5G RedCap：对物联网设备 RF 要求的潜在影响

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全球正在如火如荼地部署 5G 网络，预计到 2023 年，5G 连接的数量将超过 10 亿。截止目前，5G 主要用于智能手机和固定无线接入 (FWA)。虽然这些都是关键用例，但未来几年，5G 的应用范围将会继续扩大，涵盖更多应用和设备类型。

在这一发展过程中，制定 5G Reduced Capability (RedCap) 标准是非常重要的一步。这是针对不断发展的庞大物联网 (IoT) 开发的第一个 5G 物联网标准。RedCap 旨在满足物联网设备的要求，这些设备需要使用比现有 5G 尺寸更小、更简单、成本更低的 RF 解决方案， 并且电池寿命更长。3GPP Rel-17 中定义了第一版 RedCap 规范草案，并于 2022 年中期最终定稿，预计芯片组和最终用户产品将在未来 1-2 年内上市。这些规范侧重三大应用领域：可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控。

为何需要 RedCap？

5G 最终会支持无数的现有用例和新用例。这些用例一般可以分为三个大类。每个大类都有不同的要求，如图 1 所示。RedCap 将在这三个大类的基础上支持具有低到中等RF要求的应用小类。

图 1. 5G 物联网标准: 5G RedCap。

带给设备制造商的优势

对于物联网设备制造商而言，RedCap 不仅具有 5G 优势，而且 RF 复杂性和成本低于现有的 5G 解决方案。关键优势包括可提供比现有的低功耗广域 (LPWA) 物联网标准 LTE-M 和 NB-IoT 更快的速度。此外，制造商可以根据特定物联网应用的要求，从各种 5G RedCap 服务中选择，提供不同的数据速率、延迟和不同级别的可用性。

带给运营商的优势

RedCap 将有助于运营商从非独立的 5G 网络（要求他们维持 4G 链路，以进行设备连接）过渡到独立的 (SA) 5G 网络。SA 网络为运营商带来了巨大的成本和效率优势。SA 网络还提供新的创收机遇，运营商可以利用 5G 的动态网络分段功能针对不同的应用提供定制服务，并连接数百万台新设备。

RedCap 应用

3GPP Rel-17 最初定义的 RedCap 规范主要针对三种用例：可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控。这些用例在无线数据速率、延迟、可用性、尺寸和电池寿命等方面具有不同的要求，如表 1 所示。

表 1. 3GPP Rel-17 中 RedCap 的目标用例。

RF 挑战和解决方案

为了满足物联网设备的要求，相较于之前的 5G 解决方案，RedCap RF 解决方案必须减小尺寸、提高电池寿命并降低成本。为了实现这些目标，RedCap 要求其 RF 复杂性必须低于智能手机中的 5G RF 解决方案。RedCap 设备与智能手机不同，它不需要极高的数据速率，因此降低复杂性是可行的。

表 2 列出了 RedCap 设备与 5G 智能手机在 RF 要求方面的主要差异。

表 2. RedCap 设备与 5G 智能手机的 RF 要求。

以下几点展示了 RedCap 与 5G 智能手机 RF 解决方案之间的不同如何帮助降低功耗、尺寸和成本：

更窄带宽。在 5G 频率范围 1（频段 <6GHz）内，RedCap 设备只需支持 20MHz 最大带宽，而智能手机需要支持 100MHz。这有助于降低功耗，延长电池寿命。

更少的频段。高端 5G 智能手机可能包含 50+ 频段，以支持全球使用，而 RedCap 设备支持的频段数量较少，所以成本更低，尺寸更小。高端可穿戴设备（例如高端智能手表）可能还包含区域频段子集，以及一些国际漫游频段。而更简单的物联网设备只需少量几个频段，尤其是这些设备被设计用于单个地点时。

仅支持独立的 5G 网络。RedCap 设备无需支持非独立网络，所以无需同时具备两个活跃的 Tx 链，以提供 4G/5G 双路连接 (EN-DC)。这大大降低了 RF 复杂性、解决方案尺寸和功耗。

无 2G/3G 支持。RedCap 设备无需支持传统的 2G/3G 网络，所以不需要配备会产生大量功耗的 2G/3G 功放。

无载波聚合 (CA)。RedCap 设备一次只需使用一个频段，而 5G 智能手机需使用 CA 同时在多个频段通信，以实现更高的数据速率。因此，RedCap 解决方案无需使用复杂的滤波器来支持 CA。这有助于降低插入损耗、复杂性和成本。低插入损耗意味着功耗更低，电池寿命更长。

更少的天线和 Rx 链。RedCap 设备对 MIMO 的要求比 5G 智能手机更低。智能手机在大部分频段都必须支持 4x4 下行链路 MIMO；而 RedCap 设备只需要支持 1 个或 2 个手机天线和 Rx 链路，具体取决于频段。这有助于降低电流消耗、解决方案尺寸和成本。而且使制造商更容易设计高度紧凑的可穿戴设备和其他物联网设备。

FDD 频段中的半双工通信。RedCap 在 FDD 频段中使用半双工通信，而不是全双工通信。因此，一些 RedCap 应用，例如库存/资产追踪器，可能无需配备用于支持全双工通信的双工器。这些应用可以使用更简单的滤波器和开关，从而降低了成本和插入损耗。

更低的发射功率。RedCap 设备的最大功率输出一般都低于智能手机。这有助于降低功耗，延长电池寿命。

集成。RedCap RF 解决方案的集成水平因应用而异。对于有些可穿戴设备，尺寸至关重要，所以高端智能手表都倾向于采用高度集成的解决方案。对于其他应用，例如监控摄像头，尺寸不太重要，因此可以选用集成水平较低的解决方案，以降低成本。

RedCap 时间表

第一版 RedCap 规范于 2022 年中期在 3GPP Rel-17 中最终确定，但对于这项标准，这只是第一步。芯片组和 RF 解决方案一般会在标准最终确定后约一年推出，使用这些解决方案的最终产品则在约两年后问世。届时，许多运营商将转向采用独立的 5G 网络，以支持 RedCap 设备。

同时，3GPP 仍在继续改进 RedCap 标准，并定义 Rel-18 中将要包含的新功能。3GPP 还在探寻新的方式来进一步降低 RF 复杂性和成本，并延长电池寿命。目前考虑的具体功能包括：

定位。改善 RedCap 应用的窄带 (NB) 定位。
降低速度，使 RedCap 功能得以在更低层次的 LPWA 网络中使用，其带宽可能降低至 5MHz。
侧行链路–与其他 5G 设备直接通信。例如，智能手表能够直接与手机或耳机通信，而无需通过 5G 基站进行通信。这会减少延迟并降低功耗。

结论

RedCap 是对物联网设备制造商可用的蜂窝网络选项的一个重要补充。RedCap 前景可期，物联网制造商将会获得比目前尺寸更小、成本更低、功耗更低的 5G RF 解决方案。这有助于制造商生产支持 5G 网络的紧凑型物联网设备，不仅可延长电池寿命，而且与使用旧物联网标准的设备相比，可实现更高的数据速率。

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