科普:RedCap 是什么,与现在的 5G 有何不同

鲜枣课堂 2022/6/15 21:00:02 责编:长河

随着 3GPP R17 版本的冻结,一个新的名词逐渐开始热门起来,那就是 RedCap。究竟什么是 RedCap?为什么要引入它?它和现在的 5G 有什么区别?且看小枣君的深入解析……

什么是 RedCap

RedCap,全名是 Reduced Capability,中文意思是“降低能力”。它是 3GPP 在 5G R17 阶段,专门立项研究的一种新技术标准。

对于 RedCap 这个名字,大家可能觉得比较陌生。其实,它此前的名字,可能有读者听说过,就是 NR light(NR lite)。说白了,RedCap 就是轻量级的 5G

值得一提的是,国内有些文章将 RedCap 全名说成是 Reduced Capacity。这显然是不对的,Capacity 的意思是容量,Capability 是能力

为什么会有 RedCap

5G 搞得好好的,为什么要搞一个轻量级的版本呢?原因如下:众所周知,5G 分为三大应用场景,分别是 eMBB(增强型移动宽带)、uRLLC(低时延高可靠通信)、mMTC(海量物联网通信)。

eMBB 是 4G 时代 MBB(移动宽带)的升级,主要侧重于网络速率、带宽容量、频谱效率等指标。目前我们使用的 5G 手机通信,就属于 eMBB 场景。

而 uRLLC 和 mMTC,前者侧重可靠性和时延,后者侧重连接数和能耗。两者都是主要服务于行业互联网,包括工业制造、车联网、远程抄表等垂直行业领域。

我以前和大家说过,物联网的应用场景是极其复杂、多样的。不同的场景,对网络的指标要求并不一样。以速率为例,VR / AR、高清转播需要高速连接,但是,远程抄表(水表、电表),还有共享单车同步数据,只需要低速就可以了。相比速率,很多应用场景更关心功耗和成本。

物联网经过这么多年发展,已经形成了高速、中速和低速三个类别:

▲ “631”结构

如果算上现在越来越火的无源物联网(超低速率),那就是四个类别:

仅靠 5G,是满足不了全部需求的。所以,现阶段,是 5G、4G 一起在扛。甚至 2G、3G 也在帮忙。

随着 2G、3G 的退网,绝大部分的 2G、3G 物联网业务将会迁移到 LTE Cat.1、LTE Cat.4 和 NB-IoT。也就是 4G、5G 打天下。

那么问题来了,将来 4G 要退网,怎么办?或者,新运营商成立,难道除了 5G 之外,还要再建一个 4G 网络吗?

所以,5G 必须考虑长远,建立一个轻量化的版本,用于覆盖住目前 LTE Cat.1 以及 Cat.4 的需求,也就是中速及中高速需求。

于是,就有了 RedCap。

换言之,NB-IoT / eMTC 是阉割版的 4G。而 RedCap,是阉割版的 5G。从技术特性上来说,RedCap 介于 eMBB(超宽带)和 LPWA(低功耗广域网,NB-IoT 等)之间。

RedCap 主要针对的是带宽、功耗、成本等需求都基于 eMBB 和 LPWA 之间的应用。

它的带宽速率低于 eMBB,但是远高于 LPWA。它的功耗和成本高于 LPWA,但是却又远低于 eMBB。

▲ RedCap 的能力,非常“均衡”(黄色线是 RedCap)

RedCap 诞生的另一个驱动力,是 5G 终端芯片和模组的成本问题

完整版的 5G 终端芯片和模组,设计极为复杂,研发门槛极高,投入成本巨大。它们的价格,也一直居高不下(500-1000 元)。

高昂的价格,影响了 5G 在垂直行业的落地,用户不愿意花这么多钱。

所以,搞一个轻量化的 5G,也是为了在一些对速率、时延要求不那么高的场景,降低 5G 部署和使用的成本,更好地服务用户,加速 5G 落地。

RedCap 是如何实现低成本的?

来到本文的关键部分,RedCap 究竟是如何被阉割 Reduced 的。

下面这个表格,显示了 5G RedCap 设备和 5G 传统设备之间的主要区别。

▲ 原图来自爱立信(鲜枣课堂翻译)

首先,RedCap 的频谱带宽更小。在 Sub-6GHz 频段,RedCap 的带宽为 20MHz,小于传统 5G 的 100MHz。

其次,RedCap 减少了收发天线数量,并降低了 MIMO 层数。对于 Sub-6GHz 频段,RedCap 终端的接收链路可减少为 1 个或 2 个,相应下行 MIMO 降低为 1 层或 2 层接收。这样一来,就降低了对终端射频收发信机和基带处理模块的能力要求。

第三,RedCap 采用了 64QAM 这种更简单的调制方式,同样意味着对射频和基带的要求大幅降低。

第四,RedCap 采用半双工 FDD(HD-FDD),可以在不同时刻在不同频率上进行收发,不需要双工器。不仅节约了成本,还获得了更好的集成能力(双工器一般都比较大),减小了对设备空间的占用,有利于设备的小型化。

第五,RedCap 引入了一些节省功耗的手段,例如增强的非连续接收特性(eDRX),采用更长的休眠模式,让终端减小功耗,获得更高的续航能力。

基于上述改动,根据预测,RedCap 相比于 5G 公网终端,复杂度下降了 60%,在基带和射频侧大约有 70% 左右的成本降低。更有说法称,RedCap 的整体成本可以减小 2-5 倍,甚至 7-8 倍。

虽然 RedCap 被严重阉割,但基本性能还是保留的。它可以基于 5G 现网平滑升级引入,不需要对现网进行大的改造。

说完好的,再说不好的。RedCap 失去了什么呢?

首先是速率。随着终端带宽的下降,MIMO 接收的简化,以及最高调制阶数的下降,RedCap 的峰值速率也将大幅下降。

具体的速率值,根据天线数量和帧结构有所不同,可以参看下面的表格:

▲ RedCap 上下行峰值速率参考(来自 5G RedCap 技术白皮书)

覆盖能力方面,因为天线设计的缩水,加上可穿戴终端的尺寸限制,覆盖能力略有缩水。

传输时延方面,HD-FDD 不能同时发送和接受,传输时延会有所增加。不过,对于 RedCap 的应用场景来说,这些问题都没有太大影响。

值得一提的是,考虑到应用场景和成本,3GPP 提出 RedCap 一次只能在一个频带内工作,不需要支持载波聚合或者双连接。(当然了,早期的 RedCap 终端,肯定是双模的,毕竟 5G 的覆盖并不完美。)

差点忘记说价格。根据预测,RedCap 的模组价格将会控制在 100-200 元(人民币)之间,远低于目前大几百元的 5G 模组,但是会比几十元的 NB-IoT 模组高。

RedCap 的典型业务场景

目前,根据 3GPP R17 的标准定义,RedCap 支持三大业务场景,分别是:可穿戴设备、工业传感器和视频监控

这三种场景对网络的具体需求,如下表所示:

▲ 原图来自爱立信(鲜枣课堂翻译)

可穿戴设备,以智能手表为例。

目前,市面上主流的智能手表都只支持 4G,不支持 5G。因为 5G 芯片成本太高,发热量大,而且 eMBB 的高速率,对于手表的屏幕尺寸来说,有点多余。

采用 RedCap,完全可以满足智能手表的视频通话需求,不仅下行带宽足够,上行带宽也远远高于 LTE Cat.1。

此外,RedCap 在尺寸和功耗方面,也能够满足智能手表的需求。

再看看工业传感器。

工业无线传感器大家可能比较陌生。这个东西的类别很多,包括压力传感器、湿度传感器、运动传感器、温度计、加速度计、驱动器,等等。

这些传感器在工业领域广泛应用,数量巨大。它对可靠性要求略高,大概是 99.99%。但是,对时延要求不算高,100ms 以内就行。速率的话,一般都不超过 2Mbps。

毫无疑问,RedCap 是可以满足的。

最后是视频监控。

视频监控是目前广泛存在的一种物联网需求,我们身边到处都是。

很多人认为,视频监控要用 5G。其实,视频监控也分为多种类别。有的是 4K / 8K 超高清,高端型监控(7.5-25 Mbps)。也有的是高清或标清,属于经济型监控(2-4 Mbps)。

在实际应用中,经济型视频监控的占比反而更大一些,这些都不需要 5G,用 LTE Cat.1 / Cat.4,还有我们的 RedCap,就足够了。

除了上述三大场景之外,RedCap 可以应用的地方还有很多,例如智能物流、智能电力、智能巡检、智能制造等

根据各大市场咨询机构的预测数据,到 2025 年,国内可穿戴、视频监控及电力行业终端规模均可达千万量级。对于 RedCap 来说,市场前景广阔。

RedCap 什么时候可以商用?

2019 年 6 月,在 3GPP RAN #84 会议上,RedCap 被首次作为一个 R17 Study Item(研究项目)出现在大家面前。

2021 年 3 月,3GPP 正式通过了 NR RedCap UE 标准化(即 Work Item)项目的立项。

如今,2022 年 6 月 9 日,3GPP R17 冻结,也就意味着 RedCap R17 标准化完成。

根据经验,标准化之后,至少要 1-2 年的时间,才能实现初步的产业化。所以说,预计到 2023 年的年中(或者 2024 年年初),我们将看到 RedCap 的早期商用化产品。

注意啊,RedCap 的标准化并没有彻底结束。2021 年 12 月,3GPP R18 RedCap 的标准化,已经启动了。

▲ 3GPP RedCap 标准化工作进程(来自 5G RedCap 技术白皮书)

R18 RedCap 的目标,是对标 Cat.1/1bis,进一步降低终端复杂度,实现 RedCap 终端复杂度的极致简化。

换言之,RedCap 这项技术,未来还有很长的路要走。

好了,以上就是关于 RedCap 的全部内容。感谢大家的耐心观看,我们下期再见!

参考文献:

  • 1、https://www.ericsson.com/ en / blog / 2021/2 / reduced-cap-nr,爱立信

  • 2、《5G R17 带来的芯片机会》,李飞,半导体行业观察

  • 3、《RedCap,来了!》,5GSA

  • 4、《5G RedCap UE 关键技术与标准化进展》,徐霞艳,移动通信;

  • 5、3GPP Enhancements Planned for 5G Release 17 Include RedCap, Coverage Improvements, Satellite Standards, and More, sierrawireless.com

  • 6、https://blog.3g4g.co.uk/2021/07/introduction-to-5g-reduced-capability.html,3G4G

  • 7、3GPP.org

  • 8、5G RedCap 技术白皮书,中国移动

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关键词:5GRedCap

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