基于5G 网络的RedCap 部署方案研究

2024-04-18闫飞

电子技术应用 2024年3期

闫飞

（中国电信集团有限公司，北京 100032）

0 引言

5G 商用三年以来，我国在5G 网络建设和5G 应用发展方面均实现了全面领先。截至2023 年10 月末，我国已建设5G 基站321.2 万个。5G 应用发展也进入快车道，5G在各行业的场景中开始发挥重要作用。在5G 与行业融合应用进一步发展过程中，5G 全能力终端性价比低，5G终端芯片和模组成本高、落地难等问题也越来越突出。

RedCap（Reduced Capability）是一种轻量级5G 终端，是5G Rel-17 版本中定义的一种新终端类型。在满足5G 工业物联网等新应用场景要求的前提下，RedCap技术解决方案简化了终端设计复杂度，简化了5G 系统配置和相应的业务流程，达到了降低RedCap 终端芯片和模块成本、降低终端功耗的目的。5G 商用网络可以提供满足中低速物联网新应用场景的业务需求，有助于扩大5G 生态系统，使5G 得到更广泛的应用。

关于RedCap 在终端侧的技术方案已有很多[1-4]。例如文献[1]提出，RedCap 终端相对于5G NR 做了很多精简化和定制化，技术方案更精简，具体包括：（1）降低功能复杂度，为节约终端成本，RedCap 减少终端带宽，在Sub 6 GHz 频段下将最大带宽从100 MHz 收窄为20 MHz；（2）减少终端接收天线和MIMO 层数，从典型4 天线接收减少为2 天线或1 天线接收；（3）允许终端支持半双工模式等。

人们普遍认为，这种轻量级5G 技术的核心价值在于它与NR 网络的优秀特性相结合，即如何在运营商已经部署的5G 无线网络基础上引入RedCap 是一个关键问题[5]。本文首先分析RedCap 与无线网络侧相关的功能特性，例如基本接入功能、覆盖功能，容量增强特性、低功耗特性及其他增强特性等，提出了引入RedCap 后的无线网组网部署方案，包括无线网升级方案、参数配置方案、信令开销策略以及网络覆盖策略等，最后给出RedCap 无线网部署建议。

1 RedCap 与无线网络侧相关的功能特性

1.1 RedCap 基本接入功能

RedCap 的基本接入功能，主要包括无线接入、高层UE 能力识别与配置以及RedCap UE 早期识别等[6-7]。

1.1.1 无线接入

RedCap UE 可驻留于支持RedCap UE 的小区，且网络可以针对不同类型的RedCap UE（如1Rx/2Rx）终端进行限制，如图1 所示。

图1 面向RedCap 的接入控制特性

具体特性包括：系统信息中通过IFRI（IntraFreqReselectionRedCap：allowed,notAllowed）来指示是否允许RedCap UE 小区选择（重选）到同频小区，同时具备面向 1Rx/2Rx 的 RedCap UE 的接入允许/拒绝设置。

1.1.2 高层UE 能力识别与配置

在5G 系统中，RedCap 终端将与其他类型的5G 终端共享5G 无线网络资源。由于与传统eMBB UE 相比，RedCap UE 的能力不同，为了避免对现有终端的性能影响，5G 网络应该能够识别终端类型并限制RedCap 终端接入小区。网络需要能够识别用于目标处理（例如覆盖补偿）的RedCap UE。

3GPP 通过R17 中新定义的UE 特征组FG 28-1 来表示R17 RedCap UE。通过UE 能力报告，基站可以获得用于有针对性的调度和优化的RedCap 用户类型。

1.1.3 RedCap UE 早期识别

RedCap 用户可以支持在随机访问过程中进行早期识别。如果网络侧能够在早期识别出RedCap 终端，则可以减少接入过程中RedCap 对网络的影响，从而避免对Legacy UE 性能的影响。

终端的早期识别特性有助于使5G 网络在接入阶段即能快速识别出RedCap 终端类型，从而及时采取相应策略。以四步RACH 为例，图2 展示了5G 网络能够在Msg1、Msg3 以及传统的能力上报阶段识别出RedCap 终端类型。对于Msg1 阶段，通过针对PRACH 在时域（PRACH occasion）或码域（PRACH preamble）的分割，能够保证网络快速识别出RedCap 类型终端；Msg3 阶段，通过终端携带的LCID，能够保证网络识别出Red-Cap 类型终端；通过传统的终端能力上报，也可以识别出RedCap 类型终端。对于两步RACH 来说，需要在Msg A PRACH 中执行对RedCap 终端的早期识别。5G基站可以通过RRC 拒绝连接、RRC 连接释放和基于UE的接入限制机制等实现特定于RedCap 的接入限制功能，并合理分配网络资源以避免网络过载。

图2 面向RedCap 的终端识别特性

1.2 RedCap 覆盖特性

对于移动通信，覆盖能力是最重要的关键指标。RedCap 终端应用的3 个典型场景包括可穿戴设备、工业传感器以及视频监控。其中工业传感器主要应用在工厂的室内场景，可以认为覆盖问题不是瓶颈。但视频监控类设备虽然是固定安装，但存在着位于小区边缘或者室外覆盖室内的场景。特别是对于可穿戴设备，一方面存在移动性，另一方面可穿戴设备的尺寸一般比较小，天线效率会随之降低。因此当可穿戴设备类终端工作在较高频段，处于小区边缘位置时，覆盖增强技术对于RedCap 可穿戴类设备是至关重要的。

3GPP 在R17 为上行物理信道的传输引入了多个覆盖增强特性，这些特性可以用于RedCap。主要包括增加PUSCH 和PUCCH 信道的重复传输次数，多时隙传输一个传输块（TB），PUSCH/PUCCH 信道的多时隙的联合信道估计，以及消息3（Msg3 PUSCH）重复传输等。由于不属于RedCap 特有的特性，本文不再赘述。

1.3 RedCap 低功耗及节能特性

针对部分RedCap 产品兼顾低成本、低功耗、长待机的性能需求，RedCap 定义了多项降低功耗的技术标准。RedCap 首先延续了R15/R16 阶段一系列5G 终端节能技术，包括降低对PDCCH 控制信道监听的连接态下不连续接收（C-DRX）、唤醒信号Wake Up Signal（WUS）等。

SDT（小数据包传输）功能也属于减低功耗的相关特性之一，定义了RRC INACTIVE 状态下的小数据包传输方式，减少终端在日常使用中的连接态占比。

3GPP 在Rel-15/Rel-16 阶段已经引入了一系列终端节能技术，Rel-17 在终端节能增强标准项目中进一步引入增强的终端节能技术。考虑到RedCap UE 在某些应用场景的特殊性，例如在一些工业无线传感器使用情况下，终端位置是静止的或基本静止的，还可以进一步考虑采用一些终端节能技术来延长电池寿命。3GPP 标准化涉及的潜在技术包括：（1）减少PDCCH 监控；（2）RRC 空闲或非活动UE，扩展DRX（不连续接收）周期；（3）对于固定设备，放宽RRM（无线电资源管理）要求等。由于不属于RedCap 特有的特性，本文不再赘述。

1.4 RedCap UE 容量特性

1.4.1 RedCap UE 与eMBB UE 高效共存

（1）初始BWP

BWP 作为5G 网络中的一个独特特性，在初始BWP配置上网络在RedCap 终端高效接入以及与传统5G 终端兼容共存方面均提供了强大支持。

与传统5G 终端兼容共存方面，当系统从终端节能考虑为传统5G 终端配置初始BWP 不超过20 MHz 时，从兼容共存和资源共用考虑，系统可将传统5G 终端初始BWP 配置提供给RedCap 终端，RedCap 终端和传统5G 终端共享初始BWP。

RedCap 终端高效接入方面，系统可为RedCap 终端配置独立上/下行初始BWP，可以保证RedCap 终端在独立下行初始BWP 上监听寻呼、在独立上行初始BWP 随机接入，当独立下行初始BWP 包含CD-SSB 时，RedCap终端也可以在独立下行初始BWP 上监听寻呼。

（2）专用BWP

在专用BWP 配置上网络着重在RedCap 终端高效接入上提供强大支持。网络会为进入RRC 连接态的Red-Cap 终端配置独立上行或下行专用BWP，同时在下行专用BWP 不包含CD-SSB 时，可为专用BWP 配置NCDSSB，能够保证RedCap 终端在当前BWP 下基于NCDSSB 进行RLM、BFD 等测量。

1.4.2 网络侧多BWP

面向对小区系统容量需求较大的多用户并发类业务（如多路视频监控等），如图3 所示，系统可按需配置多BWP，最多可配置5 个BWP，充分应用5G 百兆大带宽，从而实现对聚集性并发类业务的强大支持。

图3 面向RedCap 的专用多BWP 配置特性

1.5 RedCap 其他增强特性

1.5.1 支持切片

考虑到RedCap 有丰富的业务场景，不同业务对网络的需求存在明显差异。基于QoS 的传统网络无法按照不同的业务需求进行独立运营和安全隔离，实际也无法为所有业务提供高效的SLA 保障。

当前5G 网络已普遍支持切片能力，RedCap UE 可借助5G 网络现有的能力，较低成本地支持端到端的切片能力。在实现中，网络侧需要综合考虑RedCap 的带宽能力、业务需求、网络负载等因素，综合考虑切片的切分配置策略。

1.5.2 低时延

时延作为物联网场景中重要的特性，在工业无线传感器、智能电网等应用场景中要求较为严格。RedCap可以结合URLLC 能力，通过低成本方案实现低时延或超低时延的终端网络接入。为实现低时延特性，RedCap引入以下几个方面技术：

（1）RedCap 可采用上行免调度传输，PDSCH 传输采用低码率MCS 表格、PDSCH/PUSCH 时隙级重复发送等技术支持URLLC 相关增强功能。同时上/下行非时隙（non-slot）调度、PDCCH 高聚合等级等也可作为额外可选的技术要求。

（2）为确保网络侧快速识别RedCap 终端类型，实现终端高效接入网络，RedCap 提出终端识别要求，包括基于Msg 和Msg3 的提前识别功能。此外两步随机接入过程中，还包括基于MsgA PRACH 和MsgA PUSCH 的提前识别机制。

（3）由于RedCap 频谱带宽能力的限制，为避免受资源碎片化及资源拥塞的影响，RedCap 提供了多种BWP 功能特性。初始上行BWP 可禁用RedCap 设备的PUCCH 跳频，以及配置独立的公共PUCCH 资源来缓解资源碎片化问题。同时RRC 配置独立的上/下行专用BWP，为下行专用BWP 配置NCD-SSB 进行服务小区的测量等。

1.5.3 低功耗/高精度定位

高精度定位系统需要做到室内、室外位置信息的无缝衔接。现有的主流定位技术，如UWB、WiFi 和蓝牙，由于定位精度、信号穿透能力、部署成本的差异，分别在家居、商超、体育场馆等室内场景下实现了规模化应用，但在面对室内、室外定位衔接时，均需要通过技术融合的方式来补齐室外定位。所以，5G RedCap 融合定位是重要的解决方案。此外，5G 定位终端的成本和功耗降低也有利于规模推广。

在定位技术方面，可通过跳频等技术扩展RedCap SRS 上行参考信号带宽（如图4 所示），提供米级及更高定位精度的定位能力。

图4 RedCap 定位方案示意

支持定位功能的RedCap 产品，如属于室内固定型产品，应支持获取CELL-ID 进行基站定位的能力；对于室外移动型产品，应支持基于GNSS 和A-GNSS 的定位能力（如果支持GNSS，则需包含GPS 和北斗支持能力）。

2 RedCap 无线网组网部署方案

RedCap 的部署主要涉及在建基站和现有基站的软件升级，不涉及修改或引入新的网络架构。然而，Red-Cap 技术的引入会对接入管理、资源管理、信令开销、网络覆盖等方面产生影响。因此，如何确保网络采用匹配的管理策略，同时避免对非RedCap 终端的负面影响，将成为运营商网络运营和优化的下一步重点[8-9]。

2.1 无线网升级方案

网络支持RedCap 终端可采用两种方式升级：

（1）网络以R16 基线协议版本为基础，选择R17 RedCap 的特定CR 升级；

（2）网络升级R17 基线协议版本，支持RedCap。

R17 RedCap 协议在设计上有良好的兼容R15/16 NR协议版本的能力。R16 基线+R17 特定CR 的网络升级方式，通过信令层面进行专用配置，可使网络识别RedCap UE，并为RedCapUE 配置RedCap 独立初始BWP 或专用BWP 等，可保证RedCap UE 正常工作。但R16 基线+R17特定CR 的升级方式，适用于网络R17 功能尚未成熟的RedCap 试验阶段。在R17 功能成熟商用阶段，为减少版本迭代，建议网络采用全面升级R17 基线协议版本的方式。

对于Rel-16 网络，根据协议设计思路应不允许Red-Cap 终端接入。根据Rel-17 协议的要求，RedCap 终端需要读取系统信息中的intraFreqReselectionRedCap、cellBarredRedCap-r17 等参数后，才能够驻留到支持Red-Cap 的网络。Rel-16 的小区不会广播相关的信息，Red-Cap 终端认为小区是不支持RedCap 的，不能驻留到Rel-16 小区。对于连接态RedCap 终端，进行切换的接纳和判决时，系统不会把RedCap 终端切换到Rel-16 的小区。

按照适度超前的原则，分阶段、分区域推进5G Red-Cap 商用，加快5G RedCap 在主要城市的连片覆盖，提高广域物联网业务的连续性和可靠性，支持更多应用场景的接入。推动5G RedCap 技术在行业虚拟专用网络中的应用，提高5G 物联网能力，更好地适应行业特点，满足应用需求[10]。

2.2 参数配置方案

RedCap 在基站侧可以通过现网版本的软件升级来支持，对BBU、RRU 的硬件没有影响，BBU 软件升级支持RedCap。RedCap 给5G 网络带来的最大影响是，在随机接入过程中以及设备保持连接时，网络必须适配Red-Cap 的特定功能。

基站侧需要支持RedCap 类型终端特性的功能，包括带宽、天线数、调制阶数、BWP 配置、RedCap 终端识别等功能。基站需要考虑RedCap 的BWP 配置，RedCap 终端有最大20 MHz 带宽的要求，基站需要为RedCap 终端配置相应的初始上/下行BWP，以及专用BWP。随着引入Red-Cap 终端，non-RedCap 终端与RedCap 终端共存于网络中，不同特性的终端对网络的处理和调度提出了更高的要求。

RedCap 终端与NR 普通终端的主要差异在于带宽能力和射频天线数量。射频天线的影响主要体现在网络覆盖上。而RedCap 接入大带宽网络后，需要新增NCDSSB 以及小带宽BWP 等网络参数配置，其对网络参数配置的影响分析如下。

（1）RedCap NCD-SSB 相关参数配置以及影响

RedCap NCD-SSB 可通过RRC 信令中的信元下发配置，具体配置涉及NCD-SSB 的频点、周期以及相对CDSSB 的时间偏置；当网络配置NCD-SSB 后，会导致PDSCH 信道可用RB 减少，进而影响网络下行容量。需要考虑对NCD-SS 相关参数配置进行优化。

（2）RedCap BWP 的频域位置配置以及相关影响

RedCap BWP 的频域位置对普通NR 终端的体验会产生影响。其影响主要体现在RedCap BWP 上独立配置的PUCCH/PRACH 等控制信道资源会截断普通NR 终端的PUSCH 数据信道，导致PUSCH 可用的连续RB 下降。对于不支持上行非连续调度的普通NR 终端，这会导致其上行速率显著降低。为了降低对普通NR 终端的上行体验的影响，建议将RedCap 小带宽BWP 优先配置在小区频域位置的两端，降低普通NR 终端的PUSCH 资源的碎片化。

2.3 信令开销策略

频谱是蜂窝网络中用户之间共享的基本资源。在每个时隙中，基站试图在频域中高效地调度不同用户的数据传输，以实现高用户吞吐量和高系统容量。下行链路和上行链路都是如此，但上行链路调度带来了额外的挑战，因为每个设备可能只能利用在频域中连续的上行链路资源分配。

由于RedCap 设备的最大带宽可能远小于小区总带宽，因此在小区中部署RedCap 和常规（非RedCap）设备时，一个潜在的共存问题是上行链路资源碎片。如果这种资源碎片阻止常规设备利用整个可用带宽，则它们可能无法在上行链路中的宽连续频率分配上快速传输数据，而是被迫在更长的时间段内以更窄的带宽分配进行传输。这可能导致常规设备的上行链路峰值数据速率显著降低。

有两种机制可以有效减少由于RedCap 设备的传输而导致的常规5G NR 设备的上行链路资源碎片。

首先，网络可以配置RedCap 特定的初始带宽部分（BWP），该BWP 与常规设备使用的初始BWP 分离。由于特定于RedCap 的初始BWP 仅在初始接入期间短暂使用，因此可以在没有同步信号和系统信息的普通周期性下行链路传输的情况下对其进行配置，从而避免额外的信令开销。

其次，网络可以对来自RedCap 设备的所有传输禁用跳频，以进一步减少上行链路资源碎片。在常规5G NR 中，可以使用跳频进行多次传输，以提高在传播条件不理想的情况下成功接收的概率。然而，当传输在不同频率之间跳变时，可能会导致不希望的资源碎片，因此对于RedCap 设备，可以对该传输禁用跳频（具体地说，在初始接入过程期间，在所谓的物理上行链路控制信道（PUCCH）上传输1bit 确认），如图5 所示，以最小化上行链路资源碎片。