5G RedCap标准化概述

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张嘉真、胡丽洁 中移智库

摘要随着移动物联网终端数量高速增长，如视频监控、工业传感器、可穿戴设备等典型物联网业务的市场规模潜力巨大。以可穿戴设备为例，预计2023年国内终端出货量超1600万，2025年全球终端数量超过8000万，具备千万级市场潜力，而传感器的规模更是在千亿美元级别。为了满足物联网业务容量、时延及可靠性要求高，成本功耗敏感的需求，3GPP立项了基于NR新空口的低能力NR终端（Reduced Capability NR Devices，RedCap终端）课题，R17和R18两个版本的RedCap标准设计通过降低5G终端的能力实现终端成本降低，满足速率需求的同时通过技术手段保证RedCap终端与传统终端共存，通过早期识别和接入控制保证网络对不同能力的终端可管可控，未来将扩展5G的生态系统，提升5G在物联领域的竞争力。

01

R17 RedCap

R17 RedCap定义了面向物联网的第一款5G NR终端类型，其面向的是较高端的、与LTE Cat4性能可比的物联网用例。R17 RedCap终端成本降低的设计主要包括以下方面：

1）带宽降低：标准支持RedCap终端在FR1和FR2的带宽能力分别从100MHz和200MHz降低为20MHz和100MHz，成本降低主要来源于基带的模数/数模转换器、FFT/IFFT模块和数据缓存模块。在满足速率要求的同时，不需要为RedCap终端进行新的初始接入流程设计，复用5G初始接入流程，从而避免市场分化。

2）接收天线数和下行MIMO流数降低：RedCap终端最小接收天线数从FDD 2Rx、TDD 4Rx降低为1Rx和2Rx，成本降低主要来源于射频滤波器和收发机模块。综合智能可穿戴设备的产业现状和网络覆盖性能，接收天线数的选择保证了RedCap终端的弹性市场空间。

3）最大调制阶数放松：下行最大调制阶数从256QAM放松为64QAM，成本降低主要来源于射频收发机和基带的模数/数模转换器。上行最大调制阶数不进行放松，一方面由于调制阶数降低带来的成本降低有限，另一方面考虑RedCap的应用场景中上行业务较多，避免影响业务体验。

4）半双工FDD：半双工FDD指将终端的双工器替换为开关和滤波器，以半双工方式在FDD不同收发频段之间转换，不能同时接收信号和发送信号。该能力为可选能力，如果未上报该能力，在FDD频段仍采用全双工FDD。

5）最大数据无线承载DRB数量降低：支持多个DRB一般针对终端有多个业务场景、业务类型的情况，考虑到RedCap适用场景相对有限，标准将RedCap终端支持的最大DRB数从16个降低为8个，实现终端芯片缓存容量和内存设计的成本开销降低。

6）序列号SN长度降低：SN用于对PDCP/RLC服务数据单元进行编号，并确定重排序或发送/接收窗口的数值，其长度反映缓冲区大小的能力。考虑到RedCap终端所需的峰值数据速率较低，对PDCP的SN长度和RLC工作在AM模式下的SN长度从18比特减小为12比特。

上述带宽降低、接收天线数和MIMO流数降低、最大调制阶数放松、半双工技术等复杂度降低手段相结合可降低约60%的5G终端通信模块成本[1]。

终端节能方面，考虑到物联网终端设备对电池使用寿命更加敏感，标准化针对新的终端形态引入了进一步降低终端能耗的技术特性，包括eDRX和RRM测量放松。

1）eDRX

eDRX通过为RedCap终端配置较长的DRX周期，减少终端在空闲和非激活态下监听寻呼带来的功耗。CN eDRX周期扩展为2.56s~10485.76s，RAN eDRX周期扩展为2.56s~10.24s。当eDRX周期小于10.24s，eDRX周期作为寻呼周期。当eDRX周期大于10.24s，终端首先根据公式确定其需要侦听的寻呼超帧PH，并确定PH中具体监听的寻呼时间窗PTW，在PTW内基于现有DRX机制确定寻呼时机位置。

2）RRM测量放松

RRM测量放松通过设计邻区的测量放松机制，在保证业务连续性的同时减少不必要的终端测量功耗。测量放松基本流程是，终端评估是否满足网络广播的放松准则，在满足放松准则的情况下，采用协议定义的放松的测量指标进行测量。

R17 RedCap终端特征设计

R17 RedCap终端设计需要在降低5G终端的复杂度及成本，满足速率需求的同时，实现与非RedCap终端的共存部署，避免对网络的覆盖性能、传统终端体验带来消极影响。标准中共存设计主要包括以下方面：

1）RedCap专属初始BWP：考虑到传统终端的初始上行BWP带宽可以超过20MHz，如果RedCap带宽降低且复用传统终端的初始上行BWP，将导致一系列的共存问题，包括RACH、Msg3、PUCCH等传输超过RedCap最大带宽，以及网络接入容量受限问题。标准支持为RedCap配置专属初始BWP，保证RedCap终端工作带宽不大于其支持的带宽能力。基于专属初始BWP架构解决共存问题相比于其他候选方案对基站调度复杂度影响较小，同时还利于实现针对RedCap终端容量的灵活扩展、网络负载分流和匹配调度。

2）去使能PUCCH时隙内跳频：在与传统终端共存的情况下，如果RedCap终端在其初始BWP内使用跳频方式传输PUCCH，PUCCH位于其初始BWP的两端，导致整个上行带宽被分割成非连续带宽，影响支持单载波传输的传统终端的上行峰值速率。网络可以通过去使能RedCap专属初始上行BWP的PUCCH时隙内跳频，避免造成传统终端PUSCH资源的碎片化，减少对传统终端的性能影响。

3）半双工FDD上下行冲突处理机制：当半双工FDD和全双工FDD终端共存时，基站可能仍按照全双工FDD终端调度上行和下行传输，而半双工FDD终端无法在同一个符号上的两个频带同时进行上行发射和下行接收。标准引入针对半双工FDD终端的上下行冲突处理机制，明确半双工FDD终端如何进行上行发射和下行接收的选择。

为了网络对不同类型终端具备灵活的控制管理权，标准支持RedCap终端的早期识别和接入控制，实现网络匹配调度，根据网络资源和负载情况调整终端接入，避免RedCap终端过度占用网络资源，降低对传统终端性能影响。

1）早期识别

RedCap终端的早期识别主要借助随机接入过程实现，识别后网络可以在RedCap终端接入过程中针对其能力执行特定的调度决策或者服务。另一方面，早期识别可以减少终端不必要的接入尝试，有利于终端能耗降低。基于Msg1/MsgA的提前识别是网络可配的，终端通过检查网络是否配置了相应的资源确定是否可以使用基于Msg1/MsgA的提前识别。基于Msg3的提前识别是始终开启的，Msg3使用特定LCID识别RedCap终端。

2）接入控制

为了支持针对特定终端的灵活接入控制，网络通过系统信息分别指示1Rx和2Rx RedCap终端是否允许接入当前小区，同时对终端小区选择、小区重选参数及对应行为进行了详细定义，便于网络更好地服务终端。

02

R18 eRedCap

在R17 RedCap应用场景的基础上，R18 eRedCap旨在进一步扩展RedCap生态，面向更低成本，更低能耗，更低数据速率（10Mbps）要求，介于LPWA和R17 RedCap能力之间的物联网用例，例如工业无线传感网络，智能电网等。

R18 eRedCap主要的成本降低手段是保持射频带宽20MHz，数据信道基带降低为5MHz，峰值速率降低为10Mbps，相比R17 RedCap可降低约12%的终端通信模块成本[2]。

由于基带带宽降低的R18 eRedCap需要较大的标准改动，具有一定部署和实施复杂度，标准同时支持了R18 eRedCap的第二种成本降低手段：峰值速率降低作为独立特征。峰值速率降低只需对协议现有能力参数进行扩展，基站调度简单灵活，与R17 RedCap终端能够共存并共享早期识别资源和初始接入流程，易于实现R17 RedCap网络中R18 eRedCap终端的快速部署。另外，峰值速率降低独立特征的引入使R18 eRedCap终端和LTE Cat1bis终端具有相同的20MHz带宽和可比的峰值速率，两者能够共享大部分基带模块，具有相近的复杂度，使得在LTE Cat1bis终端上实现R18 eRedCap的功能，开发双模终端易于实现。

终端节能方面，为了进一步降低终端能耗，R18 eRedCap节能增强技术主要就R17版本未定义的非激活态下RAN eDRX周期超过10.24s时的寻呼监听机制进行了讨论。R18版本将非激活态RAN eDRX周期最大值扩展为10485.76s，定义了非激活态下CN和RAN eDRX周期同时超过10.24s时，通过CN和RAN的寻呼超帧PH和寻呼时间窗PTW确定寻呼时机的监听机制，规定了根据CN和RAN的PTW位置确定寻呼周期T的规则。R18版本还规定了eDRX的使用和回退机制，使终端可以独立支持R18非激活态eDRX。

R18 eRedCap终端特征设计

基带带宽降低的情况下，需要网络引入一系列的调度限制以实现R18 eRedCap与传统终端的共存，例如调度限制MsgA、Msg3、Msg4小于5MHz，而系统消息、寻呼PDSCH、RAR、广播MBS等广播消息仍可以大于5MHz，具体包括以下方面：

1）标准针对基带带宽降低的R18 eRedCap终端，考虑了随机接入响应RAR的处理时间放松。在未配置针对R18 eRedCap的早期识别的情况下，基站发送的RAR无法区分R18 eRedCap与R17 RedCap终端，因此RAR带宽可能大于5MHz。当RAR带宽大于5MHz时，R18 eRedCap基带处理时间将比传统终端增加X。如果X取值过大，网络按照R18 eRedCap能力调度Msg3时可用时域资源分配值较少，调度限制严重，并且会增加传统终端的接入时延。综合考虑调度Msg3灵活性和降低接入时延，标准放松RAR处理时间为现有处理时间加上1个时隙。如果网络调度RAR和Msg3之间的时间间隔小于处理时间，R18 eRedCap终端行为取决于实现，处理能力强的终端仍可以发送Msg3。

2）标准针对两种物理信道并发时超过R18 eRedCap终端带宽能力的场景进行了接收规则设计。R18 eRedCap与传统终端共享广播消息，如果R18 eRedCap同时接收的单播、广播信道总带宽大于5MHz，终端无法同时处理，需要规定处理顺序保证高优先级的信道被解调：

a.对于系统消息、寻呼、RAR等2个广播信道的同时接收，由于系统消息和寻呼没有处理时序要求，可以缓存后处理，不会影响网络同时为传统终端调度2个广播信道。

b.对于单播与自动系统消息的同时接收，单播可能有HARQ反馈时序要求，标准规定优先解调单播。

c.对于连接态P-RNTI触发的系统消息和单播同时接收，P-RNTI触发的系统消息接收通常用于传输短消息或系统消息更新，优先级比单播更高，终端可以跳过单播解调。

d.对于RAR和单播同时接收，随机接入有更高优先级，终端优先处理RAR。

为了保证网络对R18 eRedCap终端可管可控，标准支持R18 eRedCap终端的早期识别和接入控制，实现网络匹配调度，避免R18 eRedCap RAR处理时间放松影响传统终端的接入时延。

1）早期识别
针对四步接入，基于Msg1的识别网络可配，如果不配置，R18 eRedCap可复用R17 RedCap Msg1识别的资源，减轻随机接入资源碎片化问题，同时标准也支持基于Msg3的识别。针对两步接入，R18 eRedCap共享R17 RedCap MsgA PRACH识别资源，网络可以配置专属MsgA PUSCH资源识别R18 eRedCap。

2）接入控制
网络通过系统信息指示R18 eRedCap终端是否允许接入当前小区。


03

结语

R17和R18 RedCap终端将大幅降低5G终端模组成本，补齐5G中高速率拼图，扩展5G生态系统，推动5G在更多行业的落地。此外，RedCap技术在确保物联网业务需求的前提下，还能通过eDRX周期下定位增强、参考信号跳频设计等兼顾定位、NTN等场景需求，形成全场景5G移动物联网技术体系，实现移动物联网能力升级和应用换代，助力千行百业数字化转型。