5G RedCap应用场景及网络技术研究.pdf

Vol.43No.3Sep.2023Shandong Communication Technology山东通信技术第43卷第3期月2 0 2 3年9 月5GRedCap应用场景及网络技术研究李常国，毕研涛（中国移动山东公司，山东济南2 50 0 0 1）摘要：为满足物联网应用对5G部署更低成本、更低功耗、更低复杂度的要求，3GPP提出一种5G轻量级用户终端(RedCapUE)类型。首先介绍了RedCap的技术能力与典型应用场景，然后分析了RedCap关键技术方案，最后从网络覆盖、容量两方面对RedCap网络部署策略进行了深入研究。关键词：RedCap；应用场景；部署策略1引言2022年6 月，3GPPR17RedCap相关技术标准冻结，标志着RedCap标准正式完成，进人产业化阶段。5G的规模商用开启了万物互联新时代，全球蜂窝物联连接快速增长，中国步入“物超人”时代。5GNR可提供高速率、高性能的连接，RedCap聚焦中高速物联网场景，补齐了5G在中高速率的拼图，形成能够满足不同速率要求、4G/5G协同的移动物联网技术体系,如图1所示。现阶段未来演进超高速5GNR5GNR(100Mbps+)高速率5GRedCap(10Mbps-100Mbps)4GCat4及以上5GRedCap中速率4GCat1/Cat1bis(100Kbps-10Mbps)低速率5GNB-IoT(10-100Kbps)5GNB-OT更低速率5G无源物联网(0-10Kbps)图1移动物联网技术体系2RedCap技术能力及典型应用场景2.1RedCap的技术能力3GPP定义了增强带宽(eMBB)、超高可靠低时延通信（uRLLC)和海量机器类通信（mMTC)，目标分别是提升系统峰值速率、高可靠及低时延、万物互联能力。RedCap作为移动物联网的关键技术之一，在满足中高速率场景需求的同时，也可以扩展应用于增强带宽(eMBB）和超高可靠低时延通信(uRLLC)场景。在增强带宽(eMBB)场景下，RedCap可以通过与5G网络的协同，为用户提供更高峰值速率的体验。通过裁剪终端的能力，RedCap可以降低设备的复杂性和成本，实现更经济高效的设备设计，并在满足业务需求的前提下提升系统的带宽和传输速率。在超高可靠低时延通信(uRLLC)场景下，RedCap可以结合5G的多种能力，提供更高的可靠性、更低的通信时延。通过低功耗的RedCap设备，实现更可靠的通信连接，为对时延要求极其敏感的应用场景（如工业自动化、智能交通等提供更稳定、高效的通信解决方案。此外，RedCap作为一种能够满足海量机器类通信(mMTC)场景需求的技术，通过与5G的组合应用，可以为大规模物联网场景提供全面的连接能力2 。通过低成收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 2作者简介：李常国（19 9 0-），男，中级工程师，研究方向为物联网通信协议和网络体系结构以及各领域的应用场景。E-mail：l i c h a n g-82023年山东通信技术本、低功耗的RedCap设备，可以实现大规模物联网设备的低成本部署和高效管理综上，RedCap作为移动物联网技术体系中的关键技术，可以在中高速率场景中满足业务需求，并结合5G的多种能力，拓展应用于增强带宽（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC）等场景。通过裁剪终端能力、与5G技术协同工作，RedCap将持续为物联网领域的发展和创新提供支持。2.2典型应用场景及性能要求为了满足物联网应用对5G部署的更低成本、更低功耗、更低复杂度要求，3GPP通过裁剪部分功能形成精简版5G标准。面向多样化的5G目标场景，3GPP提出了以下3类能力需求，分别适用于RedCap的3大典型应用场景，即：工业无线传感器、视频监控、可穿戴设备。RedCap3大场景业务分析如表1所示。表1RedCap3大场景业务分析设备类型典型速率时延可靠性电池寿命工业无线2Mbit/s100ms99.99%九年传感器24Mbit/s(标准画质)视频监控2 Mbps99.99%配网差动保护15ms2Mbps99.99%变电站/输电线路巡检100ms4 25 Mbps(UL)99.90%表3智能制造性能要求智能制造时延速率可靠性工业AGV控制20 ms2Mbps99.99%云化PLC控制15ms5Mbps99.99%工业设备远程运维100ms5Mbps99.90%工厂数据采集100 ms30 Mbps(UL)99.90%(2)视频监控通过部署低功耗、低成本的RedCap设备，可以实现高分辨率的实时视频传输和存储，并支持远程监控、远程操作。这种应用场景常见于安防、交通管理、公共场所监控等领域，可以提高监控系统的效率和灵活性。视频监控的大规模应用需要低成本、低功耗的5G模组，业务时延要求小于50 0 ms，通信可靠性要求在99%99.9%。国内已有城市安防、警务安防投人使用。智慧城市、警务安防的性能要求分别如表4、表5所示，表4智慧城市性能要求智慧城市时延速率可靠性固定监控400ms2Mbps99%99.99%高点监控400ms32Mbps99%99.99%车路协同10 ms16 Mbps99%99.99%表5警务安防性能要求警务安防时延速率可靠性移动执法仪400ms4.Mbps99%99.99%普通巡防400ms8.Mbps99%99.99%无人机巡防400ms40Mbps99.9%99.99%（3）可穿戴设备可穿戴设备是指可以佩戴在身体上的智能电子设备，如智能手表、健康监测器等。通过部署低功耗、低成本的RedCap设备，可以支持可穿戴设备的实时数据采集、传输和互联，实现个人健康监测、运动追踪、位置定位等功能。可穿戴设备的参考速率是下行550 M b it/s，上行参考速率为2 5Mbit/s，电池的理想工作续航为数天甚至12 周。可穿戴设备的性能要求如表6 所示李常国，等：5GRedCap应用场景及网络技术研究表6 可穿戴设备性能要求可穿戴设备时延速率可靠性健康监测1s510Mbps99.90%XR会议50Mbps99.90%2.3小结RedCap作为满足多样化5G目标场景需求的关键技术，可以应用于工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等典型场景。通过低功耗、低成本的RedCap设备，可以实现实时数据采集、远程监控和互联等功能，支持不同行业和领域的创新应用。3RedCap关键技术方案RedCap关键技术涵盖了终端识别、BWP设计、容量增强、覆盖增强、终端节电和差异化等方面。通过这些技术的应用，RedCap可以实现更智能、高效、可靠的无线通信，提供个性化、定制化的网络服务，以满足不同终端和应用的需求。3.1RedCap终端识别支持通过MSG1的PRACH时域(PRACHOcca-sion)或码域(PRACHPreamble)识别RedCap终端；支持通过终端MSG3携带的LCID识别RedCap终端3；支持通过传统的UE能力上报，识别RedCap终端类型。RedCap终端识别方式如图2 所示，随机接入阶段终端能力上报阶段Msg1Msg3RRC消惠检测Msg1/MsgA是否使用RedCap通过特定LCID识别终端能力上报消惠终端专用的PRACH导频序列RedCap终端中给出RedCap特性支持情况检测Msg1/MsgA是否在RedCap终端专用的PRACH时机发送图2 RedCap终端识别方式3.2RedCapBWP带宽设计（1）初始BWP：支持RedCap和eMBB可共享初始BWP；支持RedCap配置独立初始上下行BWP，支持独立初始下行BWP包括CD-SSB、不包括CD-SSB两种情况【4。初始BWP用于空闲态终端接收系统消息和随机接人。RedCap终端支持两种配置如图3所示。第3期共享初始BWP独立初始BWPeMBB终端RedCap终端RedCap终端口共享PUCCHACD-PRACH20两种独立初CD-20SSBMHz始下行BWPSSBMHzPRACHPUCCHPUCCH共享初始共享初始独立初始下行独立初始下行独立初始上行下行BWP上行BWPBWP(含CD-SSB）BWP(不含CD-SSB)BWP（禁跳频）图3初始BWP配置原则（2）专用BWP：支持上下行专用BWP，支持下行专用BWP包含CD-SSB和不包含CD-SSB两种情况。专用BWP用于连接态终端传输数据，RedCap终端支持多BWP配置，如图4所示RedCap两种专用BWPCD-20NCD-20SSBMHzSSBMHzRedCap专用BWP(包含CD-SSB)RedCap专用BWP（包含NCD-SSB)图4专用BWP配置原则3.3RedCap融合增强技术RedCap充分继承5GNR的各类优秀特性，使Red-Cap在容量、时延、可靠性和安全隔离等方面表现优异，因而成为高效、可靠、安全的无线通信解决方案，在满足大容量数据需求、提供优质网络体验方面具有显著优势。在覆盖增强方面，RedCap终端相比5GNR终端进行了收发天线数剪裁，可通过3GPPR17多时隙承载传输块（图5）PUCCH信道覆盖增强及Msg3覆盖增强（图6）等特性，在多个时隙上进行数据传输，从而增加传输资源，提高终端在小区边缘的覆盖能力和传输速率，提升RedCap终端小区边缘性能。TBS=164TBS=164TBS=164TBS=164R15/R16PUSCHPUSCHPUSCHPUSCHR17PUSCHPUSCHPUSCHPUSCHTBS=164*4(一个TB映射到4个slot中）图5多时隙承载传输块Slot#OSlot#1Slot#2重传次数可达PUSCHPUSCHPUSCH32次(R17)图6 PUSCH/PUCCH/Msg3重复传输102023年山东通信技术在容量增强方面，RedCap采用多BWP+自适应BWP增删（图7）、RedCap与eMBBMU-MIMO（图8）等技术，可以根据网络需求动态分配、调度和管理带宽资源5。不同的BWP可以独立进行配置和调度，实现并行传输、提高网络容量，从而使小区容量灵活匹配需求并提升空分增益，保障小区容量最优化。NCD-SSBBWP2NCD-SSBBWPn(n2)依据业务负荷，NCD-SSB测量结果，100MHZ确定BWP个数与位置CD-SSBBWP15GNR5GRedcapBWP配置图7 多BWP+自适应BWP增删UET-BWP-2OMHZ(RedCap)RBUE2(eMBB)BWP-10OMHzUE3(RedCapiBWP-2OMHZ区域1区域2图8 RedCap与eMBBMU-MIMO在终端节能方面，网络通过系统消息通知终端RRM测量放松（图9）的触发条件，使偏静止且处于小区中心区域的终端在满足触发条件时可放松对邻区RRM的测量，以节省终端功耗5。为进一步减少终端功耗，Red-Cap引入eDRX节电特性，即延长终端监听寻呼的周期，不监听寻呼时终端进人休眠状态，如图10 所示。DRX周期DRX周期T引入eDRXPTWeDRX周期寻呼时机睡眠期深度暖睡眠期图9RRM测量放松DRX周期DRX周期引入eDRXPTWeDRX周期寻呼时机睡眠期深度睡娱期图10eDRX节电特性在安全隔离方面，5G网络和RedCap终端可通过支持切片实现业务的端到端逻辑隔离，通过支持TTI级切片资源预留（在时隙传输间隔TTI级别上进行切片资源的预留，可以为不同的业务切片分配独立资源，确保业务之间的互相隔离，减少干扰和冲突）、CAG（CA G技术将5G核心网络的控制面和用户面进行分离，实现它们在不同的逻辑或物理网络上运行，从而增强网络的灵活性、可伸缩性和安全性）、Flex隔离（Flex技术是一种灵活的无线接口方案，在物理层上对信号进行隔离，可以通过多址技术将不同业务切片的信号进行分离，避免干扰和资源冲突）等能力，以实现业务的端到端物理隔离。4网络部署策略RedCap终端可以通过简化部分性能，达到降低成本与功耗的效果，这将对UE的数据速率、覆盖和传输时延等性能造成一定影响，因此，需要制定相应网络策略以优化部署，从而充分发挥RedCap终端的优势。4.1RedCap步频谱及BWP部署分析RedCap频段部署，容量层优先考虑TDD频段。TDD频段具有灵活的上下行时隙配置，可以根据实际需求调整上下行比例，适应不同类型的数据流量，对于容量要求较高的场景具有很好的适应性6 。覆盖层优先考虑FDD频段，能提供更广泛的覆盖范围、较好的穿墙能力，实现广泛的室内、室外覆盖，尤其是在需要覆盖较大面积或建筑物内部的场景中。RedCapBWP策略部署，初期采用与eMBB共享初始BWP，有助于节省系统资源并提高频谱效率。同时，由于初期阶段RedCap的规模和需求可能相对较小，与eMBB共享BWP可以降低部署、管理的复杂性。当RedCap的规模扩大并且需要更高的容量、更优的性能时，可以采用独立的初始BWP。独立初始BWP可为RedCap网络提供更大的灵活性和可定制性，以满足不同的业务需求，这种配置策略可以根据RedCap网络的规模和特点进行定制，以优化系统性能和用户体验。4.2RedCap无线网络规划分析（1）Re d C a p 网络覆盖分析1)2.6G频段下RedCap网络覆盖分析：基于满足5G业务在该频段下部署对边缘速率的要求（下行边缘速率10 0 Mbit/s、上行边缘速率5Mbit/s），2.6 G H z基站天线选择6 4T64R，终端能力为2 T4R。以小区带宽100MHz为基准，对2.6 GHz频率下的小区普通用户边缘速率进行仿真，结果显示：普通终端处于2.6 GHz下行10 0 Mbit/s的边缘速率时，站间距为58 0.5m；上行大于5Mbit/s边缘速率时，站间距为353m。由于上行受限，2.6 GHz频段下满足普通终端5G业务需求站间距应为353m。具体链路预算仿真参数如表7 所示。11第3期李常国，等：5GRedCa应用场景及网络技术研究表7 2.6 GHz64TR链路预算参数表链路预算模型：一般城区RedCapeMBB终端天线数ITIR/1T2R2T4R终端发射功率23dBm26 dBm频率/带宽2.6GHz/100MHz基站天线数/基站功率64T64R/320W在此站址规划下，轻量级5G技术RedCap终端最大发射功率限制为2 3dBm。此时，RedCap1T1R终端上下行最大边缘速率为1.6 Mbit/s和43.6 Mbit/s，1T 2 R终端上下行最大边缘速率为1.6 Mbit/s和7 1.8 Mbit/s，无法满足RedCap视频监控和可穿戴设备的速率需求(上行 2 Mbit/s）。TDD组网下，下行覆盖能力方面，RedCap差于eMBB，小区边缘速率降低约2 8.2%(2 R，2.6 G H z)；上行覆盖能力方面，RedCap差于eMBB，小区边缘速率降低约6 8%。如图11所示。城区小区下行边缘速率(Mbps)城区小区上行边缘速率（Mbps）100528.2%71.856.4%68%43.61.61.6eMBBRedCap(2R)RedCap(1R)eMBBRedCap(2R)RedCap(1R)图11RedCap和eMBB小区边缘速率对比数据（T D D 组网下）2）7 0 0 M 频段下RedCap网络覆盖分析：以下行边缘速率2 0 Mbit/s、上行边缘速率3Mbit/s为目标，设定700M基站天线4T4R，终端能力1T2R，带宽30 MHz，对7 0 0 M频率下小区的覆盖距离进行仿真，结果显示：由于上行覆盖受限，大于3Mbit/s时，站间距应为454.5m。具体参数设定如表8 所示。表8 7 0 0 MHz4TR链路预算参数表链路预算模型：一般城区RedCapeMBB终端天线数1TIR/1T2R1T2R终端发射功率23 dBm频率/带宽700M/30MHz基站天线数/基站功率4T4R/320W在此频段与站址规划下，可计算出相同边缘位置，RedCap终端下的1T1R终端上下行最大边缘速率为3Mbit/s和9.8 Mbit/s，1T 2 R终端上下行最大边缘速率达到3Mbit/s和19.8 Mbit/s，可基本满足RedCap三大典型业务速率需求。FDD组网下，下行覆盖能力方面，RedCap与eMBB基本持平（2 R，7 0 0 M H z)；上行覆盖能力方面，RedCap与eMBB基本持平，如图12 所示。城区小区下行边缘速率（Mbps)城区小区上行边缘速率（Mbps）202050%33310eMBBRedCap(2R)RedCap(1R)eMBBRedCap(2R)RedCap(1R)图12 RedCap和eMBB小区边缘速率对比数据（FD D 组网下）（2）Re d C a p 网络容量分析作为5G的“轻量化”技术，RedCap可大幅降低5G终端成本，又可继承5G特性，相比5GNR和4G均具备一定技术优势。相比5G，Re d Ca p 通过缩减最大带宽（10 0 MHz20MHz）、减少收发天线数目（最低1T1R）降低调制阶数（上下行6 4QAM）,能够有效降低终端复杂度和成本（表9）。根据3GPP协议，相比5GNR终端，RedCap终端复杂度降低约6 0%，将有效减少5G终端成本7 。相比4G，Re d Ca p 除上下行速率优于Cat4终端外，还具备两方面技术优势（表9），是未来面向中高速率物联网场景的目标技术。一是RedCap支持多BWP动态配置，可充分发挥5G大带宽、高容量的优势，小区上下行容量约为4G的7 18 倍；二是RedCap可继承5G网络切片、低时延高可靠性、安全隔离等特点，代际优势显著，能够更好满足不同行业的定制化需求。122023年山东通信技术表9 5GNR、Re d Ca p 与4GCat4、Ca t l/1b i s 的技术指标对比技术指标5GNRRedCap(1T2R)RedCap(1TIR)4GCat44GCatl/1bis700M:30MHz带宽20MHz20MHz20MHz20MHz2.6G:100 MHzTDD:2T4R收发天线1T2R1TIR1T2R1TIRFDD:1T2R上行/下行上行下行上行/下行上/下行上行16 QAM调制64QAM必选64QAM必选256QAM64QAM下行6 4QAM256QAM可选256QAM可选256QAM256QAM上行12 0 Mbps上行12 0 Mbps64QAM上行17 5Mbps下行2 2 6 Mbps下行113Mbps上行5MbpsFDD上行7 5Mbps下行350 Mbps64QAM64QAM下行10 Mbps下行150 Mbps上行9 0 Mbps上行9 0 Mbps下行17 0 Mbps下行8 5Mbps速率256QAM256QAM上行2 2 Mbps上行2 2 Mbps64QAM上行2 50 Mbps下行16 2 Mbps下行8 1Mbps上行1MbpsTDD上行15Mbps下行1.7 Gbps64QAM64QAM下行7.4Mbps下行110 Mbps上行17 Mbps上行17 Mbps下行12 2 Mbps下行6 1Mbps利用多BWP、u RLLC、网络切片等技术，在带宽、时延、可靠性、安全隔离、容量等方面具备5GNR优势特性无优势可靠性，最高可达9 9.9 9%，时延最低可达510msTDD组网下，NR100MHz带宽，2 56 QAM；Re d-Cap20MHz带宽，6 4QAM。相比eMBB，Re d Ca p 峰值速率下降明显，如图13所示。RedCap与eMBB下行峰值速率对比(Mbps)RedCap与eMBB上行峰值速率对比(Mbps)1700250122611717SGNRRedCap(2R)RedCap(1R)5GNRRedCap(2R)RedCap(1R)图13RedCap和eMBB峰值速率对比数据（TDD组网下）FDD组网下，NR30MHz带宽，2 56 QAM；Re d-Cap20MHz带宽，6 4QAM。相比eMBB，Re d Ca p 峰值速率有所下降，如图14所示。RedCap与eMBB下行峰值速率对比(Mbps)RedCap与eMBB上行峰值速率对比(Mbps)1703509090170855GNRRedCap(2R)RedCap(1R)5GNRRedCap(2R)RedCap(1R)图14RedCap和eMBB峰值速率对比数据（FDD组网下）4.3小结RedCap频段部署，容量层优先考虑TDD频段，覆盖层优先考虑FDD频段；RedCapBWP策略部署，初期采用与eMBB共享初始BWP，当RedCap的规模扩大并且需要更高容量、更优性能时，可以采用独立的初始BWP。在覆盖性能方面，7 0 0 MHz频段相对于2.6 GHz频段在上行覆盖上更具优势，即便在小区边缘位置，7 0 0 MHz频段仍可满足可穿戴设备、视频监控上行速率大于2 Mbit/s的需求。针对2.6 GHz频段覆盖RedCap终端能力较弱的区域，可通过引人部分覆盖增强技术以进一步提升覆盖能力。在网络容量方面，在网络负载较轻时，RedCap引人对于网络容量、频谱效率的影响较小;在RedCap规模引入中远期，可通过载波或频率扩容以平衡网络负荷。5结论本文研究了RedCap的应用场景及相关网络技术，通过关键技术方案、网络部署策略，使RedCap能够实现高效、可靠和智能的无线连接，满足多样化的网络需求，推动无线通信领域的进步与发展。参考文献：1徐霞艳.NRRedCapUE关键技术与标准化进展J.移动通信2 0 2 1,45(3):10-15.2J3GPP.Study on support of reduced capability NR devic-es(V17.0.0):TR38.875 S.2021.3黄宇红.5GRedCap技术标准详解M.北京：人民邮电出版社，2 0 2 3.4刘晓峰.5G无线增强设计与国际标准M.北京：人民邮电出版社,2 0 2 0.5王璐璐，曹互，韩潇，等.5GRedCap关键技术研究.邮电设计技术,2 0 2 3(0 3):10-14.6魏鸿斌，徐舒.5GNRRedCap技术简述及应用前景.数据通信,2 0 2 2(0 5):50-51+54.7李晗阳，翁玮文，李男，等.5GNRRedCap关键技术研究.电信科学,2 0 2 2,38(0 3):9 3-10 1.