測試。2023年，高通、MTK、紫光展銳等芯片廠商加速RedCap芯片商用進程；聯(lián)通雁飛、美格、廣和通等廠商的6 款RedCap 模組陸續(xù)問世；聯(lián)通數(shù)傳網(wǎng)關、南瑞配網(wǎng)自動化終端、中移物聯(lián)企業(yè)網(wǎng)關、中微普業(yè)工業(yè)網(wǎng)關等RedCap終端相繼推出至21款模組。在RedCap模組商用初期，其預計售價在200 元左右，隨著商用節(jié)奏加速、市場規(guī)模發(fā)展，預計其售價可降至百元，最終能與現(xiàn)階段4G Cat.4模組價格持平。

運營商也積極推動RedCap發(fā)展，相繼發(fā)布產(chǎn)業(yè)及技術白皮書，開展面向行業(yè)的外場測試，聚焦5G Red-Cap 在2B 場景應用試點和場景驗證，推動網(wǎng)絡、終端產(chǎn)品及應用部署落地。

4 RedCap網(wǎng)絡部署策略

4.1 RedCap網(wǎng)絡部署區(qū)域

RedCap 部署區(qū)域與終端、業(yè)務應用成熟度緊密關聯(lián)。回顧Cat.1的發(fā)展歷史，技術優(yōu)勢轉化為商業(yè)化優(yōu)勢，需具備完善網(wǎng)絡覆蓋（4G 基站已成為國內(nèi)的覆蓋范圍最大、最完善的蜂窩網(wǎng)絡，4G 基站均支持LTE Cat.1 網(wǎng)絡能力，無需額外投入）、明顯的成本優(yōu)勢（在國產(chǎn)化后，LTE Cat.1 芯片通信模組和智能終端的成本逐步降低，Cat.1 模組價格只需20～30 元，相比Cat.4 與5G 有明顯優(yōu)勢）、政策及場景應用契合（2G/3G 網(wǎng)絡升級促進存量遷移）等特點。

經(jīng)過4 年的5G 網(wǎng)絡建設，截至2023 年7 月末，5G基站總數(shù)達305.5 萬個，占移動基站總數(shù)的26.9%，雖然取得長足發(fā)展，但5G網(wǎng)絡覆蓋仍需持續(xù)完善。且現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡需升級才能支持RedCap 功能，對運營商而言存量基站的升級投入巨大，需緊跟業(yè)務需求適時逐步升級。另一方面目前RedCap 終端仍需至少支持SA/LTE 雙模，成本不具有明顯優(yōu)勢。所以，在RedCap商用初期，面對已經(jīng)成熟的4G 物聯(lián)網(wǎng)應用，RedCap 應結合自有特點，聚焦5G 原生能力、5G 專網(wǎng)應用（only 5G）等場景實現(xiàn)突破。RedCap 首批應用市場將在保證滿足行業(yè)功能、性能需求的同時，顯著降低2B 行業(yè)應用5G的端側成本，例如工業(yè)傳感器、配電自動化、園區(qū)視頻監(jiān)控等行業(yè)應用，初期網(wǎng)絡升級以局域為主；隨著模組成本降低，車聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴等廣域應用也將逐步采用RedCap替代原有的4G物聯(lián)技術。

4.2 RedCap網(wǎng)絡升級規(guī)劃

4.2.1 RedCap核心網(wǎng)升級

為避免全網(wǎng)改造帶來的投資浪費，建議充分發(fā)揮5G 切片技術優(yōu)勢，核心網(wǎng)基于RedCap 獨立切片方式進行部署。

以國內(nèi)某運營商為例，現(xiàn)網(wǎng)5GC 按照大區(qū)集約化部署，2B、2C 兩網(wǎng)分設，2C AMF 為Default AMF。建議基于2B 網(wǎng)絡升級支持RedCap 業(yè)務，每大區(qū)升級2 套UDM、PCF、AMF、SMF、UPF 支持RedCap 功能，并為各網(wǎng)元規(guī)劃配置RedCap 專用切片（見圖1）。具體業(yè)務實現(xiàn)方案如下。

圖1 核心網(wǎng)部署方案

a）終端注冊選網(wǎng)方案。為RedCap 用戶簽約專用切片，當RedCap用戶接入5G網(wǎng)絡發(fā)起注冊時（以初始注冊為例），5G 基站將注冊請求發(fā)送給2C AMF，2C AMF 向用戶歸屬UDM 查詢用戶簽約數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無法為用戶簽約的切片提供服務，進而向NSSF查詢可為用戶切片提供服務的目標AMF，查詢完成后向目標AMF發(fā)起AMF 重定向流程，最后由目標AMF 繼續(xù)完成終端注冊流程。

b）終端會話建立方案。終端完成注冊流程后，AMF 基于終端簽約的切片+DNN+TAC 為終端選擇SMF建立會話，由支持RedCap切片的專用SMF為終端建立會話。

基于該方案，未來根據(jù)RedCap 業(yè)務細分場景對5G 網(wǎng)絡SLA 的不同需求，可以為RedCap 業(yè)務規(guī)劃更為豐富的切片，以滿足不同客戶的差異化需求。

RedCap核心網(wǎng)軟件特性升級如表3所示。

表3 核心網(wǎng)RedCap關鍵特性升級

4.2.2 RedCap無線網(wǎng)升級

5G 基站硬件無需更換，通過軟件升級即可支持RedCap 功能?；緜刃枰С諶edCap 類型終端特性的功能，包括帶寬、天線數(shù)、調(diào)制階數(shù)、BWP 配置、Red-Cap終端識別等功能（見表4）。

表4 無線網(wǎng)RedCap關鍵特性升級

a）RedCap頻率配置。商用初期針對2B領域的工業(yè)數(shù)采、配電自動化、視頻監(jiān)控等按需局部開啟2.6/3.5 GHz中頻頻段的RedCap功能。后期根據(jù)業(yè)務規(guī)模發(fā)展、終端/模組數(shù)量占比和智能穿戴、車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務對網(wǎng)絡廣域覆蓋需求，適時按需升級700/800/900 MHz等低頻網(wǎng)絡，支持RedCap功能。

b）初始BWP 功能配置。針對RedCap UE 的初始BWP，有2 種配置方式。方式1 為RedCap UE 和non-RedCap UE 共享相同的初始上下行BWP。此方案無需新增BWP配置，SIB1消息短，適用于FDD 20 MHz小區(qū)等小帶寬網(wǎng)絡。方式2 為RedCap UE 配置獨立初始BWP，RedCap BWP 的頻域位置對普通NR 終端的體驗會產(chǎn)生影響。其影響主要體現(xiàn)在RedCap BWP 上獨立配置的PUCCH/PRACH 等控制信道資源會截斷普通NR 終端的PUSCH 數(shù)據(jù)信道，導致PUSCH 可用的連續(xù)RB 下降。對于不支持上行非連續(xù)調(diào)度的普通NR 終端，這會導致其上行速率顯著降低。為了降低其對普通NR 終端的上行體驗的影響，建議將RedCap 小帶寬BWP 優(yōu)先配置在小區(qū)頻域位置的兩端，降低普通NR終端的PUSCH 資源的碎片化。此方案適用于TDD 100 MHz大帶寬網(wǎng)絡（見圖2）。

圖2 RedCap UE與non-RedCap UE上行資源示意

c）激活BWP 功能配置。對于RedCap UE 激活BWP 的部署建議，期望根據(jù)網(wǎng)絡中RedCap 用戶規(guī)模、業(yè)務量等因素按需增加或減少專用BWP 的數(shù)量。當RedCap UE 數(shù)較少、業(yè)務量較低的情況下，建議Red-Cap 的專用BWP 包含CD-SSB。當RedCap UE 數(shù)較多或業(yè)務量較高，建議配置1 個包含CD-SSB 的專用BWP和1個或多個包含NCD-SSB的專用BWP。

d）RedCap 覆蓋與容量評估。通過對n1、n78頻段的鏈路預算對比分析，在覆蓋方面，F(xiàn)DD 頻段相對于TDD 頻段在上行覆蓋上更具優(yōu)勢，即使在小區(qū)邊緣位置，F(xiàn)DD 頻段RedCap UE 仍可基本滿足視頻監(jiān)控和可穿戴設備的速率需求。在TDD 覆蓋較弱的區(qū)域，可通過覆蓋增強手段提高覆蓋，R17 為上行物理信道的傳輸引入了多個覆蓋增強特性，包括增加PUSCH 和PUCCH 信道的重復傳輸次數(shù)，PUSCH/PUCCH 信道的多時隙的聯(lián)合信道估計等；或通過參數(shù)配置使RedCap終端提前選至FDD 頻段或LTE 頻段，通過參數(shù)優(yōu)化等方式，保障RedCap終端的體驗。

3GPP TR 38.875 分析了在城區(qū)TDD 系統(tǒng)引入RedCap UE 的影響，在容量方面，在網(wǎng)絡負載較輕時，引入RedCap終端對網(wǎng)絡容量和頻譜效率的影響較小。在RedCap終端規(guī)模引入的中遠期，可通過載波或頻率擴容或負載均衡的方式平衡網(wǎng)絡負荷。

5 結束語

基于蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展特點，RedCap 網(wǎng)絡部署應先局域后廣域，初期聚焦優(yōu)選重點行業(yè)及場景，端網(wǎng)業(yè)協(xié)同發(fā)展，推進RedCap 從標準走向應用。Red-Cap 未來將面向3GPP Rel-18 階段持續(xù)演進，進一步降低終端帶寬和峰值速率，從而進一步降低終端成本，擴展5G 的應用空間。