5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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随着 3GPP R17 版本的不断推进,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?

且看本文的深入解析……

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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)。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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、车联网等垂直行业领域。

随着 5G 的不断商用,人们发现,以上三大应用场景,仍不能完全满足需求,出现了未被 cover 住的“盲区”。

大家应该都注意到了,现阶段,5G 在各行各业的应用落地,进入爬坡期。看似热火朝天,但实际上阻力很大。

其中,最大的阻力之一,就是 5G 终端芯片和模组的高昂成本。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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。

价格下不来,用户当然就不愿意买。长此以往,5G 谈何发展?

而且,人们也发现,大部分的行业应用场景,其实对速率等指标,并没有很高的要求。5G 现有的能力,已经超出了场景的需求。

于是,行业就提出,是不是可以重新做一下成本与性能的平衡,适当牺牲一点指标,降低一些要求,然后,降低一点成本?

就这样,RedCap(NR light)诞生了。

上面我所说的话,大家是否觉得有点耳熟?

没错,我当年科普 NB-IoT/eMTC 的时候,用过同样的描述。只不过,今天,4G 变成了 5G,而 RedCap 对于 5G 来说,就有点像 NB-IoT/eMTC 对于 4G。

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。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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。它的带宽和通信码率低于 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。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

RedCap 的能力,非常“均衡”(黄色线是 RedCap)

实际上,从目前的实际应用来看,RedCap 并不是需求非常迫切的一项技术。

我之前和大家说过,物联网分为高速、中速和低速。RedCap,实际上对应的更多是中速或中高速。目前,LTE Cat.1 以及 Cat.4,已经 cover 住了这部分需求。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

专家们提出 RedCap,是有长远打算的。说白了,RedCap,更多是为将来 4G LTE 退网做准备。

当 4G LTE 退网,NB-IoT、eMTC、Cat.1、Cat.4 都将不复存在。此时,RedCap 就将起到替代的作用。

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。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

  • 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,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。

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。

根据 3GPP TS36.306 中给出的 UE 峰值速率计算方法,RedCap 的理论峰值速率大约是 80~90Mbps 左右。

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:

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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。

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。按计划,3GPP R17 冻结之时,就是 RedCap 标准化完成之日。

目前,由于新冠疫情的原因,3GPP 陆续将 R17 的时间表推迟了 9 个月。根据最新的进展,3GPP R17 将于 2022 年 6 月份冻结。也就是说,RedCap 的标准化,将于明年 6 月完成。

5G“青春版”科普:到底什么是RedCap?

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。

目前,国内芯片企业,都在做 RedCap 方面的布局,相信会及早推出商用芯片。有了芯片,就会有模组和产品。

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