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5G RedCap：对物联网设备RF要求的潜在影响

Qorvo

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。

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。

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。

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：

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

Ÿ   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：

Ÿ   定位。改善RedCap应用的窄带(NB)定位。

Ÿ   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。

Ÿ   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。

图1. 5G物联网标准：5G RedCap。

表1.3GPP Rel-17中RedCap的目标用例。

表2.RedCap设备与5G智能手机的RF要求