5G R17中的RedCap是什么技术?

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一周前,3GPP宣布5G R17标准冻结。在R17版本中,RedCap这个“小红帽”尤为显眼,被誉为5G物联网不可或缺的一块大蛋糕。
 
下面我们就一起来看看究竟什么是RedCap?
 
为什么要定义RedCap?
 
我们先来看看可穿戴设备(包括可穿戴手表、AR/VR眼镜等)、工业无线传感器、监控摄像头这三类终端对网络能力的需求:
 
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众所周知,5G eMBB支持载波带宽100MHz以上,峰值速率可达10Gbps;uRLLC支持毫秒级时延和超高可靠性;而mMTC由4G时代的NB-IoT和eMTC演进而来,主要支持带宽小于1.4MHz、速率低于1Mbps的低速率、低成本、低功耗的物联网连接。
 
但从上表不难发现,可穿戴设备、工业无线传感器、视频监控等用例的网络能力需求介于eMBB、uRLLC和mMTC能力之间。
 
因此,为了匹配对速率、设备成本和电池寿命等要求介于eMBB、uRLLC和mMTC之间的这些用例,3GPP在R17版本中定义了对RedCap NR设备的支持。
 
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从技术演进的角度看,一方面,4G有成本更低的LTE Cat-1、Cat-3、Cat4中速率物联标准,但没有面向5G NR的平滑升级路径;另一方面,5G还没有与4G相对应的中速率物联标准,现有支持5G eMBB的模块价格较高,因此,为扩大5G时代的物联网市场,行业亟需定义更简化、成本更低的5G中速率物联标准。
 
RedCap不仅功能更简化、成本更低,更重要的是,相比4G LTE中速率物联网方案,其原生于5G,天然具有5G NR的优势,比如支持包括毫米波在内的非常广泛的频段、网络效率更高、支持波束赋形、可连接到5G核心网等,还可以在NR载波上与NR eMBB和uRLLC共存,因此,RedCap有望替代4G中速率物联,支撑更庞大的物联市场。
 
在R17版本,RedCap主要支持用例如下:
 
• 工业传感器:压力传感器、湿度传感器、温度计、运动传感器、加速度计和执行器等
• 监控摄像头:应用于智慧城市、工厂和其他工业场所
• 可穿戴设备:智能手表、电子健康相关设备、医疗监控设备、AR/VR眼镜等
 
在R18版本中,RedCap还将进一步降低终端复杂度,支持更广泛的速率,以及可能增加支持定位、sidelink协议、非授权频谱等能力,以支撑更多用例。
 
裁剪了哪些能力?
 
RedCap,全称Reduced Capability NR,直译过来就是缩减NR能力的意思。在标准研究过程中也有厂商叫它NR-Light或NR-lite,后来3GPP正式将它命名为RedCap。
 
RedCap到底裁剪了哪些能力?
 
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如上表,在R17中RedCap主要裁剪了以下功能,从而将终端复杂度和成本下降50%至65%。
 
• 最大带宽从NR的100MHz缩减为20MHz
• 最小天线配置从NR的2T4R减少到1T1R或1T2R
• 最小下行MIMO层数减少至1
• 最大调制阶数最低可支持64QAM
• 引入了半双工模式
 
通过最大化功能剪裁后,RedCap在FR1频段范围内可支持约20Mbps-100Mbps范围的上下行理论峰值速率,足以满足大多数的中速物联需求。
 
当然,为了实现更高的峰值速率,RedCap终端设备也可以不用裁剪得这么狠,也可以选择更高级的功能,比如支持2个接收天线、2个下行MIMO层、256QAM、全双工FDD等。
 
通过剪裁,在数据速率方面,RedCap与LTE Cat-4终端能力接近。
 
除了剪裁了以上列出的物理层功能,RedCap也对一些更高层的功能进行了剪裁,比如规定DRB的最大数量从16个减少至8个,将PDCP SN和RLC-AM SN长度从18比特减少至12比特,可选支持ANR功能等。
 
有哪些关键技术?
 
除了功能裁剪,需重点提及的是,为了降低终端设备功耗,RedCap在R17中引入了两大可延长电池寿命的节能技术:eDRX和RRM测量放松。
 
eDRX
 
一方面,终端与网络之间的数据流通常是间隙性的或突发性的;另一方面,如果终端一直监听网络寻呼,耗电很大。基于此,为了让终端更省电,5G R15版本中为NR引入了DRX(不连续接收)机制,其在RRC_IDLE(空闲态)和RRC_INACTIVE(非激活态)状态下,让终端周期性地监听PDCCH信道以接收寻呼消息,剩余时间则进入休眠状态(关闭接收器),不用监听寻呼,从而可以大大降低功耗。
 
在NR中,RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态下的DRX周期最大为2.56秒。
 
而RedCap引入eDRX机制,顾名思义就是扩展的DRX机制,其将RRC_IDLE状态下的DRX周期扩展到长达10485.76秒(即大约3小时),将RRC_INACTIVE状态下的DRX周期扩展到10.24秒,从而终端休眠时间更长,更加节省功耗,更能延长电池寿命。
 
值得一提的是,使用DRX机制时,需在终端功耗与时延之间权衡,即DRX周期越长,下行时延可能就越大。由于RedCap在时延和可靠性上没有eMBB/uRLLC用例要求严苛,这为RedCap采用eDRX机制提供了可能。
 
RRM测量放松 
 
终端在RRC-IDLE和RRC_INACTIVE状态下,会频繁执行RRM(无线资源管理)测量,以确保终端驻留在最佳的可用小区。RRM测量主要测量服务小区和相邻小区的RSRP和RSRQ值。RRM测量尽管可以确保终端能获得最佳的连接质量,但会导致即使终端与网络之间没有数据传输时也会耗费电池电量。
 
对此,在R16版本中,针对低速移动和非小区边缘场景定义了RRM测量放松机制,当满足低速率条件一定时间或同时满足低速率和非小区边缘条件时,允许设备放宽相邻小区测量,比如通过加大RRM测量周期来降低邻区测量次数和小区测量数,从而减少终端耗电。而在R17版本中,针对RedCap终端进一步延长了放宽时间。
 
此外,如上所述,由于RedCap原生于5G,天然具有5G NR的优势,RedCap还能与5G切片、UPF下沉、uRLLC能力、覆盖增强、5G LAN、5G定位、终端节能等技术相结合,灵活匹配多样化的中速率物联网应用,从而更好赋能各行各业。
 
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