5G RedCap/NR-Light终将取代4G LTE Cat 1和Cat 4

　　作者：

　　u-blox产品规划和营销总监Sabrina Bochen

　　u-blox企业战略部Sylvia Lu

　　在本文中，我们将分析RedCap主要应用场景及其特性。此外还会分析5G技术与4G LTE Cat 1和Cat 4的区别，以及您在为设备选择适合当下与未来的蜂窝通信解决方案时，需要根据哪些因素来判断5G RedCap是否为理想之选。

　　导言

　　从中短期来看，4G蜂窝通信网络还不会消失，但如果您的业务涉及到设计依赖于蜂窝连接的设备，那么提前考虑未来趋势是为明智之举。如果您希望自己设计的产品在未来十年间保持良好运营状态，更要结合未来趋势规划筹谋。

　　5G是蜂窝通信技术发展的下一篇章，这一点毋庸置疑。我们已经见证了5G的广泛使用，消费类智能手机领域在这方面的行动尤为积极，但在物联网中使用5G技术则相对缓慢，特别是其中的几个细分领域。

　　原因是在最初的5G规范(2018年在3GPP第15版中首次公布)中，并没有充分考虑消费类可穿戴设备、重型工业设备和智能工厂设备等领域的需要。

　　如果您的业务中恰好涵盖任何此类设备的设计，那么有一个好消息：3GPP第17版公布了《5G New Radio (NR) Reduced Capability》。新版规范通常简称为“5G RedCap”或“NR-Light”，弥补了5G技术拼图上缺失的一角，让5G成为一种可行选择。

　　回顾初版5G规范

　　为明确RedCap的必要性，我们需要快速回顾一下初版5G规范。5G NR最初是在2018年6月的3GPP第15版中发布的。该规范定义了三种主要应用场景。

　　●首先是增强移动宽带(eMBB)。这已成为5G技术的主要部署动力，着重面向消费类智能手机领域。相较于4G LTE，eMBB提供了更高的数据传输速率和更低的延迟。

　　●第二个应用场景是超可靠低延迟通信(uRLLC)。顾名思义，此场景的目标是尽可能降低延迟并充分提高网络可靠性，从而满足对延迟极为敏感的任务关键型应用的需要。随着自动驾驶汽车、工业自动化和机器人的普及，uRLLC必定会蓬勃发展。

　　●第三个应用场景是海量机器类型通信(mMTC)。mMTC以物联网为目标，侧重于在传统蜂窝通信技术的基础上尽可能降低功耗、扩大室内覆盖范围。值得注意的是，虽然从技术角度上来讲，LTE-M和NB-IoT都归入4G LTE大类，但这两项技术能够满足ITU IMT-2020 5G mMTC要求，因此被正式纳入5G mMTC系列。

　　在这方面，我们还需要注意有关5G NR的几个要点。5G NR专为5G而开发，使用两个频率范围。频率范围1(FR1)面向7.125 GHz以下的频段，频率范围2(FR2)面向24.25 GHz到71.0 GHz之间的频段。24 GHz以上的频率范围也称为毫米波(mmWave)。

　　问题依然存在

　　虽然初版5G规范有种种优点，但其中缺少了专为满足中阶的IoT和消费级应用量身打造的规范，目前许多此类应用都在使用LTE Cat1或Cat4支持其蜂窝通信。

　　智能手表与可穿戴设备等消费类产品领域，以及智能工厂应用(如传感器网络、视频监控、工业可穿戴设备)或自主导航车辆等其他领域也存在类似的情形，所有这些领域都需要中等数据传输速率。还有建筑、农业和矿业设备中使用的车联网、远程诊断和车队管理设备，这些领域也需要中等数据传输速率，并且希望能够在未来多年持续保持运行——在有些情况下，甚至在4G网络停用之后仍可能会继续工作。

　　在这些应用场景中，eMBB和uRLLC的规范都可以说是“大材小用”，所以至少从经济效益角度上来讲不够理想。与此同时，LTE-M和NB-IoT等mMTC解决方案无法满足这些中频频段设备的性能要求。

　　取代LTECat1和Cat4，进入5GRedCap时代

　　3GPP第17版弥补了这一缺憾：5G NR Reduced Capability——简称RedCap，有时也称为5G NR-Light。从功能角度来看，5G RedCap处于eMBB与uRLLC之间，但高于LTE-M和NB-IoT，恰到好处地满足了目前使用LTE Cat 1或Cat 4技术的应用的需求。

　　在第17版中，RedCap设备在FR1中必须支持高达20 MHz的频率，在FR2中必须支持高达100 MHz的频率。考虑到成本因素，我们预计大多数RedCap设备都会部署到FR1频谱中，大多数设备需要的最大带宽就是20 MHz。在20 MHz带宽下部署时，RedCap支持最高达到LTE Cat 4范围的数据传输速率。根据网络设置和双工操作类型的不同，具体速率可能有所不同。例如，在全双工频分双工(FD-FDD)下，使用20 MHz带宽(考虑接收分集)和256-QAM调制模式工作时，下行数据传输速率可达到227Mb/s，上行数据传输速率可达到91Mb/s。

　　理论上，FR1和FR2频段范围支持的参数与5G eMBB设备相同，以便将这一规范推广到全球移动网络运营商。尽管如此，移动运营商最终仍有可能决定在比eMBB套件更有限的频段集上部署RedCap。从功耗的角度而言，RedCap增加了非活动和空闲模式下的扩展非连续接收(eDRX)周期，并且在静止设备的相邻小区测量方面相对宽松。相较于eMBB，这有助于降低功耗。RedCap还通过其他方式降低设备复杂性，包括减少天线、下行链路多输入多输出(MIMO)层、下行链路调制顺序和双工操作。

　　5GRedCap与4GLTECat1和Cat4的比较

　　如果所设计的设备需要5G RedCap提供的蜂窝连接类型，大多数设计人员最终要都在RedCap和4G LTE Cat 1或Cat 4之间做出取舍。

　　在某些配置中，相较于LTE Cat 4(峰值下行数据传输速率约为150 Mbps)，使用RedCap可以实现更高的峰值数据传输速率和更低的延迟。RedCap还能提供与专用网络中5G核心的内在关联，如果您高度注重网络使用寿命，这一点尤为有益。

　　另外一个因素是您的产品上市时间。您的设备将在何时发布?需要在哪些地理区域内工作?我们预计，首批5G RedCap设备将于2024年问世，最初将投向先采用蜂窝通信技术的一些国家和地区，例如北美的一些国家/地区、中国以及亚太区的其他国家/地区。

　　客户对于设备的正常使用寿命有怎样的期待?如果设备的预计使用寿命很长，那么采用较新的技术可能更为合理，这样就能确保设备在2030年仍能顺畅连接到移动网络。

　　RedCap革命：3GPP R18版本

　　3GPP标准预计于2024年初发布第18版，将拓展RedCap的支持范围，涵盖额外的应用场景。其中大多是较低级别的物联网设备，其功能介于现有低功耗广域(LPWA)用户设备与第17版标准界定的RedCap用户设备之间，例如工业无线传感器网络和智能电网。

　　第18版RedCap的目标是10Mb/s左右的峰值数据传输速率。为实现此目标，可针对FR1内的数据通道将用户设备基带的带宽降低到5 MHz，同时将用户设备的射频带宽维持在20 MHz，这也有助于减少设备生态系统的碎片化问题。重点在于，第18版RedCap并非意在取代现有LPWA解决方案，因为现有方案在室内覆盖范围和功耗方面的表现依然要更好一些。

　　更多相关资源

　　如果您目前在解决方案中使用LTE Cat 1或Cat 4实现与远程设备之间的数据收发，5G RedCap规范的问世应该让您注意到时机已经成熟，您应该开始去探索如何在设计与生态系统中最终取代4G蜂窝通信技术。

　　虽然4G网络的停用还有待时日，但使用LTE Cat 1和Cat 4的许多设备都有着很长的使用寿命，立即开始筹划未来举措也不失为明智之举。

　　u-blox简介

　　瑞士u-blox 公司(SIX:UBXN) 是为汽车、工业和消费市场提供定位和无线通信技术的领先供应商。其解决方案能准确进行人员、车辆和机器的定位，并通过蜂窝网络和短程通信网络实现无线通信。凭借广泛及多样化的芯片、模块和日益扩大的产品支持数据服务生态系统，u-blox 公司在帮助其客户针对物联网快速而成本高效地开发创新解决方案方面具有得天独厚的优势。u-blox 公司总部设在瑞士塔尔维尔，目前在欧洲、亚洲和美国都设有办事处。