4G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

前 言

5G標(biāo)準(zhǔn)制定之前，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU定義了未來(lái)5G三大應(yīng)用場(chǎng)景。即eMBB，URLLC和mMTC。

eMBB（enhanced Mobile Broad Band），增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，5G Release 15（簡(jiǎn)稱(chēng)Rel 15，本文后續(xù)的Release都用Rel代替）版本標(biāo)準(zhǔn)。主要針對(duì)以人為中心的高速數(shù)據(jù)通信場(chǎng)景。不考慮5G 新標(biāo)準(zhǔn)引入的1024QAM調(diào)制方式，單純從最大帶寬角度看，相比4G就有5倍提升（4G最大帶寬20MHz，5G最大帶寬100MHz）。

URLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communication），超可靠低時(shí)延，5G Rel 16版本標(biāo)準(zhǔn)。主要針對(duì)像車(chē)聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程醫(yī)療等這樣對(duì)可靠性和時(shí)延要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景。

mMTC（Massive Machine Type Communication） 大規(guī)模機(jī)器類(lèi)型通信，5G Rel 17版本標(biāo)準(zhǔn)。主要針對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

今天我們要聊的這個(gè)RedCap，是Reduced Capability的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是5G Rel 17定義的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，滿足mMTC場(chǎng)景需求。3GPP最開(kāi)始的研究項(xiàng)目名稱(chēng)為NR Light，后期重新命名為5G RedCap。是不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域的首個(gè)5G標(biāo)準(zhǔn)。最開(kāi)始的Rel 17版本主要針對(duì)介于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（eMTC和NB-IoT）和eMBB之前的中速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

之所以叫RedCap，其實(shí)從字面上理解就是“能力裁剪”，也可以叫“5G輕量化”。那為什么要“能力裁剪”呢？通俗的來(lái)講，如果直接用5G的eMBB標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)疑是“用大炮打蚊子”，不僅成本太高，而且性能過(guò)剩。殺雞焉用牛刀，所以5G在原有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)“能力裁剪”的方式定義了RedCap，滿足5G物聯(lián)網(wǎng)各類(lèi)場(chǎng)景的應(yīng)用需求。在RedCap后續(xù)的Rel 18標(biāo)準(zhǔn)中，還將繼續(xù)進(jìn)行“能力裁剪”，使得RedCap可以滿足低速物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，最終實(shí)現(xiàn)5G物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)統(tǒng)一。

為了更好的理解RedCap技術(shù)的“能力裁剪”，我們需要介紹一下4G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

4G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

4G LTE技術(shù)最早定義的標(biāo)準(zhǔn)起始于Rel 8版本，對(duì)應(yīng)的終端能力是Category 4（簡(jiǎn)稱(chēng)Cat 4）。其下行峰值速率可以達(dá)到150Mbps，支持MIMO2*2雙天線連接，應(yīng)用場(chǎng)景也是以人為中心的高速數(shù)據(jù)應(yīng)用。伴隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)更高階的調(diào)制方式、更多的載波聚合、更多的天線連接數(shù)量，MBB移動(dòng)寬帶峰值速率不斷增長(zhǎng)。最終演進(jìn)到了5G Rel 15版本的eMBB。

與此同時(shí)，應(yīng)運(yùn)而生了眾多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，其主要特點(diǎn)是：峰值速率較低、對(duì)時(shí)延要求不高、長(zhǎng)續(xù)航、低成本、低功耗、體積更小。針對(duì)不斷增長(zhǎng)的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，3GPP定義了不同類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。而這些物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本都是采用了不同程度“功能裁剪”方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而降低終端的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，最終降低使用成本，以滿足應(yīng)用需求。3GPP在4G階段定義了終端的能力等級(jí)，即Category，來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型的終端。與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的能力等級(jí)具體如下：

Cat 1

在LTE Rel 8版本定義，由Cat 4發(fā)展而來(lái)。下行峰值速率10Mbps，上行峰值速率5Mbps。與Cat 4相比性能大幅度降低?？梢詽M足中速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

Cat1bis

為了進(jìn)一步減低終端尺寸，LTE Rel 13版本基于Cat 1進(jìn)行能力裁剪，將原來(lái)的雙天線接收，降低為了單天線接收。進(jìn)一步縮小了終端的體積，降低了成本。

Cat 0

LTE Rel 12版本定義。針對(duì)低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其上下行峰值速率僅1Mbps。因?yàn)楹芏嗟退傥锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于時(shí)延的要求不高，因此去掉了雙工器，引入半雙工。進(jìn)一步降低了終端的復(fù)雜度和成本。

Cat M1(eMTC)

LTE Rel13版本定義?；贚TE Cat 0演進(jìn)而來(lái)，上下行峰值速率也為1Mbps，帶寬從原來(lái)的20MHz降低到了1.4MHz，使得網(wǎng)絡(luò)承載終端的數(shù)量大幅度提高。之后eMTC進(jìn)一步演進(jìn)，并被5G標(biāo)準(zhǔn)接納，功能持續(xù)增強(qiáng)。

NB-IoT

NB-IoT技術(shù)可以認(rèn)為是針對(duì)于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的需求“另起爐灶”定義的通信標(biāo)準(zhǔn)，其源于LTE技術(shù)。信道帶寬只有180kHz，峰值速率200kbps左右。非常適合于低速，長(zhǎng)續(xù)航的物聯(lián)網(wǎng)終端。之后NB-IoT技術(shù)也進(jìn)一步演進(jìn)，并被5G標(biāo)準(zhǔn)接納，功能持續(xù)增強(qiáng)。

根據(jù)以上的描述，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)降低帶寬、減少天線數(shù)量、引入半雙工等方式實(shí)現(xiàn)了不同程度的“功能裁剪”，從而降低了終端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本，最終滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

RedCap

那么既然已經(jīng)有了4G時(shí)代的低速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)eMTC和NB-IoT，以及中速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)Cat 1和Cat 1bis。為什么要引入RedCap技術(shù)呢？雖然5G已經(jīng)吸收了eMTC和NB-IoT技術(shù)作為5G前期的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是這兩種技術(shù)只能應(yīng)對(duì)低速場(chǎng)景。像視頻監(jiān)控等中速物聯(lián)網(wǎng)需求，在5G階段還是空白，所以3GPP參考4G階段物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路線，在原有的eMBB基礎(chǔ)上通過(guò)“能力裁剪”定義了Rel 17版本的RedCap技術(shù)。

那具體裁剪了哪些能力呢？

1. 最大帶寬從NR的100MHz縮減為20MHz，和4G LTE保持一致。

2.終端的天線配置從原來(lái)的2T4R縮減為1T1R或者1T2R，大幅度降低了天線的復(fù)雜度。

3.限制終端的調(diào)制方式到64QAM，256QAM作為可選項(xiàng)，而5G新引入的1024QAM不作考慮。

4. FDD頻段支持半雙工，參考LTE Cat 0的實(shí)現(xiàn)。

5. 終端僅支持SA獨(dú)立組網(wǎng)。5G定義了NSA非獨(dú)立組網(wǎng)和SA獨(dú)立組網(wǎng)。NSA非獨(dú)立組網(wǎng)，要求終端同時(shí)支持4G和5G兩種模式，而RedCap要求終端僅支持5G SA模式，去掉了4G支持能力，大大降低了終端的成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

6. 不支持CA載波聚合。載波聚合功能主要針對(duì)于更高帶寬的eMBB場(chǎng)景需求，RedCap不需要考慮

7功耗：為了降低功耗，降低了終端發(fā)射功率等級(jí)，支持eDRX功能，RRM測(cè)量放松等技術(shù)。

可以看出通過(guò)以上的“能力裁剪”，RedCap可以充分滿足中速物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。技術(shù)是要不斷向前發(fā)展的，為了進(jìn)一步統(tǒng)一5G物聯(lián)網(wǎng)的支持能力和范圍，覆蓋原來(lái)eMTC和NB-IoT的低速物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，Rel 18中進(jìn)一步進(jìn)行了“能力裁剪”，比如帶寬降低到5MHz，同時(shí)還增加了定位和sidelink連接功能，從而可以支持更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)所有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在5G的大統(tǒng)一。此舉也有利于5G發(fā)展后期，將4G頻譜資源進(jìn)行重耕。

R&S測(cè)試解決方案

介紹完RedCap技術(shù)，那么怎么進(jìn)行測(cè)試呢？說(shuō)道這里，我們就要介紹一下羅德與施瓦茨公司開(kāi)發(fā)的，下一代信令無(wú)線通信測(cè)試儀，CMX500 OBT(One Box Tester)。它可以同時(shí)滿足4G LTE 和 5G FR1/FR2以及WLAN技術(shù)測(cè)試, RedCap的支持更是不在話下，是一款真正意義上的5G測(cè)試一體機(jī)。

儀表采用了Linux操作系統(tǒng)，基于Web網(wǎng)頁(yè)的GUI操作界面進(jìn)行測(cè)試，界面美觀，應(yīng)用靈活。CMX OBT采用靈活的硬件配置，全新設(shè)計(jì)的射頻硬件，頻率覆蓋范圍從400MHz到8GHz。每塊射頻板卡，支持4T2R，可以支持下行MIMO4*4和UL MIMO測(cè)試。每個(gè)下行通道可以支持1GHz的工作帶寬。射頻硬件的數(shù)量可以根據(jù)測(cè)試需求靈活配置，最多可以配置4塊。針對(duì)RedCap，最低配置的CMX OBT Lite （一塊射頻板卡）即可滿足從研發(fā)、功能、性能到GCF協(xié)議一致性（對(duì)應(yīng)GCF認(rèn)證平臺(tái)編號(hào)TP292）的全部測(cè)試需求，如下圖所示。

CMX500不僅可以進(jìn)行物理層吞吐量測(cè)試。內(nèi)置數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器，還可以滿足各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試要求，包括VONR，Iperf，HTTP，F(xiàn)TP，DNS，連接外網(wǎng)等。面向未來(lái)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，性能卓越，最高支持20Gbps應(yīng)用層吞吐量測(cè)試，完全滿足IMT-2020定義的技術(shù)性能要求。

基于CMX500的TS8980 FTA-3A射頻一致性測(cè)試系統(tǒng)，可以滿足RedCap的RF/RRM一致性認(rèn)證測(cè)試（對(duì)應(yīng)GCF認(rèn)證平臺(tái)編號(hào)TP298和TP296）。

通過(guò)以上描述，相信大家應(yīng)該對(duì)5G RedCap有了一定的了解，也了解了羅德與施瓦茨公司針對(duì)RedCap的信令測(cè)試解決方案。

總結(jié)

R&S的CMX500可以充分滿足5G當(dāng)前的測(cè)試，以及未來(lái)5G發(fā)展的測(cè)試要求。想了解更多關(guān)于CMX500和RedCap的相關(guān)信息可以訪問(wèn)R&S官網(wǎng)，也可以聯(lián)系我們本地的工程師。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶(hù)，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開(kāi)展業(yè)務(wù)。