精简化5G芯片应用需求、技术要求及标准化研究

摘 要：3GPP R17 RedCap标准于2022年6月冻结，RedCap通过减少带宽、减少MIMO层数以及放宽下行链路调制阶数等技术手段，旨在降低5G设备的复杂性和成本，从而使得5G技术能够更广泛地应用于垂直行业。到2025年，全国县级以上城市实现5G RedCap规模覆盖，5G RedCap连接数实现千万级增长。但面向电力等行业的RedCap应用，存在场景需求碎片化的特点。精简化5G芯片遵循3GPP RedCap标准协议，同时针对行业应用需求，对行业定制化功能、性能进行增强。本文从行业用5G终端芯片的角度，调研面向电力、视频行业的应用需求，研究精简化5G终端芯片平台的技术要求并进行标准制定，从而指导精简化5G终端芯片的研发，促进5G行业应用的规模化发展。

关键词：5G RedCap， 5G 精简化芯片，5G应用需求，电力通信，标准

0 引 言

2024年，工业和信息化部发布了《关于推进5G轻量化（RedCap）技术演进和应用创新发展的通知》，要求推进5G轻量化芯片技术演进、产品研发、构建丰富的产业生态，实现芯片的低价、高质量供给，降低行业5G应用成本。紫光展锐、翱捷科技、海思、北京智芯等主流芯片企业均已积极投入研发，芯片产品已具备规模化应用的能力。必博半导体、新基讯、无锡摩罗科技等新兴芯片企业也启动了5G轻量化的芯片研发。目前，中国通信标准化协会（CCSA）的行标《RedCap终端设备技术要求》[1]《RedCap通用模组技术要求》[2]已完成制定并报批，《RedCap终端设备测试方法》[3]-[4]也即将完成制定。在此之前，由北京智芯牵头，海思、翱捷等国内主流芯片厂商共同制定1EyJgd3U04dmdBK/eKrLmg==的5G 应用产业方阵（5G AIA）标准《精简化5G芯片能力和技术要求》[5]于2023年制定完成并于2024年4月发布，该标准在遵循3GPP标准的同时，更着重考虑了行业适配性功能和增强能力，不仅为行标制定提供了关键参考，也为RedCap芯片的研发提供了重要指导。本文调研以电力和视频为代表的垂直行业的精简化5G终端芯片应用需求，研究芯片的技术要求，提出适配于行业特殊应用的定制化技术，此外，分析国内外相关的标准化进展，以指导芯片的研发落地。

1 精简化5G芯片视频及电力应用需求

视频和电力是5G RedCap应用的重点行业，市场规模需求都是千万级别，潜力巨大。视频和电力行业的海量需求，将有力促进RedCap终端的规模量产，从技术以及经济性角度看，行业应用场景的规模化5G部署应从终端层面适配化下沉至芯片。5G RedCap芯片既是终端核心技术也是成本的主要组成部分。

1.1 视频行业典型应用

视频行业的主要业务集中在上行数据传输，对可靠性、抖动、安全性等要求高，对更广阔更大落差的不同场景的适配能力要求高，主要应用到摄像头终端上。摄像头高清化、智能化已成为产业趋势。5G RedCap可以充分发挥5G大容量优势，实现多路4K视频监控并发，AI技术实现快速跟踪识别，大幅度降低综合部署成本，实现5G应用成本和性能最佳平衡。

1.1.1 低功耗远程监控

到2025年我国农业规模占全球比重将超过1/5，对于位于偏远地区的果园、鱼塘、牧场等农牧渔区域，有限网络面临着供电和部署的成本问题。但目前5G模块价格高且功耗大，尤其是在5G信号覆盖较差区域5G功耗更高，增加了监控设备的供电不足风险。另外，在一些对设备尺寸和功耗有严格要求的场景，5G模块不能适配，因此需要5G RedCap芯片，在提供大带宽的同时，降低芯片功耗和面积，实现低功耗远程监控。

1.1.2 大规模超高清接入

我国工业园区占地面积大，导致工业园区数字化系统构建的复杂度和成本很高。比如：电力、石化企业厂区，有线部署施工存在安全隐患，Wi-Fi/4G等传统无线网络的可靠性、带宽和时延无法满足行业需求。5G RedCap带宽20MHz，足以支持高清视频传输，接入网络时，系统会对其进行接入控制与用户识别，并进行灵活的BWP（bandwidthpart）带宽策略调整及移动性管理，确保终端高效接入。

1.1.3 人流密集监控

人流密集监控是一种重要的视频监控技术，它通过使用高清摄像头和先进的分析软件来实时监测和分析人流密集区域的人流量、密度和行为等数据。通常使用高清摄像头捕捉清晰的视频图像，然后利用AI算法对视频流进行分析，实现自动化的轨迹追踪、人数统计、异常行为检测等功能，相比于无线网络，有线网络的部署需要铺设电缆，成本较高，在人流密集区域部署有线网络可能会遇到物理障碍，增加布设难度，并且一旦布线完成，难以进行更改或扩展。5G RedCap终端降低了设备的复杂度和成本，支持高清视频传输，无需复杂布线，部署更加灵活。

1.2 电力行业典型应用

建设新型电力系统，实现清洁低碳安全高效的能源体系构建，需要一张高可靠安全又兼顾经济性的通信网，提高电力通信的灵活接入能力、业务承载能力、调控可靠能力。5G RedCap在继承低时延、高可靠、高安全、网络切片、5G LAN等5G原生能力基础上，通过减少带宽、减少MIMO层数以及下行链路调制阶数等技术手段，降低功耗和成本，可广泛应用于电力控制类、采集类、巡检类等各种电力业务场景。

1.2.1 输电无人机巡检

该场景主要针对网架之间的输电线路物理特性检查，如：弯曲形变、物理损坏等特征，该场景一般用于高压输电的野外空旷场景，距离较远。利用5G通信高速、低时延、安全特点，将巡检高清视频实时回传。实现巡检任务自动化，航线自动规划及任务编排，远程遥控二次精细化巡检任务，为高强度的输电线路巡检工作提供了自动化、智能化、现代化的替代方案。同时，困扰无人机发展的问题，一是电池的续航问题。二是上行带宽不足的问题，导致视频及图像信息无法快速上传。因此，可以通过5GRedCap技术缩小面积，降低功耗。同时，通过上行带宽增强技术解决上行带宽不足问题。

1.2.2 精准负荷控制

电网负荷控制主要包括调度批量负荷控制和营销负荷控制系统两种控制模式。传统配网由于缺少通信网络支持，切除负荷手段相对简单粗暴，通常只能切除整条配电线路。基于5G RedCap精准负荷控制系统从业务影响、用户体验等角度出发，在低成本低功耗基础上尽可能降低时延，做到减少对重要用户的影响。通过精准控制，优先快速切除可中断非重要负荷，例如：电动汽车充电桩、工厂内部非连续生产的电源等，做到对负荷的快速精准控制。

1.2.3 配网差动保护

配网差动保护是以解决配网保护实际运行中存在的缺乏有效的快速保护和极差配合困难等问题为导向，充分利用5G RedCap技术的大容量、高速率、低延时的特点，为配网线路提供的一种更经济、更可靠的差动保护。其动作原理是配网差动保护终端比较两端或多端同时刻电流值，当电流差值超过门限值时判定为故障发生，通过5G技术执行差动保护动作，隔离故障线路并快速切换备用线路。具有原理简单、动作可靠、可适应多端电源接入等特点，通过在配电网的应用，实现故障区段的快速定位与隔离，提高配电网的供电可靠性。

1.3 精简化5G芯片应用需求

总结视频和电力行业的典型应用场景，并通过调研得出对精简化5G芯片的技术需求如表1所示。

2 精简化5G芯片技术要求

2.1 芯片总体架构

精简化5 G 芯片的核心功能包括基带部分（BB）、射频收发部分（RF）和其他接口部分。基带部分主要包括物理层功能、高层协议功能、应用处理功能等。物理层负责基带信号的处理，比如：编码、解码等。高层协议主要实现MAC、RLC、PDCP、RRC、SDAP、NAS等功能。射频收发部分主要包括射频收发功能，将射频信号转换成基带信号或者将基带信号转换成射频信号。其他接口部分主要包括用户接口功能和存储功能。用户接口功能可实现芯片与上位机进行通信。芯片的主要功能模块如图1所示。

2.2 技术要求

技术要求包括：基本功能要求，增强功能要求，硬件能力要求，接口能力要求，无线射频要求以及安全要求。

2.2.1 基本功能要求

基本功能要求包括：模式要求，工作频段要求，带宽、调制模式、MIMO与速率要求、高层要求、切片功能要求、运营商网络选择要求、IP协议栈要求。

2.2.2 增强功能要求

增强功能要求包括：低时延高可靠能力要求，语音能力要求，定位能力要求，授时能力要求，5G LAN 能力要求，SDT 能力要求，网络感知要求，覆盖增强要求，UE 节能要求。

2.2.3 硬件能力要求

硬件能力要求包括：系统要求功耗要求，存储能力，安全系统，温度范围。

2.2.4 接口能力要求

接口能力要求包括：外部通信接口、GPIO 接口、AUXADC 接口、调试接口。

2.2.5 安全要求

安全要求包括：认证和密钥协商、信令和用户面数据的加密保护、信令和用户面数据的完整性保护、用户 ID 的隐私保护、签约凭证的安全存储和处理。

2.3 行业制定化要求

对于2.2节的技术要求，在遵循3GPP以及CCSA行标的前提下，针对行业应用需求，进行定制化增强。一方面，对CCSA标准中某些可选项强制为宜选、必选项。另一方面，增加了CCSA标准中没有定义的技术要求。

2.3.1 可选变宜选、必选的增强技术要求

（1）最大调制阶数

精简化5G芯片应支持上、下行最高调制阶数256QAM二选一必选。对于行业业务来说，上行业务的速率要求往往比消费类业务更高。比如：电力视频监控、输电线路巡检场景，要求终端传输多路高清图像、高清视频等。256QAM相比64QAM可以提升1/3的上行速率，FDD模式下上行峰值速率由90Mbps提升至120Mbps。满足垂直行业对于高速业务场景需求。

（2）上行免调度传输

第一类配置授权的PUSCH传输（configuredgrant Type 1）以及第二类配置授权的PUSCH传输（configured grant Type 2）要求二选一必选。上行免调度传输可以降低上行传输时延，对于电力负控、配电等业务场景来说，有助于达到时延小于20ms以内的目标。对于工业控制、远程医疗等对时延要求较高的场景非常重要。

（3）上行覆盖增强

PUSCH类型A重复传输增强，Msg3 PUSCH重复传输必选。由于RedCap对终端天线以及功性能的裁剪，导致上行传输能力相比R15 5G终端下降，随着电路视频监控、变电站视频监控、充电桩、地下管廊等新兴业务的大量应用，面临上行覆盖受限、可靠性无法满足应用需求等问题，上行覆盖增强技术支持最大32次重传。图2为通过仿真评估得到QPSK调制的重传性能。

在理想信道估计情况下，重传次数每增加一倍，误比特率性能将有3dB增益。32次重传最大可增加10dB以上的上行链路覆盖预算。

（4） UE节能要求

RRC_INACTIVE态UE扩展DRX（e-DRX）为宜选、PDCCH skipping为可选。节能是行业终端重要的特性之一，对于某些业务场景，非激活态的休眠至关重要。比如：电力抄表，终端大部分时间工作在非激活态或者空闲态，数据传输呈现随机或突发特性。通过仿真得到e-DRX的性能（见图3）。

业务间隔越长，e-DRX节能效果越明显，仿真表明采用e-DRX与持续工作相比，能耗节省99%左右。

2.3.2 附加的技术要求

（1）网络感知要求

宜支持蜂窝网络状态获取，支持蜂窝网络状态获取时的要求如下。

1 ） 应支持周期上报上行速率统计信息用于上行带宽预测。上报周期可设，设置范围为（200～1000ms）。上报上行速率统计信息为PDCP层在上报周期中的平均速率（Byte/s）；

2）宜支持获取当前层二PDCP的实时存数据量信息（Byte）；

3）可选支持获取上行RB、TB size、MCS信息。

对于视频业务来说，通过网络感知获取带宽预测数据、层二实时数据量等信息可以动态提前调整视频编解码器的调制方式，从而有效保证视频传输质量。

（2）硬件能力要求

提出工作温度范围应满足-30～70℃；存储温度范围应满足-40～85℃。对于工业级芯片，相对商用芯片更严苛的工作温度和存储温度要求。

（3）接口能力要求

除定义支持SPI、USB2.0以及UART等通用接口外，还应支持集成SIM接口控制器，支持USIM/eSIM。对于电力等行业，eSIM一方面可以保证终端与特定运营商的解绑从而保证网络覆盖质量，另一方面，通过采用基于eSIM的二次鉴权技术，大大加强了垂直行业5G终端的安全性。

3 5G RedCap标准化情况

3.1 国际情况

国际上，3GPP Rel-17 研究和标准化了 5GRedCap 技术，研究工作于2021年3月完成，标准化工作于2022年6月完成。5G RedCap 标准面向中高速连接场景引入基于 5G 的蜂窝物联网技术，定义了 5G 轻量化终端设备类型“RedCap”。该技术基于 5G 统一空口，在满足特定应用需求和一定性能的前提下，通过精简设备能力和降低设备复杂度的方式，达到削减成本、缩小尺寸、降低功耗和延长电池工作时间等目标。

2019年12月3GPP RAN#86次会议提出 RedCap课题的研究立项提案（RP-193238[6]）。此次会议提出了 5G 轻量级终端的概念，并初步将其命名为“NR Light”。2020年6月3GPP RAN#88次会议明确针对低复杂度 5G 终端进行研究立项并获得通过，将该轻量级 5G 终端更名为“RedCap”，正式启动研究工作。研究阶段的输出报告为 TR38.875[7]，报告包括 RAN1、RAN2 的研究内容，其中主要针对终端复杂度降低特性及其带来的性能影响、节能特性等技术对产业界研究进行了总结。

基于研究阶段的评估和讨论，2020年12月3GPP RAN#90e 次会议提出针对 RedCap 进行标准立项并通过（RP-202933[8]），从此在3GPP Rel-17正式开启 5G RedCap 标准化工作。2021年第一季度、第二季度、第三季度和第二季度分别在RAN1、RAN2、RAN3和 RAN4 进行了相关标准化工作。2022年3月完成 RAN1、RAN2、RAN3的标准化工作，2022年6月 完成 RAN4 核心内容的标准化，至此 5G RedCap 的第一版核心规范完成冻结。5G RedCap 标准化的主要内容包括标准化复杂度降低相关的特性，比如：缩减最大带宽、减少最小接收天线数/天线通道数、降低最大下行MIMO层数、放宽最大调制阶数、支持半双工等；标准化节能相关的增强特性（eDRX 增强和 RRM 测量放松）、RedCap 终端类型的定义、RedCap 终端类型的早期识别和小区接入管理；标准化其他终端能力、RRC参数、RAN4 要求等相关功能。

3GPP 5G RedCap标准工作的完成为全球通信产业提供了 5G RedCap基础研发依据。

3.2 国内情况

国内，CCSA一直致力于通信领域标准化工作。其下无线通信技术工作委员会（TC5）的移动通信无线工作组（WG9）紧随 3GPP开展5GRedCap技术研究和行业标准的制定工作。

2021年3月，CCSA TC5WG9 113次会议通过5G RedCap 关键技术研究立项，并于2023年8月结题完成研究报告。2022年6月 CCSA TC5WG9 120次会议通过支持 5G RedCap 的基站设备技术要求[9]和测试方法[10]、5G RedCap 终端设备技术要求[1]和测试方法[3-4]立项。2022年12月，CCSA TC5WG9 123次会议通过 5G 轻量化模组技术要求[2]立项。支持5G RedCap 的基站标准《5G数字蜂窝移动通信网6GHz以下频段基站设备技术要求（第三阶段）》和《5G数字蜂窝移动通信网 6GHz以下频段基站设备测试方法（第三阶段）》分别于2024年4月和2024年6月进入报批稿阶段。5G RedCap 终端标准《5G数字蜂窝移动通信网 轻量化（RedCap）终端设备技术要求（第一阶段）》《5G轻量化通用模组技术要求（第一阶段）》分别于2024年4月和2024年6月进入报批稿阶段。《轻量化（RedCap）终端设备 测试方法（第一阶段）第1部分：功能和网络兼容性测试》和《轻量化 （RedCap）终端设备测试方法（第一阶段）第2部分：一致性测试》目前处于送审稿阶段，预计2024年10月提交标准报批稿。

CCSA 制定的 5G RedCap 行业标准初步形成指导我国 5G RedCap 技术与产品研发的完整标准体系，为我国 5GRedCap 终端的设备研发和网络的升级部署提供指导依据。

5G AIA由北京智芯微电子牵头制定《精简化5G芯片能力和技术要求》[5]，于2024年4月发布。该标准在遵循RedCap行标的同时，着重考虑了视频、电力等行业的应用需求，对行业定制化功能、性能进行了增强。

4 结 语

在今后的5G RedCap芯片研发和应用过程中，产、学、研应紧密协同，进一步调研行业新应用、提炼新需求、优化关键技术、持续完善标准，进行标准和产品的循环迭代，最终更好的推动RedCap芯片的规模化应用。

参考文献

[1]CCSA TC5WG9#120-006 行业标准项目建议书（5G NRRedCap终端设备技术要求）[Z].

[2]CCSA TC5WG9#123-022 行业标准项目建议书（基于RedCap的轻量化5G通用模组技术要求（一阶段））[Z].

[3]CCSA TC5WG9#120-007 行业标准项目建议书（5G NRRedCap终端设备测试方法 第1部分：功能和网络兼容性测试）[Z].

[4]CCSA TC5WG9#120-008 行业标准项目建议书（5G NRRedCap终端设备测试方法 第2部分：一致性测试）[Z].

[5]5G A I A 011-2 0 2 4 精简化5G芯片能力和技术要求[S].2024.

[6]3GPP R P-193238 New SID on suppor t of reduced capability NR devices[S].

[7]3GPP TR 38.875 （v17.0.0） Study on support of reduced capability NR devices[S].

[8]3GPP R P-202933 New WID on support of reduced capability devices[S].

[9]CCSA TC5WG9#120-010 行业标准项目建议书（5G数字蜂窝移动通信网 6GHz以下频段基站设备技术要求（第三阶段））[Z].

[10]CCSA TC5WG9#120-011 行业标准项目建议书（5G数字蜂窝移动通信网6GHz以下频段基站设备测试方法（第三阶段））[Z].