什么是5G的小红帽版本（Red. Cap.）?

射频前端产业观察： RedCap是Reduced Capability的缩写，昵称小红帽。这个版本的5G在NR中充当什么角色？有哪些应用场景？

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5G 背后的驱动力是新无线（NR）。现在，降低能力（红帽）新无线电正在帮助扩大NR设备生态系统，使更多的5G使用案例的增长。了解 NR RedCap 究竟是什么，以及它打算实现什么目标。

2021年2月11日 | 5分钟

王爱菲

电台首席研究员

桑迪普·纳拉亚南·卡丹·维杜

电台高级研究员

约翰·伯格曼

业务区域网络主研究员

安德烈亚斯·赫格隆德

网络硕士研究员

到目前为止，5G在服务、订阅和5G设备可用性的推出已经超过了4G长期发展（LTE），这一事实在最新的爱立信移动报告中就清楚地显示。此外，预计未来几年5G的势头将继续强劲，预计2026年5G用户将达到35亿，推动5G高速增长和快速采用的引擎是其无线电接入技术，即新无线电（NR）。 5G NR的灵活性和可扩展性使得及时引入增强功能以解决新的使用案例成为可能，以帮助扩展 5G 生态系统并将越来越多的设备连接到网络。

最近的一个例子是 NR 支持降低的功能 （RedCap） 设备。此工作项目已于 2020 年 12 月的 3GPP RAN 全体会议上获得批准，该功能将在 3GPP 第 17 版中引入。引入降低的 NR 设备功能可促进 NR 设备生态系统的扩展，以满足当前 NR 规格尚未最佳服务的使用案例。

使用案例

促使 NR RedCap 规范工作的使用案例包括可穿戴设备（例如智能手表、可穿戴医疗设备、AR/VR 护目镜等）、工业无线传感器和视频监控。表1总结了3GPP文档RP-202933中描述的这些使用案例的关键要求，即"支持降低能力NR设备的新WID"。为了最大限度地提高规模经济的利益，最好通过一个共同的 NR RedCap 框架解决这三个使用案例。

表1：可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控使用案例的要求

参照表1，这三个使用案例的数据速率要求不如增强型移动宽带 （eMBB） 使用案例严格，并且不需要作为时间关键通信使用案例的严格或确定性延迟要求。因此，从发布 15 NR 设备作为基线开始，就存在以设备功能换取复杂性或成本降低的空间。

另一方面，这些使用案例的要求与 LTE-M 和 NB-物联网解决方案目前处理的低功率广域 （LPWA） 使用案例有非常不同的要求。例如，数据速率需要高于 LPWA。此外，某些可穿戴用例的设备外形因子也有限制。使用案例要求的考虑推动了 RedCap 的关键物理层参数的选择。这些选择直接影响到设备硬件平台的复杂性和成本。我们预见到，RedCap 设备将定位为低于 eMBB 的细分市场，但高于 LPWA 设备。

图1说明了RedCap的技术定位。一般来说，RedCap 定位用于解决目前使用 eMBB、超可靠的低延迟通信 （URLLC） 或 LPWA 解决方案服务最不充分的使用案例。

图1：红帽与eMBB、URLLC和mMTC的技术定位说明。

降低设备功能

那么，如何实现成本削减呢？与第 15 版 NR 设备相比，RedCap 设备的功能在表 2 中进行了总结，并在第 2 图中进行了说明。带宽减少、减少 MIMO 层的最大数量以及放松最大下行链路调制顺序都有助于降低基带的复杂性。减少所需的接收分支机构的最小数量，并允许在所有频段进行半双工 （HD） 操作，有助于降低天线和 RF 组件方面的材料成本。以下详细信息描述了这些降低的功能。

表 2：设备功能、释放 15 个基线 NR 设备与发布 17 个 RedCap 设备。

图 2：说明 RedCap 设备和基线 NR 设备功能之间的差异。

最大设备带宽：需要基线 NR 设备才能支持频率范围 1 （FR1） 中的 100 MHz 和 FR2 中的 200 MHz，以便传输和接收。对于 RedCap，这些要求分别减少到 20 MHz 和 100 MHz。然而，这种带宽的减少仍然允许为初始获取指定的所有物理通道和信号很容易被重复用于 RedCap 设备，因此在引入 RedCap 以支持新使用案例时，可最大限度地减少对网络和设备部署的影响。

接收分支机构的最小数量：接收分支的数量与接收天线的数量相关。因此，减少接收分支机构的数量可减少接收天线的数量并节省成本。接收分支的最小数量要求取决于频段。某些频段（大多数 FR1 频段复式 （FDD） 频段、少数 FR1 时间划分复式 （TDD） 频段和所有 FR2 频段）需要一个基线 NR 设备，以配备两个接收分支，而其他一些频段（主要是 FR1 TDD 频段）要求设备配备四个接收分支。

对于需要配备至少两个接收分支的基线 NR 设备的频段，RedCap 设备只需要有一个接收分支。对于需要配备至少四个接收分支的基线 NR 设备的频段，尚未决定是否需要 RedCap 设备才能拥有一个或两个接收分支。

下行链路 MIMO 层的最大数量：RedCap 设备的最大下行链接 MIMO 层数与它支持的接收分支数相同。与基线设备的要求相比，这是一个减少。

最大下行向下行调制顺序：需要基线 NR 设备才能在 FR1 的下行链路中支持 256QAM。对于 RedCap 设备，下行链路 256QAM 的支持是可选的。对于 FR1 上行链路和 FR2（下行链路和上行链路），需要 RedCap 设备来支持 64QAM，这与对基线设备的要求相同。

复式操作：关于复式操作，唯一的放松是用于FDD频段的操作。需要基线 NR 设备来支持 FDD 频段中的完整复式 （FD） 操作，即同时以不同频率传输和接收。典型的全双工设备集成了复式滤镜，以隔离设备传输和接收路径之间的干扰。实际上，同一设备可能需要支持多个 FDD 频段：因此，可能需要多个复式过滤器来支持 FD-FDD 操作。

对于 RedCap 设备，FD-FDD 的支持是可选的，即在上行链路频率传输时不需要接收下行链路频率，反之亦然。这种复式操作称为半复式 FDD （HD-FDD）。高清-FDD 无需复式滤镜。相反，开关可用于选择发射器或接收连接到天线。由于开关比多台复式机便宜，因此可以节省成本。

此外，RedCap 设备预计一次在单个频段中运行，不会支持运营商聚合和双连接。

基于 3GPP 的研究，表 3 总结了相对于基线 NR 设备的材料成本和复杂度指标的总减少量。可见，可以大幅降低成本和复杂性。这有助于将 RedCap 确定为与 eMBB 或时间关键通信设备细分市场截然不同的设备细分市场。

鉴于上述功能降低，RedCap 设备支持具有一个接收分支的设备在 FR1 中的峰值物理层数据速率为 85 Mbps，足以满足预期使用案例的所有数据速率和延迟要求。对于支持更多接收分支的 RedCap 设备，峰值物理层数据速率要高得多。

表 3：与基线 NR 设备相比，RedCap 设备的成本/复杂度指标全面降低。

LTE 到 NR 迁移路径

3GPP 发布 17 支持降低能力 NR 设备的工作是进一步拓展 5G NR 可解决市场的重要一步。它使降低的功能设备能够在任何 NR 频段中运行。

值得一提的是，一些可穿戴和视频监控使用案例目前由基于 LTE 的解决方案解决。NR RedCap 为这些使用案例提供了从 LTE 迁移到 NR 的路径。这种迁移路径非常重要，因为它可以加速频谱再耕种从 LTE 到 NR 的几年。

从性能的角度来看，无论是网络还是设备，都鼓励人们走这种LTE-NR迁移路径，因为 RedCap 是一种本土的 NR 技术，它包含所有关键的 NR 构建基块，包括波束成型、可扩展数值、网络能效等。RedCap 设备将支持 NR 载波上的完全共存，该载波的配置可优化为 eMBB 或时间关键通信性能。

这对于工业无线传感器使用案例尤其重要，因为用于支持工业 4.0 全自动工厂的网络需要支持具有更有能力的设备和低端传感器设备的时间关键通信。可以优化此类网络的配置，以确保时间关键通信的性能，同时要求低端传感器设备仍然高效运行。