5G RedCap移动通信技术解析

罗智敏，刘 建

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

RedCap全称为Reduced Capability（降低能力），是一个相对的概念，即轻量化的5G终端，RedCap主要通过对5G速率等能力进行精简，以便精准适配中低速物联场景，提高设备和网络的性价比，从而可以加快5G物联网的扩展应用，实现5G的规模化发展。其标准于2022年6月随着5G R17标准冻结而宣告面世，之后进入标准演进、技术验证、终端研发以及商用预演阶段。

1 RedCap应用场景

2022年6月，3 GPP R17协议标准被冻结，5G Redcap技术被定义为中高速IoT场景。RedCap通过精简终端天线数和收发带宽，使5G终端设备的成本可以大幅降低，但又能保留大容量、低时延、高可靠、网络切片等5G技术的原生能力，实现了性能和成本的最佳平衡。具体需求如表1所示。

表1 RedCap三大应用场景对网络的需求[1-4]

（1）视频监控。5G的视频监控主要用于城市管理、工业、农业或各类区域监测场景中，3GPP TR 22.804中描述了视频监控应用参考需求：经济型监控速率要求为2～4 Mbps，高端型监控速率为7.5～25 Mbps；业务时延要求＜500 ms；通信可靠性达到99%～99.9%。在智慧城市建设中，5G RedCap视频监控可以实现对城市各个角落的实时监控和安全防范，提高城市的安全性和治理效率。在智慧工业领域，5G RedCap视频监控可以实现对生产线的实时监控和自动化管理，提高生产效率和产品质量。在智慧交通领域，5G RedCap视频监控可以实现对交通路况的实时监控和交通诱导，缓解交通拥堵和保障交通安全。

（2）可穿戴设备。在智能家居领域，用户可以通过5G RedCap可穿戴设备远程控制各种智能家居设备，实现一键操控，提升生活便利性。此外，5G RedCap可穿戴设备还可以应用于智能支付、智能导航等领域，提升用户的移动生活体验。

（3）工业无线传感器。5G网络的互联互通特性可提高生产效率，降低维护成本，同时增强运营安全。工业领域存在大量数据采集需求，包括工业环境中的压力传感器、湿度传感器、运动传感器、温度计、加速度计、驱动器等。这类设备的业务不仅包含对低时延、高可靠性有要求，也包含具有相对低端的业务，对通信性能的要求高于LPWA（LTE-MTC或NB-IoT），但低于uRLLC和eMBB。系统设计中指标速率要求小于2 Mbps，可靠性要求为99.99%，时延要求小于100 ms，电池可续航几年。

2 RedCap关键技术

作为一项新兴的技术，Redcap的关键技术主要囊括以下几个方面：降复杂性技术、节能技术、现代技术和安全技术。

2.1 RedCap复杂度降低技术

通过模块化设计、多传感器融合和数据采集，降低了Redcap的复杂性。多传感器融合技术可以将多个传感器的数据融会在一起，从而提高数据的准确性和可靠性，同时降低单个传感器的精度要求。数据采集技术可以通过对原始数据进行预处理来提取关键信息，减少数据量，降低传输成本。

2.1.1 减小带宽

RedCap经由算法优化、数据压缩和缓存管理降低了带宽消耗，提高了网络效率。数据压缩技术则通过对数据进行压缩，减少数据量，从而降低带宽消耗。对于R17版本的RedCap终端，FR1频段支持的最大信道带宽减小为20 MHz，FR2可支持的最大信道带宽减小为100 MHz，终端成本降低估算如表2所示。

表2 减少带宽的终端设备成本评估

与4G Cat.4相比，该方案使RedCap终端的带宽消耗、传输延迟和数据丢失率分别降低了30%、20%和10%左右，这表明RedCap技术在降低带宽消耗和提高网络效率方面具有显著优势。

2.1.2 减少天线数/MIMO层数

RedCap是一种5G增强技术，旨在为中速物联网设备提供更好的支持。它通过使用更低阶的调制技术和更小的传输块来降低数据速率，同时仍保持网络覆盖范围和低延迟性能。Redcap通过降低数据传输速率来削减天线数量，从而降低信号处置的复杂度。传统的方法是使用多天线技术来增加数据速率，但这也增加了设备的复杂性和成本。RedCap通过使用单个天线或少许天线并优化信号传输模式来实现有效的数据传输。具体而言，RedCap技术减少天线数的方法包括以下方面。

（1）优化信号传输模式：RedCap利用更有用的信号传输模式，这使得在减少天线数量的同时，仍能够保持高数据速率和低延迟性能。

（2）调整天线布局：RedCap技术可以根据实际场景调整天线布局，如将天线布置在不同的楼层或建筑物上。这可以减少在同一地点使用的天线数量，降低设备复杂性和成本。

通过以上方法，RedCap技术可以在减少天线数量的同时提高数据传输效率。这使得5G技术在满足低功耗、低复杂度设备需求的同时，能够提供中高速率、低时延的服务。

2.1.3 半双工模式

RedCap半双工模式的原理是在发送和接收数据时，器件可以在同一频带上工作，但不能同时发送和接收数据。在这种模式下，设备可以根据实际情况灵活地选择发送或接收数据，从而有效地利用频谱资源，提高数据传输效率。5G RedCap半双工通信模式具有以下优势。

（1）高速率：由于半双工通信模式允许设备在同一频段上进行操作，因此可以实现较高的数据传输速率。

（2）低能耗：相比于全双工通信模式，半双工通信模式可以显著降低设备的能耗，延长设备的续航时间。

（3）低成本：由于半双工通信模式只需要使用单天线或少量天线，因此可以降低设备的成本，使其更具有竞争力。

2.2 RedCap节能技术

5G RedCap的节能技术原理是，通过引入非连续接收特性，采用更长的休眠模式，降低了终端设备的能耗。同时，该技术采用高能效的硬件和优化的软件算法，降低了通信过程中设备的能耗。具体来说，5G RedCap使用低功耗处理器和节能软件栈，有效降低了设备在发送和接收数据时的能耗。此外，5G RedCap还采用智能休眠技术和动态功率管理技术，使得设备在不需要发送或接收数据时自动进入休眠状态，进一步降低了能耗。5G RedCap的节能技术具有以下优势。

（1）高能效：经由利用高能效的硬件和优化的软件算法，5G RedCap可以明显降低设备的能耗，提高设备的能效比。

（2）低成本：由于5G RedCap只需要使用单天线或少量天线，因此可以降低设备的成本，使其更具有竞争力。

（3）广泛应用：5G RedCap节能技术可用于各种连接设备，包括智能家居，智能医疗，工业物联网等领域。

以智能家居为例，通过5G RedCap实现的节能技术可以使得智能家居设备在保证通信质量的前提下实现更低的能耗，从而能够更长时间地使用，降低了用户的用电成本。

2.3 调制解调技术

相比于普通4G网络，RedCap采用更高阶调制及解调技术，以提高数据传输的效力及可靠性。同时，该技术还引入了更加智能化的信号处理算法，提高了信号的抗干扰能力和稳定性。5G网络可通过RRC拒绝连接、RRC连接释放和基于UE的访问限制机制等，实现RedCap特定的访问限制功能，合理配置网络资源，避免出现网络超负载的情况。

2.4 安全性技术

RedCap采用更安全的数据传输及加密技术，以确保资料的安全和私隐。同时，该技术还引入了更加智能的认证和授权机制，提高了终端设备的安全性和可信性。

3 RedCap性能分析

根据3GPP协议，用户的峰值速率可由式（1）[5]计算：

由式（1）可得，RedCap速率性能介于LPWA和5G eMBB之间，与4G Cat.4基本持平。在功耗方面，RedCap通过叠加5G相关节能技术，可比4G Cat.4具有更低功耗。同时，RedCap基于5G系统可以按需实现与5G切片、5G LAN、高精度授时、URLLC等5G增强功能结合，满足5G行业应用不同领域的增强需求。

根据预测数据，到2025年，国内可穿戴、视频监控及电力行业终端规模均可达千万量级。因此，RedCap将在很多行业，如视频监控、智能电力、智能制造，以及AR/VR等消费电子类应用场景中具备基础性优势。

4 RedCap发展面临的挑战和展望

RedCap是5G网络中具有潜力的应用技术，作为一项新一代的无线通信技术，从3GPP立项之初就得到了行业的高度关注。RedCap具备在5G网络中与其他类型的5G终端共存的优势，可基于现有5G网络基础设施建设进行功能升级，扩展目前的5G应用场景及垂直业务。以下是RedCap面临的几点挑战。

（1）技术创新：随着无线通信技术的不断发展，5G RedCap将会不断进行技术创新和优化，以提供更高的速率、更低的延迟和更大的连接能力。

（2）频谱管理：随着无线通信的发展，频谱资源的利用变得越来越紧张。未来，各国政府和监管机构将加强频谱管理和优化，以确保不同技术之间的干扰最小化。这将提高5G RedCap频谱资源使用的发展水平。

（3）物联网应用：5G RedCap作为一项面向物联网应用的技术，未来将获得更普遍的利用。随着物联网设备的日益普及，5G RedCap将成为连接这些设备的重要工具，促进物联网技术的发展和应用。

（4）6G时代的到来：虽然5G RedCap目前还在发展和优化阶段，但未来的6G时代将会带来更加先进和高效的无线通信技术。5G RedCap将为6G时代的发展提供技术和经验支持，推动无线通信技术的不断发展和进步。

总之，5G RedCap作为一项无线通信技术，在发展过程中面临着一些挑战。未来，需要各方共同努力，加强技术研发、基础设施建设、频谱管理等方面的工作，推动5G RedCap技术的发展和应用，为无线通信领域的发展做出贡献。

5 结束语

RedCap技术作为一种新一代5G技术，具有广泛的应用前景。在未来的研究中，我们可以进一步探索RedCap在智能交通、智能电网等其他领域的利用。同时，也要注意RedCap在现实利用中存在的问题和挑战，并采取措施加以解决。展望未来，RedCap将成为移动通信产业的关键发展方向之一，之后将逐步实现网络规模商用、连接快速上量、生态加速成熟，为5G进一步规模化应用增添活力。■