编者荐语

5G 轻量化技术

——RedCap探索与应用

一

引言

第五代移动通信系统（5G）发展初期，国际电信联盟（ITU）定义了 5G 的三大应用场景，分别是增强型移动宽带 eMBB、超可靠低时延通信 uRLLC 和大连接物联网 mMTC。虽然这三大场景差异化匹配了高速率、低时延和低能耗的应用需求，但对于中等需求的物联网应用场景，5G 技术没有覆盖。在此背景下，基于 5G 标准实现低成本、大规模连接的技术需求逐步走向前台，如图 1 所示。

为了填补 5G 在这类物联网应用的技术空白，3GPP 标准化组织在Release 17 版本，面向物联网的终端技术特性，制定了 RedCap（Reduced Capability）标准。基于 RedCap 的终端设备是自 R15 定义 5G eMBB终端以来，5G NR 标准定义的第二款终端，也是首款 5G 面向物联网的终端。

二

RedCap 技术概述

RedCap 是 5G 演进的标志性技术，通过终端精简设计大幅降低 5G 终端成本，同时提供较高速率的大连接能力，使 5G 面向各类物联网应用需求形成了具备不同能力、成本、复杂度的差异化分级能力，如图 2 所示，eMBB 和 NB-IoT 分别承载了高、低速率应用场景的业务需求，R17 RedCap 技术对标的是中等速率场景，而未来在 R18 的 eRedCap 技术将进一步精简终端能力以适用于中低速率场景。

相比于传统 5G 终端，RedCap 终端综合考虑了性能、成本和功耗各方面的需求，对其终端能力进行了一系列精简，具体体现在带宽、天线数、MIMO layer 数、调制方式和双工模式等五个方面，如图 3 所示。

（一） 最大带宽

在 FR1 频段，RedCap UE 支持的最大带宽从基线 NR 的 100MHz 降低到 20MHz；在 FR2 频段，最大带宽从基线 NR 的 200MHz 降低到 100MHz。

（二） 最小接收天线端口数

针对 NR 普通 UE，在不同频段要求支持的最小接收天线数为 2 或 4，而针对 RedCap UE，R17 定义最小接收天线数为 1，可选支持 2Rx 天线的配置。

（三） 下行最大MIMO层数

对于支持 1Rx 天线的 RedCap UE，最大支持下行 1 层 MIMO；对于支持 2Rx 天线的 RedCap UE，最大支持下行 2 层 MIMO。

（四） 最大调制阶数

RedCap 终端在 FR1 和 FR2 频段最大支持 64QAM，可选支持 256QAM，而 NR 普通终端默认支持 256QAM。

（五） 双工模式

RedCap 终端能够支持 FDD 和 TDD 两种双工模式，同时还引入了半双工 FDD。

除了上述五方面的能力精简之外，RedCap 技术只支持 UE 同时运行在一个频谱，即不支持载波聚合和双连接。

三

RedCap 整体架构

RedCap 典型的整体架构包括终端层、无线层、网络层和应用层，如图 4 所示。

（一） 终端层

RedCap 终端基于 3GPP R17 版本引入的终端能力精简，简化了基带以及射频芯片设计，大幅降低终端成本，常见的终端形态包括 RedCap 摄像头、CPE、智能手表、AGV 小车、电力开关、机器人、传感器等。

（二） 无线层

无线层通过室内外基站提供连续覆盖的RedCap网络，运用终端早期识别、独立 BWP、NCD-SSB、eDRX 和 RRM 测量放松等新技术，提供满足行业客户对 RedCap 容量、能耗和速率等各方面能力要求。

（三） 网络层

网络层包括核心网及传输网，通过无线层提供的 RedCap 终端身份标记提供差异化计费、策略控制等服务，并且可以支持双发选收、5G LAN、端到端切片等一系列 5G 专网能力来满足不同行业的定制化需求。

（四） 应用层

RedCap 可应用于工业控制、可穿戴设备、视频监控、车联网、飞行管制和智能政务等领域，结合行业的实际需求可以衍生出各种特色应用，为行业提供低成本、高性能的无线网络技术。

四

无线层关键技术

为了更好地运用 RedCap 终端能力，无线网络侧需要支持终端早期识别、独立 BWP 和 NCD-SSB、eDRX 和 RRM 测量放松等关键技术。

（一） 终端早期识别

传统 5G 终端在随机接入过程（RACH）完成后会上报其终端能力信息，而 RedCap 终端能力相对传统终端而言大幅降低，基站和核心网有必要在终端接入过程中予以限制，或者针对其能力执行特定的调度决策、服务或收费策略等，因此基站需要运用早期识别技术，在终端完成随机接入之前就能够识别出 RedCap 终端。

3GPP R17 引入了基于 Msg1 和 Msg3 的两种早期识别方式，其中 Msg3 识别是必选项，Msg1 识别是可选项。如图 5 所示，Msg3 早期识别机制依赖于用户设备（UE）发送的 Msg3 中的 CCCH ID 来判定终端类型；而 Msg1 早期识别机制则是通过基站发送系统消息，指示 RedCap UE 使用专属的 RACH 资源或前导序列，基站再基于接收到的 UE Msg1 来判断该终端是否为 RedCap UE。

（二） 独立BWP

考虑到 RedCap 终端的引入可能会对现网存量 5G 终端业务带来冲击，BWP 作为 5G 网络中的一个独特特性，在与传统 5G 终端共存方面提供了强大支持。基站可以通过系统消息为 RedCap 终端配置与传统 5G 终端不同的初始 BWP，两者初始接入时使用的时频资源互不影响，从而实现两种不同终端在同一套网络中的兼容共存，大幅降低了现网升级支持 RedCap 带来的支出成本。

（三） NCD-SSB

NCD-SSB 是 3GPP R17 中引入的新功能，当 RedCap 终端工作在不包含 CD-SSB 的 BWP 时，基站需要配置 NCD-SSB 来维持终端的下行同步。相比与 R15 中提到的 CD-SSB，它的主要不同点在于 NCD-SSB 只用于 RRM 测量、BFD、RLM 等操作，它不关联小区级 RMSI，所以终端不会尝试去从 NCD-SSB 中解调接收小区系统信息，这能够降低RedCap 终端的处理复杂度及能耗。如图 6 所示，在 100MHz 带宽的小区中，最多可以配置 1 个包含 CD-SSB 的 20MHz BWP 和 4 个包含 NCD-SSB 的 20MHz BWP，这极大增加了小区容纳的 RedCap 连接数。

（四） eDRX

eDRX 是一种用于降低终端功耗的机制，它允许终端在特定的时间间隔内不监听网络寻呼信号，进而进入低功耗模式。针对 RRC_IDLE 状态下 RedCap 终端，eDRX 周期最大扩展至 10485.76秒，RRC_INACTIVE 状态下 RedCap 终端，eDRX 周期最大扩展至 10.24 秒，采用更长的 eDRX 周期可增加终端睡眠时长，降低终端待机能耗。

具体来说，eDRX 技术是在 DRX 技术基础上的进一步拓展，在系统帧 SFN 基础之上引入了超帧 Hyper SFN。终端会被配置一个寻呼时间窗口（PTW）和多个 DRX 周期。在 PTW 内，终端按照 DRX 周期监听寻呼信道；而在 PTW 外，终端则不监听寻呼信道，处于休眠状态，以降低终端功耗。随着 RedCap 技术向成本敏感、对数据传输速率要求不高的物联网应用场景的不断延伸，未来 eDRX 技术将逐渐走向商用。

（五） RRM 测量放松

RRM 测量放松也是 3GPP R17 引入的一项新功能，考虑到一些应用场景中 RedCap 终端将长期处于静止状态，频繁地进行 RRM 测量是一种能耗的浪费。因此，对于这部分终端，放松 RRM 测量并不会影响性能，并且还能达到节能的效果。具体实现方式是网络通过系统消息通知终端RRM 测量放松的触发条件，使偏静止且处于小区中心区域的终端在满足触发条件时，可放松对于邻区的 RRM 测量，从而达到节省终端功耗的目的。

五

RedCap 典型应用场景

RedCap 典型应用场景包括视频监控、工业传感器、可穿戴设备三大类场景。

（一） 视频监控

随着安防监控技术向智能化领域的深度迈进，高清视频传输、AI 智能分析、远程实时操控等功能的广泛应用，极大地推动了对于数据流量及网络带宽需求的激增，特别是在那些对安全等级要求极高的场景中，诸如园区全面监控、关键基础设施的严密防护等。尽管 5G NR 终端凭借其卓越的性能脱颖而出，但其高昂的成本却成为了阻碍 5G 安防监控技术广泛普及的一大瓶颈。

在此背景下，RedCap 作为 5G 技术的轻量化版本，不仅完美继承了5G 的核心技术优势，更通过一系列精简而高效的设计，实现了终端成本的显著下降，成功地在性能与成本之间找到了完美的平衡点。这一特性使得安防监控领域成为了 RedCap 技术能够大规模拓展与复制的关键应用场景，预示着 RedCap 技术大规模应用新时代的到来。图 7 展示了 RedCap 摄像头在网络中的应用案例。

（二） 工业传感器

在工业制造领域，工业传感器是一种不可或缺的核心部件。它们通过测量或感知特定物体的状态和变化，将这些信息转化为可传输、可处理、可存储的电子信号或其他形式的信息，从而指导后续的工作环节。在智能制造的推进过程中，工业传感器发挥着至关重要的作用。

传统的工业传感器依赖于有线化部署，需要铺设大量的电缆和光纤，线路规划极其复杂，线路的维护成本也很高，而且传感器的终端种类繁多、数量庞大，降低成本的需求迫切。RedCap 以其无线化部署、低成本的特点完美契合了这些行业痛点，而且RedCap 还能提供低时延、高可靠、定制化切片等 5G 能力，为传统生产线现代化转型提供助力。

（三） 可穿戴设备

目前，主流的可穿戴设备普遍采纳 LTE Cat4 或 Cat1/1bis 技术作为其核心通信手段。然而，随着 5G 技术的广泛渗透，将 5G 技术融入可穿戴设备领域，不仅能够精准对接用户对现有可穿戴产品迭代升级的需求，更能为 AR 等前沿形态的可穿戴设备注入新的发展活力。相较于传统的 5G 终端设备，RedCap 技术通过精简带宽、收发天线数量等设计，实现了终端体积的大幅缩减以及功耗的有效控制。尤为值得一提的是，结合 eDRX 等先进的节能特性，RedCap 技术能够赋予设备超越 4G 时代的电池续航能力，为用户带来更为持久的使用体验。

六

RedCap 技术演进

随着工业无线传感器、智能电网等成本敏感、数据传输速率要求不高的物联网需求日益增加，3GPP 在 R18 版本中引入了 eRedCap 技术，进一步降低终端复杂度和成本，限制单用户峰值速率 10Mbps，如图 8 所示。eRedCap的终端能力对标的是 LTE Cat1/1bis，使得 5G 网络具备了承载这部分终端业务的能力。

在引入 eRedCap 技术后，无线网络将支持 eRedCap 用户的早期识别等新功能，核心网也将支持 eRedCap 的计费控制、策略控制等。RedCap 及 eRedCap 技术未来将进一步拓展物联网生态，向更低成本、更低能耗的应用场景演进。

七

总结与展望

随着业界对 RedCap 技术日益增长的关注与深入探索，该技术正稳步迈向成熟并拓宽其应用范围。RedCap 技术预期将在可穿戴设备、移动办公、智能家居等多个生活场景中大放异彩，显著提升民众的生活品质与日常便利性。此外，它还将为工业物联网、智慧城市构建及公共安全维护等领域注入更为高效、智能的解决方案，有力推动传统行业向数字化转型的迈进。展望未来，RedCap 技术无疑将成为加速 5G 时代万物智联新纪元到来的关键驱动力。