科普RedCap是什么，与现在的5G有何不同

　　随着 3GPP R17 版本的冻结，一个新的名词逐渐开始热门起来，那就是 RedCap。究竟什么是 RedCap？为什么要引入它？它和现在的 5G 有什么区别？且看小枣君的深入解析……什么是 RedCap
　　RedCap，全名是 Reduced Capability，中文意思是＂降低能力＂。它是 3GPP 在 5G R17 阶段，专门立项研究的一种新技术标准。
　　对于 RedCap 这个名字，大家可能觉得比较陌生。其实，它此前的名字，可能有读者听说过，就是 NR light（NR lite）。说白了，RedCap 就是轻量级的 5G。
　　值得一提的是，国内有些文章将 RedCap 全名说成是 Reduced Capacity。这显然是不对的，Capacity 的意思是容量，Capability 是能力。为什么会有 RedCap
　　5G 搞得好好的，为什么要搞一个轻量级的版本呢？原因如下：众所周知，5G 分为三大应用场景，分别是 eMBB（增强型移动宽带）、uRLLC（低时延高可靠通信）、mMTC（海量物联网通信）。
　　eMBB 是 4G 时代 MBB（移动宽带）的升级，主要侧重于网络速率、带宽容量、频谱效率等指标。目前我们使用的 5G 手机通信，就属于 eMBB 场景。
　　而 uRLLC 和 mMTC，前者侧重可靠性和时延，后者侧重连接数和能耗。两者都是主要服务于行业互联网，包括工业制造、车联网、远程抄表等垂直行业领域。
　　我以前和大家说过，物联网的应用场景是极其复杂、多样的。不同的场景，对网络的指标要求并不一样。以速率为例，VR / AR、高清转播需要高速连接，但是，远程抄表（水表、电表），还有共享单车同步数据，只需要低速就可以了。相比速率，很多应用场景更关心功耗和成本。
　　物联网经过这么多年发展，已经形成了高速、中速和低速三个类别：
　　▲＂631＂结构
　　如果算上现在越来越火的无源物联网（超低速率），那就是四个类别：
　　仅靠 5G，是满足不了全部需求的。所以，现阶段，是 5G、4G 一起在扛。甚至 2G、3G 也在帮忙。
　　随着 2G、3G 的退网，绝大部分的 2G、3G 物联网业务将会迁移到 LTE Cat.1、LTE Cat.4 和 NB-IoT。也就是 4G、5G 打天下。
　　那么问题来了，将来 4G 要退网，怎么办？或者，新运营商成立，难道除了 5G 之外，还要再建一个 4G 网络吗？
　　所以，5G 必须考虑长远，建立一个轻量化的版本，用于覆盖住目前 LTECat.1 以及 Cat.4 的需求，也就是中速及中高速需求。
　　于是，就有了 RedCap。
　　换言之，NB-IoT / eMTC 是阉割版的 4G。而 RedCap，是阉割版的 5G。从技术特性上来说，RedCap 介于 eMBB（超宽带）和 LPWA（低功耗广域网，NB-IoT 等）之间。
　　RedCap 主要针对的是带宽、功耗、成本等需求都基于 eMBB 和 LPWA 之间的应用。
　　它的带宽速率低于 eMBB，但是远高于 LPWA。它的功耗和成本高于 LPWA，但是却又远低于 eMBB。
　　▲RedCap 的能力，非常＂均衡＂（黄色线是 RedCap）
　　RedCap 诞生的另一个驱动力，是 5G 终端芯片和模组的成本问题。
　　完整版的 5G 终端芯片和模组，设计极为复杂，研发门槛极高，投入成本巨大。它们的价格，也一直居高不下（500-1000 元）。
　　高昂的价格，影响了 5G 在垂直行业的落地，用户不愿意花这么多钱。
　　所以，搞一个轻量化的 5G，也是为了在一些对速率、时延要求不那么高的场景，降低 5G 部署和使用的成本，更好地服务用户，加速 5G 落地。RedCap 是如何实现低成本的？
　　来到本文的关键部分，RedCap 究竟是如何被阉割 Reduced 的。
　　下面这个表格，显示了 5G RedCap 设备和 5G 传统设备之间的主要区别。
　　▲原图来自爱立信（鲜枣课堂翻译）
　　首先，RedCap 的频谱带宽更小。在 Sub-6GHz 频段，RedCap 的带宽为 20MHz，小于传统 5G 的 100MHz。
　　其次，RedCap 减少了收发天线数量，并降低了 MIMO 层数。对于 Sub-6GHz 频段，RedCap 终端的接收链路可减少为 1 个或 2 个，相应下行 MIMO 降低为 1 层或 2 层接收。这样一来，就降低了对终端射频收发信机和基带处理模块的能力要求。
　　第三，RedCap 采用了 64QAM 这种更简单的调制方式，同样意味着对射频和基带的要求大幅降低。
　　第四，RedCap 采用半双工 FDD（HD-FDD），可以在不同时刻在不同频率上进行收发，不需要双工器。不仅节约了成本，还获得了更好的集成能力（双工器一般都比较大），减小了对设备空间的占用，有利于设备的小型化。
　　第五，RedCap 引入了一些节省功耗的手段，例如增强的非连续接收特性（eDRX），采用更长的休眠模式，让终端减小功耗，获得更高的续航能力。
　　基于上述改动，根据预测，RedCap 相比于 5G 公网终端，复杂度下降了 60%，在基带和射频侧大约有 70% 左右的成本降低。更有说法称，RedCap 的整体成本可以减小 2-5 倍，甚至 7-8 倍。
　　虽然 RedCap 被严重阉割，但基本性能还是保留的。它可以基于 5G 现网平滑升级引入，不需要对现网进行大的改造。
　　说完好的，再说不好的。RedCap 失去了什么呢？
　　首先是速率。随着终端带宽的下降，MIMO 接收的简化，以及最高调制阶数的下降，RedCap 的峰值速率也将大幅下降。
　　具体的速率值，根据天线数量和帧结构有所不同，可以参看下面的表格：
　　▲RedCap 上下行峰值速率参考（来自 5G RedCap 技术白皮书）
　　覆盖能力方面，因为天线设计的缩水，加上可穿戴终端的尺寸限制，覆盖能力略有缩水。
　　传输时延方面，HD-FDD 不能同时发送和接受，传输时延会有所增加。不过，对于 RedCap 的应用场景来说，这些问题都没有太大影响。
　　值得一提的是，考虑到应用场景和成本，3GPP 提出 RedCap 一次只能在一个频带内工作，不需要支持载波聚合或者双连接。（当然了，早期的 RedCap 终端，肯定是双模的，毕竟 5G 的覆盖并不完美。）
　　差点忘记说价格。根据预测，RedCap 的模组价格将会控制在 100-200 元（人民币）之间，远低于目前大几百元的 5G 模组，但是会比几十元的 NB-IoT 模组高。RedCap 的典型业务场景
　　目前，根据 3GPP R17 的标准定义，RedCap 支持三大业务场景，分别是：可穿戴设备、工业传感器和视频监控。
　　这三种场景对网络的具体需求，如下表所示：
　　▲原图来自爱立信（鲜枣课堂翻译）
　　可穿戴设备，以智能手表为例。
　　目前，市面上主流的智能手表都只支持 4G，不支持 5G。因为 5G 芯片成本太高，发热量大，而且 eMBB 的高速率，对于手表的屏幕尺寸来说，有点多余。
　　采用 RedCap，完全可以满足智能手表的视频通话需求，不仅下行带宽足够，上行带宽也远远高于 LTE Cat.1。
　　此外，RedCap 在尺寸和功耗方面，也能够满足智能手表的需求。
　　再看看工业传感器。
　　工业无线传感器大家可能比较陌生。这个东西的类别很多，包括压力传感器、湿度传感器、运动传感器、温度计、加速度计、驱动器，等等。
　　这些传感器在工业领域广泛应用，数量巨大。它对可靠性要求略高，大概是 99.99%。但是，对时延要求不算高，100ms 以内就行。速率的话，一般都不超过 2Mbps。
　　毫无疑问，RedCap 是可以满足的。
　　最后是视频监控。
　　视频监控是目前广泛存在的一种物联网需求，我们身边到处都是。
　　很多人认为，视频监控要用 5G。其实，视频监控也分为多种类别。有的是 4K / 8K 超高清，高端型监控（7.5-25 Mbps）。也有的是高清或标清，属于经济型监控（2-4 Mbps）。
　　在实际应用中，经济型视频监控的占比反而更大一些，这些都不需要 5G，用 LTE Cat.1 / Cat.4，还有我们的 RedCap，就足够了。
　　除了上述三大场景之外，RedCap 可以应用的地方还有很多，例如智能物流、智能电力、智能巡检、智能制造等。
　　根据各大市场咨询机构的预测数据，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。对于 RedCap 来说，市场前景广阔。RedCap 什么时候可以商用？
　　2019 年 6 月，在 3GPP RAN #84 会议上，RedCap 被首次作为一个 R17 Study Item（研究项目）出现在大家面前。
　　2021 年 3 月，3GPP 正式通过了 NR RedCap UE 标准化（即 Work Item）项目的立项。
　　如今，2022 年 6 月 9 日，3GPP R17 冻结，也就意味着 RedCap R17 标准化完成。
　　根据经验，标准化之后，至少要 1-2 年的时间，才能实现初步的产业化。所以说，预计到 2023 年的年中（或者 2024 年年初），我们将看到 RedCap 的早期商用化产品。
　　注意啊，RedCap 的标准化并没有彻底结束。2021 年 12 月，3GPP R18 RedCap 的标准化，已经启动了。
　　▲3GPP RedCap 标准化工作进程（来自 5G RedCap 技术白皮书）
　　R18RedCap 的目标，是对标 Cat.1/1bis，进一步降低终端复杂度，实现 RedCap 终端复杂度的极致简化。
　　换言之，RedCap 这项技术，未来还有很长的路要走。
　　好了，以上就是关于 RedCap 的全部内容。感谢大家的耐心观看，我们下期再见！
　　参考文献：
　　1、https://www.ericsson.com/  en / blog / 2021/2 / reduced-cap-nr，爱立信
　　2、《5G R17 带来的芯片机会》，李飞，半导体行业观察
　　3、《RedCap，来了！》，5GSA
　　4、《5G RedCap UE 关键技术与标准化进展》，徐霞艳，移动通信；
　　5、3GPP Enhancements Planned for 5G Release 17 Include RedCap, Coverage Improvements, Satellite Standards, and More，sierrawireless.com
　　6、https://blog.3g4g.co.uk/2021/07/introduction-to-5g-reduced-capability.html ，3G4G
　　7、3GPP.org
　　8、5G RedCap 技术白皮书，中国移动