全球正在如火如荼地部署 5G 網絡，預計到 2023 年，5G 連接的數量將超過 10 億。截止目前，5G 主要用于智能手機和固定無線接入 (FWA)。雖然這些都是關鍵用例，但未來幾年，5G 的應用范圍將會繼續擴大，涵蓋更多應用和設備類型。

在這一發展過程中，制定 5G Reduced Capability (RedCap) 標準是非常重要的一步。這是針對不斷發展的龐大物聯網 (IoT) 開發的第一個 5G 物聯網標準。RedCap 旨在滿足物聯網設備的要求，這些設備需要使用比現有 5G 尺寸更小、更簡單、成本更低的 RF 解決方案， 并且電池壽命更長。3GPP Rel-17 中定義了第一版 RedCap 規范草案，并于 2022 年中期最終定稿，預計芯片組和最終用戶產品將在未來 1-2 年內上市。這些規范側重三大應用領域：可穿戴設備、工業無線傳感器和視頻監控。

為何需要 RedCap？

5G 最終會支持無數的現有用例和新用例。這些用例一般可以分為三個大類。每個大類都有不同的要求，如圖 1所示。RedCap 將在這三個大類的基礎上支持具有低到中等RF要求的應用小類。

圖 1. 5G 物聯網標準: 5G RedCap。

帶給設備制造商的優勢

對于物聯網設備制造商而言，RedCap 不僅具有 5G 優勢，而且 RF 復雜性和成本低于現有的 5G 解決方案。關鍵優勢包括可提供比現有的低功耗廣域 (LPWA) 物聯網標準 LTE-M 和 NB-IoT 更快的速度。此外，制造商可以根據特定物聯網應用的要求，從各種 5G RedCap 服務中選擇，提供不同的數據速率、延遲和不同級別的可用性。

帶給運營商的優勢

RedCap 將有助于運營商從非獨立的 5G 網絡（要求他們維持 4G 鏈路，以進行設備連接）過渡到獨立的 (SA) 5G 網絡。SA 網絡為運營商帶來了巨大的成本和效率優勢。SA 網絡還提供新的創收機遇，運營商可以利用 5G 的動態網絡分段功能針對不同的應用提供定制服務，并連接數百萬臺新設備。

RedCap 應用

3GPP Rel-17 最初定義的 RedCap 規范主要針對三種用例：可穿戴設備、工業無線傳感器和視頻監控。這些用例在無線數據速率、延遲、可用性、尺寸和電池壽命等方面具有不同的要求，如表 1 所示。

表 1. 3GPP Rel-17 中 RedCap 的目標用例。

RF 挑戰和解決方案

為了滿足物聯網設備的要求，相較于之前的 5G 解決方案，RedCap RF 解決方案必須減小尺寸、提高電池壽命并降低成本。為了實現這些目標，RedCap 要求其 RF 復雜性必須低于智能手機中的 5G RF 解決方案。RedCap 設備與智能手機不同，它不需要極高的數據速率，因此降低復雜性是可行的。

表 2 列出了 RedCap 設備與 5G 智能手機在 RF 要求方面的主要差異。

表 2. RedCap 設備與 5G 智能手機的 RF 要求。

以下幾點展示了 RedCap 與 5G 智能手機 RF 解決方案之間的不同如何幫助降低功耗、尺寸和成本：

• 更窄帶寬。在 5G 頻率范圍 1（頻段 <6GHz）內，RedCap 設備只需支持 20MHz 最大帶寬，而智能手機需要支持 100MHz。這有助于降低功耗，延長電池壽命。

• 更少的頻段。高端 5G 智能手機可能包含 50+ 頻段，以支持全球使用，而 RedCap 設備支持的頻段數量較少，所以成本更低，尺寸更小。高端可穿戴設備（例如高端智能手表）可能還包含區域頻段子集，以及一些國際漫游頻段。而更簡單的物聯網設備只需少量幾個頻段，尤其是這些設備被設計用于單個地點時。

• 僅支持獨立的 5G 網絡。RedCap 設備無需支持非獨立網絡，所以無需同時具備兩個活躍的 Tx 鏈，以提供 4G/5G 雙路連接 (EN-DC)。這大大降低了 RF 復雜性、解決方案尺寸和功耗。

• 無 2G/3G 支持。RedCap 設備無需支持傳統的 2G/3G 網絡，所以不需要配備會產生大量功耗的 2G/3G 功放。

• 無載波聚合(CA)。RedCap 設備一次只需使用一個頻段，而 5G 智能手機需使用 CA 同時在多個頻段通信，以實現更高的數據速率。因此，RedCap 解決方案無需使用復雜的濾波器來支持 CA。這有助于降低插入損耗、復雜性和成本。低插入損耗意味著功耗更低，電池壽命更長。

• 更少的天線和 Rx 鏈。RedCap 設備對 MIMO 的要求比 5G 智能手機更低。智能手機在大部分頻段都必須支持 4x4 下行鏈路 MIMO；而 RedCap 設備只需要支持 1 個或 2 個手機天線和 Rx 鏈路，具體取決于頻段。這有助于降低電流消耗、解決方案尺寸和成本。而且使制造商更容易設計高度緊湊的可穿戴設備和其他物聯網設備。

• FDD 頻段中的半雙工通信。RedCap 在 FDD 頻段中使用半雙工通信，而不是全雙工通信。因此，一些 RedCap 應用，例如庫存/資產追蹤器，可能無需配備用于支持全雙工通信的雙工器。這些應用可以使用更簡單的濾波器和開關，從而降低了成本和插入損耗。

• 更低的發射功率。RedCap 設備的最大功率輸出一般都低于智能手機。這有助于降低功耗，延長電池壽命。

• 集成。RedCap RF 解決方案的集成水平因應用而異。對于有些可穿戴設備，尺寸至關重要，所以高端智能手表都傾向于采用高度集成的解決方案。對于其他應用，例如監控攝像頭，尺寸不太重要，因此可以選用集成水平較低的解決方案，以降低成本。

RedCap 時間表

第一版 RedCap 規范于 2022 年中期在 3GPP Rel-17 中最終確定，但對于這項標準，這只是第一步。芯片組和 RF 解決方案一般會在標準最終確定后約一年推出，使用這些解決方案的最終產品則在約兩年后問世。屆時，許多運營商將轉向采用獨立的 5G 網絡，以支持 RedCap 設備。

同時，3GPP 仍在繼續改進 RedCap 標準，并定義 Rel-18 中將要包含的新功能。3GPP 還在探尋新的方式來進一步降低 RF 復雜性和成本，并延長電池壽命。目前考慮的具體功能包括：

• 定位。改善 RedCap 應用的窄帶 (NB) 定位。

• 降低速度，使 RedCap 功能得以在更低層次的 LPWA 網絡中使用，其帶寬可能降低至 5MHz。

• 側行鏈路–與其他 5G 設備直接通信。例如，智能手表能夠直接與手機或耳機通信，而無需通過 5G 基站進行通信。這會減少延遲并降低功耗。

結論

RedCap 是對物聯網設備制造商可用的蜂窩網絡選項的一個重要補充。RedCap 前景可期，物聯網制造商將會獲得比目前尺寸更小、成本更低、功耗更低的 5G RF 解決方案。這有助于制造商生產支持 5G 網絡的緊湊型物聯網設備，不僅可延長電池壽命，而且與使用舊物聯網標準的設備相比，可實現更高的數據速率。