閆 飛

（中國電信集團有限公司，北京 100032）

0 引言

5G 商用三年以來，我國在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和5G 應(yīng)用發(fā)展方面均實現(xiàn)了全面領(lǐng)先。截至2023 年10 月末，我國已建設(shè)5G 基站321.2 萬個。5G 應(yīng)用發(fā)展也進入快車道，5G在各行業(yè)的場景中開始發(fā)揮重要作用。在5G 與行業(yè)融合應(yīng)用進一步發(fā)展過程中，5G 全能力終端性價比低，5G終端芯片和模組成本高、落地難等問題也越來越突出。

RedCap（Reduced Capability）是一種輕量級5G 終端，是5G Rel-17 版本中定義的一種新終端類型。在滿足5G 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用場景要求的前提下，RedCap技術(shù)解決方案簡化了終端設(shè)計復(fù)雜度，簡化了5G 系統(tǒng)配置和相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程，達到了降低RedCap 終端芯片和模塊成本、降低終端功耗的目的。5G 商用網(wǎng)絡(luò)可以提供滿足中低速物聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求，有助于擴大5G 生態(tài)系統(tǒng)，使5G 得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)于RedCap 在終端側(cè)的技術(shù)方案已有很多[1-4]。例如文獻[1]提出，RedCap 終端相對于5G NR 做了很多精簡化和定制化，技術(shù)方案更精簡，具體包括：（1）降低功能復(fù)雜度，為節(jié)約終端成本，RedCap 減少終端帶寬，在Sub 6 GHz 頻段下將最大帶寬從100 MHz 收窄為20 MHz；（2）減少終端接收天線和MIMO 層數(shù)，從典型4 天線接收減少為2 天線或1 天線接收；（3）允許終端支持半雙工模式等。

人們普遍認為，這種輕量級5G 技術(shù)的核心價值在于它與NR 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)秀特性相結(jié)合，即如何在運營商已經(jīng)部署的5G 無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上引入RedCap 是一個關(guān)鍵問題[5]。本文首先分析RedCap 與無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)相關(guān)的功能特性，例如基本接入功能、覆蓋功能，容量增強特性、低功耗特性及其他增強特性等，提出了引入RedCap 后的無線網(wǎng)組網(wǎng)部署方案，包括無線網(wǎng)升級方案、參數(shù)配置方案、信令開銷策略以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略等，最后給出RedCap 無線網(wǎng)部署建議。

1 RedCap 與無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)相關(guān)的功能特性

1.1 RedCap 基本接入功能

RedCap 的基本接入功能，主要包括無線接入、高層UE 能力識別與配置以及RedCap UE 早期識別等[6-7]。

1.1.1 無線接入

RedCap UE 可駐留于支持RedCap UE 的小區(qū)，且網(wǎng)絡(luò)可以針對不同類型的RedCap UE（如1Rx/2Rx）終端進行限制，如圖1 所示。

圖1 面向RedCap 的接入控制特性

具體特性包括：系統(tǒng)信息中通過IFRI（IntraFreqReselectionRedCap：allowed,notAllowed）來指示是否允許RedCap UE 小區(qū)選擇（重選）到同頻小區(qū)，同時具備面向 1Rx/2Rx 的 RedCap UE 的接入允許/拒絕設(shè)置。

1.1.2 高層UE 能力識別與配置

在5G 系統(tǒng)中，RedCap 終端將與其他類型的5G 終端共享5G 無線網(wǎng)絡(luò)資源。由于與傳統(tǒng)eMBB UE 相比，RedCap UE 的能力不同，為了避免對現(xiàn)有終端的性能影響，5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠識別終端類型并限制RedCap 終端接入小區(qū)。網(wǎng)絡(luò)需要能夠識別用于目標處理（例如覆蓋補償）的RedCap UE。

3GPP 通過R17 中新定義的UE 特征組FG 28-1 來表示R17 RedCap UE。通過UE 能力報告，基站可以獲得用于有針對性的調(diào)度和優(yōu)化的RedCap 用戶類型。

1.1.3 RedCap UE 早期識別

RedCap 用戶可以支持在隨機訪問過程中進行早期識別。如果網(wǎng)絡(luò)側(cè)能夠在早期識別出RedCap 終端，則可以減少接入過程中RedCap 對網(wǎng)絡(luò)的影響，從而避免對Legacy UE 性能的影響。

終端的早期識別特性有助于使5G 網(wǎng)絡(luò)在接入階段即能快速識別出RedCap 終端類型，從而及時采取相應(yīng)策略。以四步RACH 為例，圖2 展示了5G 網(wǎng)絡(luò)能夠在Msg1、Msg3 以及傳統(tǒng)的能力上報階段識別出RedCap 終端類型。對于Msg1 階段，通過針對PRACH 在時域（PRACH occasion）或碼域（PRACH preamble）的分割，能夠保證網(wǎng)絡(luò)快速識別出RedCap 類型終端；Msg3 階段，通過終端攜帶的LCID，能夠保證網(wǎng)絡(luò)識別出Red-Cap 類型終端；通過傳統(tǒng)的終端能力上報，也可以識別出RedCap 類型終端。對于兩步RACH 來說，需要在Msg A PRACH 中執(zhí)行對RedCap 終端的早期識別。5G基站可以通過RRC 拒絕連接、RRC 連接釋放和基于UE的接入限制機制等實現(xiàn)特定于RedCap 的接入限制功能，并合理分配網(wǎng)絡(luò)資源以避免網(wǎng)絡(luò)過載。

圖2 面向RedCap 的終端識別特性

1.2 RedCap 覆蓋特性

對于移動通信，覆蓋能力是最重要的關(guān)鍵指標。RedCap 終端應(yīng)用的3 個典型場景包括可穿戴設(shè)備、工業(yè)傳感器以及視頻監(jiān)控。其中工業(yè)傳感器主要應(yīng)用在工廠的室內(nèi)場景，可以認為覆蓋問題不是瓶頸。但視頻監(jiān)控類設(shè)備雖然是固定安裝，但存在著位于小區(qū)邊緣或者室外覆蓋室內(nèi)的場景。特別是對于可穿戴設(shè)備，一方面存在移動性，另一方面可穿戴設(shè)備的尺寸一般比較小，天線效率會隨之降低。因此當可穿戴設(shè)備類終端工作在較高頻段，處于小區(qū)邊緣位置時，覆蓋增強技術(shù)對于RedCap 可穿戴類設(shè)備是至關(guān)重要的。

3GPP 在R17 為上行物理信道的傳輸引入了多個覆蓋增強特性，這些特性可以用于RedCap。主要包括增加PUSCH 和PUCCH 信道的重復(fù)傳輸次數(shù)，多時隙傳輸一個傳輸塊（TB），PUSCH/PUCCH 信道的多時隙的聯(lián)合信道估計，以及消息3（Msg3 PUSCH）重復(fù)傳輸?shù)取Ｓ捎诓粚儆赗edCap 特有的特性，本文不再贅述。

1.3 RedCap 低功耗及節(jié)能特性

針對部分RedCap 產(chǎn)品兼顧低成本、低功耗、長待機的性能需求，RedCap 定義了多項降低功耗的技術(shù)標準。RedCap 首先延續(xù)了R15/R16 階段一系列5G 終端節(jié)能技術(shù)，包括降低對PDCCH 控制信道監(jiān)聽的連接態(tài)下不連續(xù)接收（C-DRX）、喚醒信號Wake Up Signal（WUS）等。

SDT（小數(shù)據(jù)包傳輸）功能也屬于減低功耗的相關(guān)特性之一，定義了RRC INACTIVE 狀態(tài)下的小數(shù)據(jù)包傳輸方式，減少終端在日常使用中的連接態(tài)占比。

3GPP 在Rel-15/Rel-16 階段已經(jīng)引入了一系列終端節(jié)能技術(shù)，Rel-17 在終端節(jié)能增強標準項目中進一步引入增強的終端節(jié)能技術(shù)。考慮到RedCap UE 在某些應(yīng)用場景的特殊性，例如在一些工業(yè)無線傳感器使用情況下，終端位置是靜止的或基本靜止的，還可以進一步考慮采用一些終端節(jié)能技術(shù)來延長電池壽命。3GPP 標準化涉及的潛在技術(shù)包括：（1）減少PDCCH 監(jiān)控；（2）RRC 空閑或非活動UE，擴展DRX（不連續(xù)接收）周期；（3）對于固定設(shè)備，放寬RRM（無線電資源管理）要求等。由于不屬于RedCap 特有的特性，本文不再贅述。

1.4 RedCap UE 容量特性

1.4.1 RedCap UE 與eMBB UE 高效共存

（1）初始BWP

BWP 作為5G 網(wǎng)絡(luò)中的一個獨特特性，在初始BWP配置上網(wǎng)絡(luò)在RedCap 終端高效接入以及與傳統(tǒng)5G 終端兼容共存方面均提供了強大支持。

與傳統(tǒng)5G 終端兼容共存方面，當系統(tǒng)從終端節(jié)能考慮為傳統(tǒng)5G 終端配置初始BWP 不超過20 MHz 時，從兼容共存和資源共用考慮，系統(tǒng)可將傳統(tǒng)5G 終端初始BWP 配置提供給RedCap 終端，RedCap 終端和傳統(tǒng)5G 終端共享初始BWP。

RedCap 終端高效接入方面，系統(tǒng)可為RedCap 終端配置獨立上/下行初始BWP，可以保證RedCap 終端在獨立下行初始BWP 上監(jiān)聽尋呼、在獨立上行初始BWP 隨機接入，當獨立下行初始BWP 包含CD-SSB 時，RedCap終端也可以在獨立下行初始BWP 上監(jiān)聽尋呼。

（2）專用BWP

在專用BWP 配置上網(wǎng)絡(luò)著重在RedCap 終端高效接入上提供強大支持。網(wǎng)絡(luò)會為進入RRC 連接態(tài)的Red-Cap 終端配置獨立上行或下行專用BWP，同時在下行專用BWP 不包含CD-SSB 時，可為專用BWP 配置NCDSSB，能夠保證RedCap 終端在當前BWP 下基于NCDSSB 進行RLM、BFD 等測量。

1.4.2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)多BWP

面向?qū)π^(qū)系統(tǒng)容量需求較大的多用戶并發(fā)類業(yè)務(wù)（如多路視頻監(jiān)控等），如圖3 所示，系統(tǒng)可按需配置多BWP，最多可配置5 個BWP，充分應(yīng)用5G 百兆大帶寬，從而實現(xiàn)對聚集性并發(fā)類業(yè)務(wù)的強大支持。

圖3 面向RedCap 的專用多BWP 配置特性

1.5 RedCap 其他增強特性

1.5.1 支持切片

考慮到RedCap 有豐富的業(yè)務(wù)場景，不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求存在明顯差異?；赒oS 的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法按照不同的業(yè)務(wù)需求進行獨立運營和安全隔離，實際也無法為所有業(yè)務(wù)提供高效的SLA 保障。

當前5G 網(wǎng)絡(luò)已普遍支持切片能力，RedCap UE 可借助5G 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的能力，較低成本地支持端到端的切片能力。在實現(xiàn)中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要綜合考慮RedCap 的帶寬能力、業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)負載等因素，綜合考慮切片的切分配置策略。

1.5.2 低時延

時延作為物聯(lián)網(wǎng)場景中重要的特性，在工業(yè)無線傳感器、智能電網(wǎng)等應(yīng)用場景中要求較為嚴格。RedCap可以結(jié)合URLLC 能力，通過低成本方案實現(xiàn)低時延或超低時延的終端網(wǎng)絡(luò)接入。為實現(xiàn)低時延特性，RedCap引入以下幾個方面技術(shù)：

（1）RedCap 可采用上行免調(diào)度傳輸，PDSCH 傳輸采用低碼率MCS 表格、PDSCH/PUSCH 時隙級重復(fù)發(fā)送等技術(shù)支持URLLC 相關(guān)增強功能。同時上/下行非時隙（non-slot）調(diào)度、PDCCH 高聚合等級等也可作為額外可選的技術(shù)要求。

（2）為確保網(wǎng)絡(luò)側(cè)快速識別RedCap 終端類型，實現(xiàn)終端高效接入網(wǎng)絡(luò)，RedCap 提出終端識別要求，包括基于Msg 和Msg3 的提前識別功能。此外兩步隨機接入過程中，還包括基于MsgA PRACH 和MsgA PUSCH 的提前識別機制。

（3）由于RedCap 頻譜帶寬能力的限制，為避免受資源碎片化及資源擁塞的影響，RedCap 提供了多種BWP 功能特性。初始上行BWP 可禁用RedCap 設(shè)備的PUCCH 跳頻，以及配置獨立的公共PUCCH 資源來緩解資源碎片化問題。同時RRC 配置獨立的上/下行專用BWP，為下行專用BWP 配置NCD-SSB 進行服務(wù)小區(qū)的測量等。

1.5.3 低功耗/高精度定位

高精度定位系統(tǒng)需要做到室內(nèi)、室外位置信息的無縫銜接。現(xiàn)有的主流定位技術(shù)，如UWB、WiFi 和藍牙，由于定位精度、信號穿透能力、部署成本的差異，分別在家居、商超、體育場館等室內(nèi)場景下實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，但在面對室內(nèi)、室外定位銜接時，均需要通過技術(shù)融合的方式來補齊室外定位。所以，5G RedCap 融合定位是重要的解決方案。此外，5G 定位終端的成本和功耗降低也有利于規(guī)模推廣。

在定位技術(shù)方面，可通過跳頻等技術(shù)擴展RedCap SRS 上行參考信號帶寬（如圖4 所示），提供米級及更高定位精度的定位能力。

圖4 RedCap 定位方案示意

支持定位功能的RedCap 產(chǎn)品，如屬于室內(nèi)固定型產(chǎn)品，應(yīng)支持獲取CELL-ID 進行基站定位的能力；對于室外移動型產(chǎn)品，應(yīng)支持基于GNSS 和A-GNSS 的定位能力（如果支持GNSS，則需包含GPS 和北斗支持能力）。

2 RedCap 無線網(wǎng)組網(wǎng)部署方案

RedCap 的部署主要涉及在建基站和現(xiàn)有基站的軟件升級，不涉及修改或引入新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然而，Red-Cap 技術(shù)的引入會對接入管理、資源管理、信令開銷、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面產(chǎn)生影響。因此，如何確保網(wǎng)絡(luò)采用匹配的管理策略，同時避免對非RedCap 終端的負面影響，將成為運營商網(wǎng)絡(luò)運營和優(yōu)化的下一步重點[8-9]。

2.1 無線網(wǎng)升級方案

網(wǎng)絡(luò)支持RedCap 終端可采用兩種方式升級：

（1）網(wǎng)絡(luò)以R16 基線協(xié)議版本為基礎(chǔ)，選擇R17 RedCap 的特定CR 升級；

（2）網(wǎng)絡(luò)升級R17 基線協(xié)議版本，支持RedCap。

R17 RedCap 協(xié)議在設(shè)計上有良好的兼容R15/16 NR協(xié)議版本的能力。R16 基線+R17 特定CR 的網(wǎng)絡(luò)升級方式，通過信令層面進行專用配置，可使網(wǎng)絡(luò)識別RedCap UE，并為RedCapUE 配置RedCap 獨立初始BWP 或?qū)Ｓ肂WP 等，可保證RedCap UE 正常工作。但R16 基線+R17特定CR 的升級方式，適用于網(wǎng)絡(luò)R17 功能尚未成熟的RedCap 試驗階段。在R17 功能成熟商用階段，為減少版本迭代，建議網(wǎng)絡(luò)采用全面升級R17 基線協(xié)議版本的方式。

對于Rel-16 網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)協(xié)議設(shè)計思路應(yīng)不允許Red-Cap 終端接入。根據(jù)Rel-17 協(xié)議的要求，RedCap 終端需要讀取系統(tǒng)信息中的intraFreqReselectionRedCap、cellBarredRedCap-r17 等參數(shù)后，才能夠駐留到支持Red-Cap 的網(wǎng)絡(luò)。Rel-16 的小區(qū)不會廣播相關(guān)的信息，Red-Cap 終端認為小區(qū)是不支持RedCap 的，不能駐留到Rel-16 小區(qū)。對于連接態(tài)RedCap 終端，進行切換的接納和判決時，系統(tǒng)不會把RedCap 終端切換到Rel-16 的小區(qū)。

按照適度超前的原則，分階段、分區(qū)域推進5G Red-Cap 商用，加快5G RedCap 在主要城市的連片覆蓋，提高廣域物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可靠性，支持更多應(yīng)用場景的接入。推動5G RedCap 技術(shù)在行業(yè)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，提高5G 物聯(lián)網(wǎng)能力，更好地適應(yīng)行業(yè)特點，滿足應(yīng)用需求[10]。

2.2 參數(shù)配置方案

RedCap 在基站側(cè)可以通過現(xiàn)網(wǎng)版本的軟件升級來支持，對BBU、RRU 的硬件沒有影響，BBU 軟件升級支持RedCap。RedCap 給5G 網(wǎng)絡(luò)帶來的最大影響是，在隨機接入過程中以及設(shè)備保持連接時，網(wǎng)絡(luò)必須適配Red-Cap 的特定功能。

基站側(cè)需要支持RedCap 類型終端特性的功能，包括帶寬、天線數(shù)、調(diào)制階數(shù)、BWP 配置、RedCap 終端識別等功能?；拘枰紤]RedCap 的BWP 配置，RedCap 終端有最大20 MHz 帶寬的要求，基站需要為RedCap 終端配置相應(yīng)的初始上/下行BWP，以及專用BWP。隨著引入Red-Cap 終端，non-RedCap 終端與RedCap 終端共存于網(wǎng)絡(luò)中，不同特性的終端對網(wǎng)絡(luò)的處理和調(diào)度提出了更高的要求。

RedCap 終端與NR 普通終端的主要差異在于帶寬能力和射頻天線數(shù)量。射頻天線的影響主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋上。而RedCap 接入大帶寬網(wǎng)絡(luò)后，需要新增NCDSSB 以及小帶寬BWP 等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，其對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置的影響分析如下。

（1）RedCap NCD-SSB 相關(guān)參數(shù)配置以及影響

RedCap NCD-SSB 可通過RRC 信令中的信元下發(fā)配置，具體配置涉及NCD-SSB 的頻點、周期以及相對CDSSB 的時間偏置；當網(wǎng)絡(luò)配置NCD-SSB 后，會導致PDSCH 信道可用RB 減少，進而影響網(wǎng)絡(luò)下行容量。需要考慮對NCD-SS 相關(guān)參數(shù)配置進行優(yōu)化。

（2）RedCap BWP 的頻域位置配置以及相關(guān)影響

RedCap BWP 的頻域位置對普通NR 終端的體驗會產(chǎn)生影響。其影響主要體現(xiàn)在RedCap BWP 上獨立配置的PUCCH/PRACH 等控制信道資源會截斷普通NR 終端的PUSCH 數(shù)據(jù)信道，導致PUSCH 可用的連續(xù)RB 下降。對于不支持上行非連續(xù)調(diào)度的普通NR 終端，這會導致其上行速率顯著降低。為了降低對普通NR 終端的上行體驗的影響，建議將RedCap 小帶寬BWP 優(yōu)先配置在小區(qū)頻域位置的兩端，降低普通NR 終端的PUSCH 資源的碎片化。

2.3 信令開銷策略

頻譜是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶之間共享的基本資源。在每個時隙中，基站試圖在頻域中高效地調(diào)度不同用戶的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)高用戶吞吐量和高系統(tǒng)容量。下行鏈路和上行鏈路都是如此，但上行鏈路調(diào)度帶來了額外的挑戰(zhàn)，因為每個設(shè)備可能只能利用在頻域中連續(xù)的上行鏈路資源分配。

由于RedCap 設(shè)備的最大帶寬可能遠小于小區(qū)總帶寬，因此在小區(qū)中部署RedCap 和常規(guī)（非RedCap）設(shè)備時，一個潛在的共存問題是上行鏈路資源碎片。如果這種資源碎片阻止常規(guī)設(shè)備利用整個可用帶寬，則它們可能無法在上行鏈路中的寬連續(xù)頻率分配上快速傳輸數(shù)據(jù)，而是被迫在更長的時間段內(nèi)以更窄的帶寬分配進行傳輸。這可能導致常規(guī)設(shè)備的上行鏈路峰值數(shù)據(jù)速率顯著降低。

有兩種機制可以有效減少由于RedCap 設(shè)備的傳輸而導致的常規(guī)5G NR 設(shè)備的上行鏈路資源碎片。

首先，網(wǎng)絡(luò)可以配置RedCap 特定的初始帶寬部分（BWP），該BWP 與常規(guī)設(shè)備使用的初始BWP 分離。由于特定于RedCap 的初始BWP 僅在初始接入期間短暫使用，因此可以在沒有同步信號和系統(tǒng)信息的普通周期性下行鏈路傳輸?shù)那闆r下對其進行配置，從而避免額外的信令開銷。

其次，網(wǎng)絡(luò)可以對來自RedCap 設(shè)備的所有傳輸禁用跳頻，以進一步減少上行鏈路資源碎片。在常規(guī)5G NR 中，可以使用跳頻進行多次傳輸，以提高在傳播條件不理想的情況下成功接收的概率。然而，當傳輸在不同頻率之間跳變時，可能會導致不希望的資源碎片，因此對于RedCap 設(shè)備，可以對該傳輸禁用跳頻（具體地說，在初始接入過程期間，在所謂的物理上行鏈路控制信道（PUCCH）上傳輸1bit 確認），如圖5 所示，以最小化上行鏈路資源碎片。

圖5 RedCap 場景下公共PUCCH 不跳頻配置

3 結(jié)論

隨著標準研究的不斷完善和相關(guān)行業(yè)的不斷發(fā)展，RedCap 作為5G 物聯(lián)網(wǎng)愿景中的重要一步，將進一步進入垂直行業(yè)和日常生活。本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實際情況，分析了RedCap 部署的相關(guān)問題，可為國內(nèi)運營商和相關(guān)部門在方案制定和工程實施中提供參考。