5G RedCap：對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 RF 要求的潛在影響

全球正在如火如荼地部署 5G 網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到 2023 年，5G 連接的數(shù)量將超過 10 億。截止目前，5G 主要用于智能手機(jī)和固定無(wú)線接入 (FWA)。雖然這些都是關(guān)鍵用例，但未來(lái)幾年，5G 的應(yīng)用范圍將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，涵蓋更多應(yīng)用和設(shè)備類型。

在這一發(fā)展過程中，制定 5G Reduced Capability (RedCap) 標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的一步。這是針對(duì)不斷發(fā)展的龐大物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 開發(fā)的第一個(gè) 5G 物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。RedCap 旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的要求，這些設(shè)備需要使用比現(xiàn)有 5G 尺寸更小、更簡(jiǎn)單、成本更低的 RF 解決方案， 并且電池壽命更長(zhǎng)。3GPP Rel-17 中定義了第一版 RedCap 規(guī)范草案，并于 2022 年中期最終定稿，預(yù)計(jì)芯片組和最終用戶產(chǎn)品將在未來(lái) 1-2 年內(nèi)上市。這些規(guī)范側(cè)重三大應(yīng)用領(lǐng)域：可穿戴設(shè)備、工業(yè)無(wú)線傳感器和視頻監(jiān)控。

為何需要 RedCap？

5G 最終會(huì)支持無(wú)數(shù)的現(xiàn)有用例和新用例。這些用例一般可以分為三個(gè)大類。每個(gè)大類都有不同的要求，如圖 1所示。RedCap 將在這三個(gè)大類的基礎(chǔ)上支持具有低到中等RF要求的應(yīng)用小類。

圖 1. 5G 物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn): 5G RedCap。

帶給設(shè)備制造商的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商而言，RedCap 不僅具有 5G 優(yōu)勢(shì)，而且 RF 復(fù)雜性和成本低于現(xiàn)有的 5G 解決方案。關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括可提供比現(xiàn)有的低功耗廣域 (LPWA) 物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) LTE-M 和 NB-IoT 更快的速度。此外，制造商可以根據(jù)特定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求，從各種 5G RedCap 服務(wù)中選擇，提供不同的數(shù)據(jù)速率、延遲和不同級(jí)別的可用性。

帶給運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)勢(shì)

RedCap 將有助于運(yùn)營(yíng)商從非獨(dú)立的 5G 網(wǎng)絡(luò)（要求他們維持 4G 鏈路，以進(jìn)行設(shè)備連接）過渡到獨(dú)立的 (SA) 5G 網(wǎng)絡(luò)。SA 網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了巨大的成本和效率優(yōu)勢(shì)。SA 網(wǎng)絡(luò)還提供新的創(chuàng)收機(jī)遇，運(yùn)營(yíng)商可以利用 5G 的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)分段功能針對(duì)不同的應(yīng)用提供定制服務(wù)，并連接數(shù)百萬(wàn)臺(tái)新設(shè)備。

RedCap 應(yīng)用

3GPP Rel-17 最初定義的 RedCap 規(guī)范主要針對(duì)三種用例：可穿戴設(shè)備、工業(yè)無(wú)線傳感器和視頻監(jiān)控。這些用例在無(wú)線數(shù)據(jù)速率、延遲、可用性、尺寸和電池壽命等方面具有不同的要求，如表 1 所示。

表 1. 3GPP Rel-17 中 RedCap 的目標(biāo)用例。

RF 挑戰(zhàn)和解決方案

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的要求，相較于之前的 5G 解決方案，RedCap RF 解決方案必須減小尺寸、提高電池壽命并降低成本。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，RedCap 要求其 RF 復(fù)雜性必須低于智能手機(jī)中的 5G RF 解決方案。RedCap 設(shè)備與智能手機(jī)不同，它不需要極高的數(shù)據(jù)速率，因此降低復(fù)雜性是可行的。

表 2 列出了 RedCap 設(shè)備與 5G 智能手機(jī)在 RF 要求方面的主要差異。

表 2. RedCap 設(shè)備與 5G 智能手機(jī)的 RF 要求。

以下幾點(diǎn)展示了 RedCap 與 5G 智能手機(jī) RF 解決方案之間的不同如何幫助降低功耗、尺寸和成本：

• 更窄帶寬。在 5G 頻率范圍 1（頻段 <6GHz）內(nèi)，RedCap 設(shè)備只需支持 20MHz 最大帶寬，而智能手機(jī)需要支持 100MHz。這有助于降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命。

• 更少的頻段。高端 5G 智能手機(jī)可能包含 50+ 頻段，以支持全球使用，而 RedCap 設(shè)備支持的頻段數(shù)量較少，所以成本更低，尺寸更小。高端可穿戴設(shè)備（例如高端智能手表）可能還包含區(qū)域頻段子集，以及一些國(guó)際漫游頻段。而更簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只需少量幾個(gè)頻段，尤其是這些設(shè)備被設(shè)計(jì)用于單個(gè)地點(diǎn)時(shí)。

• 僅支持獨(dú)立的 5G 網(wǎng)絡(luò)。RedCap 設(shè)備無(wú)需支持非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，所以無(wú)需同時(shí)具備兩個(gè)活躍的 Tx 鏈，以提供 4G/5G 雙路連接 (EN-DC)。這大大降低了 RF 復(fù)雜性、解決方案尺寸和功耗。

• 無(wú) 2G/3G 支持。RedCap 設(shè)備無(wú)需支持傳統(tǒng)的 2G/3G 網(wǎng)絡(luò)，所以不需要配備會(huì)產(chǎn)生大量功耗的 2G/3G 功放。

• 無(wú)載波聚合(CA)。RedCap 設(shè)備一次只需使用一個(gè)頻段，而 5G 智能手機(jī)需使用 CA 同時(shí)在多個(gè)頻段通信，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。因此，RedCap 解決方案無(wú)需使用復(fù)雜的濾波器來(lái)支持 CA。這有助于降低插入損耗、復(fù)雜性和成本。低插入損耗意味著功耗更低，電池壽命更長(zhǎng)。

• 更少的天線和 Rx 鏈。RedCap 設(shè)備對(duì) MIMO 的要求比 5G 智能手機(jī)更低。智能手機(jī)在大部分頻段都必須支持 4x4 下行鏈路 MIMO；而 RedCap 設(shè)備只需要支持 1 個(gè)或 2 個(gè)手機(jī)天線和 Rx 鏈路，具體取決于頻段。這有助于降低電流消耗、解決方案尺寸和成本。而且使制造商更容易設(shè)計(jì)高度緊湊的可穿戴設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

• FDD 頻段中的半雙工通信。RedCap 在 FDD 頻段中使用半雙工通信，而不是全雙工通信。因此，一些 RedCap 應(yīng)用，例如庫(kù)存/資產(chǎn)追蹤器，可能無(wú)需配備用于支持全雙工通信的雙工器。這些應(yīng)用可以使用更簡(jiǎn)單的濾波器和開關(guān)，從而降低了成本和插入損耗。

• 更低的發(fā)射功率。RedCap 設(shè)備的最大功率輸出一般都低于智能手機(jī)。這有助于降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命。

• 集成。RedCap RF 解決方案的集成水平因應(yīng)用而異。對(duì)于有些可穿戴設(shè)備，尺寸至關(guān)重要，所以高端智能手表都傾向于采用高度集成的解決方案。對(duì)于其他應(yīng)用，例如監(jiān)控?cái)z像頭，尺寸不太重要，因此可以選用集成水平較低的解決方案，以降低成本。

RedCap 時(shí)間表

第一版 RedCap 規(guī)范于 2022 年中期在 3GPP Rel-17 中最終確定，但對(duì)于這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，這只是第一步。芯片組和 RF 解決方案一般會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)最終確定后約一年推出，使用這些解決方案的最終產(chǎn)品則在約兩年后問世。屆時(shí)，許多運(yùn)營(yíng)商將轉(zhuǎn)向采用獨(dú)立的 5G 網(wǎng)絡(luò)，以支持 RedCap 設(shè)備。

同時(shí)，3GPP 仍在繼續(xù)改進(jìn) RedCap 標(biāo)準(zhǔn)，并定義 Rel-18 中將要包含的新功能。3GPP 還在探尋新的方式來(lái)進(jìn)一步降低 RF 復(fù)雜性和成本，并延長(zhǎng)電池壽命。目前考慮的具體功能包括：

• 定位。改善 RedCap 應(yīng)用的窄帶 (NB) 定位。

• 降低速度，使 RedCap 功能得以在更低層次的 LPWA 網(wǎng)絡(luò)中使用，其帶寬可能降低至 5MHz。

• 側(cè)行鏈路–與其他 5G 設(shè)備直接通信。例如，智能手表能夠直接與手機(jī)或耳機(jī)通信，而無(wú)需通過 5G 基站進(jìn)行通信。這會(huì)減少延遲并降低功耗。

結(jié)論

RedCap 是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商可用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)的一個(gè)重要補(bǔ)充。RedCap 前景可期，物聯(lián)網(wǎng)制造商將會(huì)獲得比目前尺寸更小、成本更低、功耗更低的 5G RF 解決方案。這有助于制造商生產(chǎn)支持 5G 網(wǎng)絡(luò)的緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅可延長(zhǎng)電池壽命，而且與使用舊物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備相比，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。