5G+RedCap标准化概述

5G RedCap标准化概述中国移动研究院 无线与终端技术研究所2023年12月中移智库 摘要随着移动物联网终端数量高速增长，如视频监控、工业传感器、可穿戴设备等典型物联网业务的市场规模潜力巨大。以可穿戴设备为例，预计2023年国内终端出货量超1600万，2025年全球终端数量超过8000万，具备千万级市场潜力，而传感器的规模更是在千亿美元级别。为了满足物联网业务容量、时延及可靠性要求高，成本功耗敏感的需求，3GPP立项了基于NR新空口的低能力NR终端（Reduced Capability NR Devices，RedCap终端）课题，R17和R18两个版本的RedCap标准设计通过降低5G终端的能力实现终端成本降低，满足速率需求的同时通过技术手段保证RedCap终端与传统终端共存，通过早期识别和接入控制保证网络对不同能力的终端可管可控，未来将大大扩展5G的生态系统，提升5G在物联领域的竞争力。一、R17 RedCap1中移智库 R17 RedCap定义了面向物联网的第一款5G NR终端类型，其面向的是较高端的、与LTE Cat4性能可比的物联网用例。R17RedCap终端成本降低的设计主要包括以下方面：1）带宽降低：标准支持RedCap终端在FR1和FR2的带宽能力分别从100MHz和200MHz降低为20MHz和100MHz，成本降低主要来源于基带的模数/数模转换器、FFT/IFFT模块和数据缓存模块。在满足速率要求的同时，不需要为RedCap终端进行新的初始接入流程设计，复用5G初始接入流程，从而避免市场分化。2）接收天线数和下行MIMO流数降低：RedCap终端最小接收天线数从FDD 2Rx、TDD 4Rx降低为1Rx和2Rx，成本降低主要来源于射频滤波器和收发机模块。综合智能可穿戴设备的产业现状和网络覆盖性能，接收天线数的选择保证了RedCap终端的弹性市场空间。3）最大调制阶数放松：下行最大调制阶数从256QAM放松为64QAM，成本降低主要来源于射频收发机和基带的模数/数模转换器。上行最大调制阶数不进行放松，一方面由于调制阶数降低带2中移智库 来的成本降低有限 ，另一方面 考虑RedCap的应用场 景中上 行业务较多，避免影响业务体验。4）半双 工FDD：半双 工FDD指将终端的双工器 替换为开关和滤波器，以半双 工方 式在FDD不同收发频段之间转换，不能同时接收信号 和发 送信号 。该能力为可选能力，如果未上报该 能力，在FDD频段仍采用全双工FDD。5）最大数据无线承载DRB数量降低：支持多个DRB一般针 对终端有多 个业务场景、业务类型的情况 ，考虑到RedCap适用场 景相对有限 ，标准将RedCap终端支持的最大DRB数从16个降低为8个，实现终端芯片缓存容量和内存设计的成本开销降低。6）序列号SN长度降低：SN用于对PDCP/RLC服务数据 单元进行编号 ，并确 定重排序或发送/接收 窗口的数 值，其长 度反映 缓冲区大小的能力。考虑到RedCap终端 所需的 峰值 数据速率较低，对PDCP的SN长度和RLC工作在AM模式下的SN长度从18比特减小为12比特。3中移智库 上述 带宽降低、接收天线数和MIMO流数降低、最大调制阶数放松、半双 工技术等复杂度 降低手段相结 合可降低约60%的5G终端通信模块成本[1]。终端 节能方面，考虑到 物联网终端设备对电池使 用寿命 更加敏感，标准化针对新的终端形态引入了进一步降低终端能耗的技术特性，包括eDRX和RRM测量放松。1）eDRXeDRX通过为RedCap终端 配置 较长的DRX周期， 减少 终端在空闲和非激活 态下监 听寻呼 带来的功耗。CN eDR X周期扩展为2.56s~10485.76s，RAN eDR X周期扩展为2.56s~10.24s。当eDRX周期小于10.24s，eDRX周期作为寻呼周 期。 当eDRX周期大于10.24s，终端首先根据公式确定其需要侦听的寻呼超帧PH，并确定PH中具体监听的寻呼 时间 窗PTW，在PTW内基于现有DRX机制确定寻呼时机位置。2）RRM测量放松4中移智库 RRM测量放松通过设计邻区的测量放松机制，在保证业务连续性的同时减少不必要的终端测量功耗。测量放松基本流程是，终端评估是否满足网络广播的放松准则，在满足放松准则的情况下，采用协议定义的放松的测量指标进行测量。R17 RedCap终端特征设计技术特性NR指标/设计R17 RedCap指标/设计R17 RedCap成本降低（相比于NR终端）终端复杂度降低带宽降低FR1 100MHzFR2 200MHzFR1 20MHzFR2 100MHzFR1 100MHz -> 20MHz 32%FR2 200MHz -> 100M hz 16%减少接收天线数FR1 FDD 2Rx/1TxFR1 TDD 4Rx/1TxFR2 2Rx/1Tx1Rx2RxFR1 FDD 2Rx -> 1Rx 26 %FR1 TDD 4Rx -> 2Rx 31 %FR1 TDD 4Rx -> 1Rx 46 %降低最大调制阶数DL 256QAMUL 64QAMDL 64QAM（必选）DL 256QAM（可选）DL 256QAM -> 64QAM 6%双工方式简化全双工FDD半双工FDD（可选）7%降低最大DR B数量最大支持16个DR B最大支持8个DR B，支持16DR B为可选降低缓存容量和内存要求减小SN长度支持18比特的PDCP及RLC AM模式的SN长度减小为12比特，18比特为可选减少缓存大小终端节能eDR XRAN DR X周期最大值10 .24s，最小值0.01s，DR X周期作为寻呼周期。eDR X周期：1）CN eDR X周期最大值10485 .76s，最小值2.56s；2）RAN eDR X周期最大值10 .24s，最小值2.56s。eDR X机制：1）周期＞10 .24s：使用寻呼超帧PH和寻呼时间窗PT W机制2）周期≤10.24s：eDR X周期作为寻呼周期，不使用PH和PT W5中移智库 RRM测量放松空闲态和非激活态测量放松指标：1）仅满足静止准则：测量周期可放松6倍。2）同时满足静止准则和不在小区边缘准则：测量周期可放松为最大4小时。连接态测量放松指标：无标准化的放松测量指标。仅通过网络实现重配测量配置的方式实现测量放松。R17 RedCap终端设计需要在降低5G终端的复杂度 及成本，满足速率需求的同时，实现与非RedCap终端的共存部署，避免对网络的覆盖性能、传统终端体验 带来 消极影响。标准 中共存设计主要包括以下方面：1）RedCap专属 初始BWP：考虑到传统终端的初始上行BWP带宽可以超过20MHz，如果RedCap带宽降低且复用传统终端的初始上行BWP，将 导致 一系 列的共存 问题，包括RACH、Msg3、PUCCH等传输超过RedCap最大带宽，以及网络接入容量受限问 题。标准支持为RedCap配置专属 初始BWP，保证RedCap终端工 作带宽不大于其支持的带宽能力。基于专属 初始BWP架构解决共存 问题相比于其 他候 选方 案对基站调度复杂度影响 较小，同时 还利 于实现针对RedCap终端容量的灵活扩展、网络负载分流和匹配调度。6中移智库 2）去使 能PUCCH时隙内跳频：在与传统终端共存的情况 下，如果RedCap终端在其初始BWP内使用跳频方 式传输PUCCH，PUCCH位于其初始BWP的两端，导致整 个上行带宽 被分割成非连续 带宽， 影响 支持 单载 波传 输的传统终端的上行峰值 速率。网络可以通过去使能RedCap专属初始上行BWP的PUCCH时隙内跳频，避免造成传统终端PUSCH资源的 碎片 化， 减少 对传统终端的性能影响。3）半双 工FDD上下行 冲突处理机制： 当半双 工FDD和全 双工FDD终端共存时，基站可能 仍按照全双工FDD终端调 度上 行和下行传输，而半双 工FDD终端无法 在同一个 符号上 的两个频带同时进行上行发射和下行接收。标准 引入针对半双 工FDD终端的 上下行 冲突处理 机制， 明确半双 工FDD终端如何进行 上行发射和下行接收的选择。为了网络对不同类型终端具备灵活 的控制管理权 ，标准支持RedCap终端的早期识别和接入控制，实现网络匹配调度，根据网络资源和 负载情况调整终端接入，避免RedCap终端过 度占 用网络资源，降低对传统终端性能影响。7中移智库 1）早期识别RedCap终端的早期识别主要借助随机接入过程实现，识别后网络可以在RedCap终端接入过程中针 对其能力执行特定的调 度决策或者服务。 另一方面，早期识别可以减少 终端不 必要的接入尝试，有利 于终端能耗降低。基于Msg1/MsgA的提 前识别是网络可配的，终端通过检查 网络是 否配置 了相应 的资源确定是 否可以 使用基于Msg1/MsgA的提 前识别。基于Msg3的提 前识别是始终 开启的，Msg3使用特定LCID识别RedCap终端。2）接入控制为了支持针对特定终端的灵活接入控制，网络通过系统信息分别指示1Rx和2Rx RedCap终端是否允许接入当前小区，同时对终端小区选择、小区重选参数及对应行为进行了详细定义，便于网络更好地服务终端。二、R18 eRedCap在R17 RedCap应用场 景的基 础上 ，R18 eRedCap旨在进一 步扩展RedCap生态，面向更低成本，更低能耗，更低数据速率8中移智库 （10Mbps）要求，介于LPWA和R17 RedCap能力 之间的物联网用例，例如工业无线传感网络，智能电网等。R18 eRedCap主要的成本降低手段是保持射频带宽20MHz，数据 信道 基带降低为5MHz，峰值 速率降低为10Mbps，相比R17RedCap可降低约12%的终端通信模块成本[2]。由于基带带宽降低的R18 eRedCap需要较大的标准改动，具有一定 部署 和实 施复杂度 ，标准同时支持了R18 eRedCap的第 二种成本降低手段：峰值 速率降低作为独立特征。峰值 速率降低只需对 协议 现有能力 参数进行扩展，基站调度简单灵活，与R17RedCap终端能够共存并共享早期识别资源和初始接入流程，易于实现R17 RedCap网络 中R18 eRedCap终端的 快速部署 。另外 ，峰值 速率降低独立特征 的引入使R18 eRedCap终端和LTECat1bis终端具 有相 同的20MHz带宽和可比的峰值 速率，两者能够共享大部分基带模块，具有相近 的复 杂度 ，使得 在LTECat1bis终端 上实现R18 eRedCap的功能，开发双模终端 易于实现。9中移智库 终端节能方面，为了进一步降低终端能耗，R18 eRedCap节能增强技术主要就R17版本未定义的非激活态下RAN eDRX周期超过10.24s时的寻呼监听机制进行了讨论。R18版本将非激活态RAN eDRX周期最大值扩展为10485.76s，定义了非激活态下CN和RAN eDRX周期同时超过10.24s时，通过CN和RAN的寻呼超帧PH和寻呼时间窗PTW确定寻呼时机的监听机制，规定了根据CN和RAN的PTW位置确定寻呼周期T的规则。R18版本还规定了eDRX的使用和回退机制，使终端可以独立支持R18非激活态eDRX。R18 eRedCap终端特征设计技术特性R18 eRedCap指标/设计终端复杂度降低基带带宽降低+峰值速率降低1）带宽指标：射频20MHz基带 5MHz对应的RB数：SCS 15 kHz 25R B；SCS 30 kHz 12R B2）峰值速率限定值：vLaye rs·Qm·f=3.2峰值速率降低1）带宽指标：射频20MHz基带 20MHz2）峰值速率限定值：当vLaye rs = 2，vLaye rs·Qm·f=0.8当vLaye rs = 1，vLaye rs·Qm·