edCap: 5G時(shí)代的新蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

多年來，蜂窩網(wǎng)絡(luò)行業(yè)已經(jīng)推出了多種無線技術(shù)，以推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接入網(wǎng)。表1中列出的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括LTE Cat M、擴(kuò)展覆蓋GSM物聯(lián)網(wǎng)（EC-GSM-IoT）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）。這些技術(shù)的出現(xiàn)都是為了最大限度地降低蜂窩連接的附加成本，讓遠(yuǎn)程無線連接的成本效益最大化。

最新推出的強(qiáng)大的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有望成為首個(gè)能夠充分釋放5G潛能的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)引入了一些增強(qiáng)特性，使得輕量級(jí)5G設(shè)備或者RedCap設(shè)備能夠在5G網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。

表1：蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

顧名思義，5G RedCap設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，但是它們并不像智能手機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備以及其他在5G網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的更先進(jìn)的終端設(shè)備一樣具備完整的功能（性能）。雖然可穿戴設(shè)備、傳感器、監(jiān)控設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等RedCap設(shè)備并不具備5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所要求的高吞吐量、大帶寬和低時(shí)延能力，但是它們通常對(duì)功耗和成本有更為嚴(yán)格的限制。RedCap設(shè)備將受益于5G的大規(guī)模部署，同時(shí)利用較少的5G能力即可實(shí)現(xiàn)功能與成本和功耗的最佳平衡。

3GPP規(guī)范了RedCap設(shè)備的三大用例：工業(yè)傳感器、監(jiān)控設(shè)備和可穿戴設(shè)備。3GPP的技術(shù)報(bào)告（TR38.875版本）規(guī)定了每個(gè)用例的最大數(shù)據(jù)速率、端到端（E2E）延遲和服務(wù)可用性，如表2所示。

表2：R17標(biāo)準(zhǔn)引入的增強(qiáng)特性包括低成本和低功耗

RedCap追求成本和性能的平衡

為了降低復(fù)雜度、成本和功耗，RedCap設(shè)備所需的天線數(shù)量比標(biāo)準(zhǔn)5G設(shè)備要少。這不僅降低了成本，還減少了多入多出(MIMO)層的最大數(shù)量。RedCap設(shè)備的下行鏈路僅支持2×2?MIMO，而上行鏈路僅支持單入單出。
RedCap設(shè)備支持的帶寬比標(biāo)準(zhǔn)5G終端設(shè)備要低，較低的帶寬可以有效降低功率放大器 (PA)的成本。RedCap設(shè)備只支持FR1頻段的20MHz帶寬和FR2頻段的100MHz帶寬。

表3：RedCap降低成本策略的益處及其實(shí)現(xiàn)的成本與性能之間的平衡

3GPP R17為RedCap設(shè)備引入的另一個(gè)能夠降低成本的增強(qiáng)特性是支持半雙工FDD傳輸。雖然半雙工FDD通過支持RedCap設(shè)備使用轉(zhuǎn)換開關(guān)來代替全雙工FDD所需的雙工器，大幅降低了成本，但它確實(shí)存在著一些缺陷。RedCap設(shè)備無法同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵O(shè)備使用半雙工FDD也會(huì)產(chǎn)生一些問題:

• 將無法在同一組信號(hào)集中同時(shí)檢測(cè)下行鏈路和上行鏈路調(diào)度信息
• 不能在上行鏈路模式下監(jiān)測(cè)下行鏈路信息
• 也無法在監(jiān)測(cè)下行鏈路的同時(shí)發(fā)送上行鏈路控制信息

一旦出現(xiàn)沖突，RedCap設(shè)備能夠根據(jù)具體實(shí)踐來決定采取何種操作。

RedCap的低功耗增強(qiáng)特性

RedCap專門對(duì)5G規(guī)范進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，以提高電源效率，最大限度地降低功耗，并延長(zhǎng)RedCap設(shè)備的電池使用壽命。例如與完整的5G規(guī)范相比，RedCap采用了一種精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方案。RedCap減少了設(shè)備在物理下行鏈路控制信道（PDCCH）中監(jiān)測(cè)的盲解碼和控制信道單元的數(shù)量，從而降低了用于執(zhí)行這些任務(wù)所需的能耗。

RedCap實(shí)施的另一項(xiàng)降低功耗的策略就是擴(kuò)展非連續(xù)接收(eDRX)周期。在設(shè)備處于非連接態(tài)或空閑態(tài)時(shí)，RedCap可以增加eDRX周期，大幅延長(zhǎng)電池的使用壽命。更長(zhǎng)的eDRX周期對(duì)于固定的無線傳感器等特定用例是非常有益的，因?yàn)檠娱L(zhǎng)eDRX周期需要降低設(shè)備的可移動(dòng)性。（設(shè)想一下，一個(gè)監(jiān)測(cè)鐵軌的無線傳感器只需要定期連接到網(wǎng)絡(luò)上來傳輸數(shù)據(jù)。）

此外，對(duì)于不處在小區(qū)邊緣的設(shè)備，RedCap還放寬了對(duì)無線資源管理（RRM）的要求，并且引入了無線資源控制（RRC）非活動(dòng)狀態(tài)，允許終端設(shè)備在不切換RRC連接狀態(tài)的情況下進(jìn)行小批量的數(shù)據(jù)傳輸。這兩項(xiàng)增強(qiáng)特性都是為了降低功耗，延長(zhǎng)RedCap設(shè)備的電池使用壽命。

RedCap設(shè)備的復(fù)雜性降低

最后，RedCap的增強(qiáng)特性還體現(xiàn)在采取一系列簡(jiǎn)化措施來降低RedCap設(shè)備的復(fù)雜性。這些措施也可以降低功耗和設(shè)備成本，但它們的主要目的是為了降低設(shè)備的復(fù)雜性，這樣射頻元器件便能夠匹配外形非常小巧或者具有非常規(guī)外形尺寸的設(shè)備（例如智能眼鏡等可穿戴設(shè)備）。

RedCap為降低設(shè)備的復(fù)雜性所采取的簡(jiǎn)化措施包括：僅支持單一運(yùn)營(yíng)商（不支持運(yùn)營(yíng)商聚合），以及支持單一連接，讓RedCap設(shè)備只能在5G獨(dú)立模式下運(yùn)行。RedCap還支持5G功率等級(jí)3，它限制了設(shè)備的等效各向同性輻射功率 (EIRP)，從而縮小了設(shè)備電池的體積。

對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的影響

上述的R17增強(qiáng)特性主要集中在RedCap設(shè)備上。但是RedCap的增強(qiáng)特性也對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了影響。

RedCap給5G網(wǎng)絡(luò)帶來的最大影響是，在隨機(jī)接入過程中以及設(shè)備保持連接時(shí)，網(wǎng)絡(luò)必須適配RedCap的特定功能。為RedCap引入的新信息元素（IE）讓帶寬能夠根據(jù)設(shè)備采取的操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配。例如，其中一些新的IE涉及到將RedCap終端設(shè)備接入小區(qū)或者使用半雙工模式的許可。 (一些IE是RedCap設(shè)備接入小區(qū)的必要條件；當(dāng)這些IE沒有被檢測(cè)到時(shí)，小區(qū)將禁止RedCap設(shè)備連接，RedCap設(shè)備將不得不啟動(dòng)RRC程序以連接到另一個(gè)它可以提供對(duì)應(yīng)IE的小區(qū)）。

另一個(gè)新的IE讓固定設(shè)備或者處在小區(qū)邊緣的設(shè)備能夠應(yīng)用精簡(jiǎn)的RedCap技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

一些新的IE則用于支持部分帶寬（BWP）配置，它允許靈活地使用頻譜，以便根據(jù)終端設(shè)備的需要自適應(yīng)動(dòng)態(tài)分配到的帶寬，從而降低功耗。低帶寬也會(huì)影響設(shè)備訪問網(wǎng)絡(luò)所使用的隨機(jī)接入信道(RACH)程序。網(wǎng)絡(luò)可以為

RedCap設(shè)備指定一個(gè)BWP，或者減少這些設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)所需的BWP大小。但是，這一改進(jìn)給RedCap帶來的價(jià)值有限，正是由于如上所述，RedCap設(shè)備支持的最大帶寬為20MHz。

為了讓網(wǎng)絡(luò)能夠支持RedCap設(shè)備，R17引入的新信令參數(shù)和程序要求設(shè)備工程師通過檢查設(shè)備的兼容性來確保連接。5G設(shè)備的開發(fā)工程師出于調(diào)試的目的，還需要用特定的工具檢查RedCap參數(shù)。

RedCap市場(chǎng)展望

未來幾年，5G RedCap設(shè)備的落地應(yīng)用前景一片光明。分析師預(yù)測(cè)，5G RedCap芯片組將于今年或者2024年問世，第一批商用RedCap設(shè)備也將在2025年或者2026年進(jìn)入市場(chǎng)。2026年之后，隨著各個(gè)行業(yè)以及消費(fèi)者迫切希望采用支持5G連接的可穿戴設(shè)備來進(jìn)行健康檢測(cè)或者用于其他應(yīng)用，商用RedCap設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模將急劇上升。比如，經(jīng)濟(jì)高效的無線傳感器將用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)收集和資產(chǎn)追蹤，一些監(jiān)控設(shè)備也將用于智慧城市、工廠和其他應(yīng)用場(chǎng)景。

與所有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一樣，5G RedCap設(shè)備在推向市場(chǎng)之前需要經(jīng)過全面的測(cè)試，這一點(diǎn)至關(guān)重要。采用正確的測(cè)試方法對(duì)于驗(yàn)證5G RedCap設(shè)備的協(xié)議合規(guī)性和性能而言非常關(guān)鍵。