I. 引言
第五代（5G）移动通信技术旨在实现多样化的用例和服务，这些用例和服务具有国际电信联盟无线电通信部（ITU-R）制定的国际移动电信-2020（IMT-2020）框架中概述的各种要求。5G的三个主要用例类别分别是增强移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）和大规模机器型通信（mMTC）。为了满足这些用例的要求，第三代合作伙伴计划（3GPP）在Release 15中引入了5G NR无线接入技术。NR在Release 16中进一步增强，并在Release 17及以后不断发展。在Release 15和16中，主要关注的是eMBB和URLLC类型的服务。3GPP在Release 13中已经引入了两种技术，即MTC的LTE（LTE-M）和窄带物联网（NB-IoT），专注于mMTC的需求[1]。
存在一些新兴的“中程”物联网用例，目前可能无法由5G NR或LTE-M/NB-IoT最好地服务。这些用例的示例包括可穿戴设备、工业无线传感器和视频监控。一些RedCap用例今天已经可以通过低端LTE UE类别（例如Cat-1）得到充分服务，而在NR设备类型中并没有相应的设备类型。为了有效服务这些用例，它们对数据速率、设备成本、设备尺寸和设备电池寿命的要求介于eMBB、URLLC和mMTC之间，3GPP在Release 17中规定了对降低能力（RedCap）NR设备的支持。因此，RedCap可以继承NR的大多数关键优势，如支持非常广泛的频段，包括毫米波段，由于超精简设计而实现的网络能效，向前兼容和基于波束的空中接口，以及与5G核心网络（5GC）连接的能力。此外，与LTE解决方案相比，RedCap可以在NR载波上更好地与NR eMBB和URLLC共存，并为目前由LTE解决方案解决的用例提供平滑的LTE到NR迁移路径。
本文旨在从3GPP标准化的角度提供RedCap的概述。首先，我们描述RedCap用例及其具体要求。然后，我们描述在Release 17中标准化的降低成本和节能技术，以满足这些要求。我们还讨论了由于在NR网络中引入RedCap而产生的网络影响，具体包括共存、覆盖和容量影响。最后，我们总结指向一些可能在未来3GPP发布中进行的RedCap增强。
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II. 用例和要求
RedCap的技术工作是在3GPP Release 17中作为一个研究项目启动的。在研究项目阶段，确定了RedCap的三个参考物联网用例：可穿戴设备（例如智能手表、医疗监测设备、AR/VR眼镜等）、工业无线传感器（例如压力传感器、运动传感器、加速度计、执行器等）和视频监控（例如用于智能城市、工厂、工业等的监控摄像头）。这些用例的数据速率、延迟、可用性/可靠性和电池寿命的具体要求总结在表I中。显然，这些用例对数据速率和延迟的要求不像NR eMBB/URLLC那样苛刻，所需的电池寿命也不像mMTC那样长。从表I中可以注意到，对于不同的用例，要求是相当多样化的。然而，希望使用单一的RedCap设备类型支持所有这三个用例，以减少市场碎片化并最大化规模经济的好处。值得澄清的是，表I中的用例是代表性的用例。在实践中，RedCap支持具有类似要求集合的其他用例。
除了用例特定的要求之外，总的来说，RedCap设备还被设计为比高端eMBB和URLLC设备更低成本/复杂性和更小的设备尺寸。然而，RedCap并不适用于低功耗广域网（LPWA）用例，这些用例目前由LTE-M和NB-IoT解决。RedCap的目标覆盖要求与Release 15/16 NR设备相同。3GPP标准还应该支持在频率范围1（FR1，从0.4到7.1 GHz）和频率范围2（FR2，从24.2到52.6 GHz）中的所有频率分集双工（FDD）和时分复用（TDD）频段中部署RedCap。图1提供了RedCap用例的要求与eMBB、URLLC和mMTC用例的关系的示意图。上述讨论的要求对RedCap系统设计和标准化产生了深远的影响。在研究项目阶段，进行了研究，以确定可以在最小程度影响现有NR规范的情况下满足要求的技术解决方案。技术解决方案将在后续章节中详细阐述。研究的结果记录在TR 38.875中。研究项目阶段之后是工作项目阶段，导致在Release 17中对RedCap进行标准化。
III. 设备能力降级以下成本/复杂性降低特性已作为Release 17 RedCap工作项的标准化部分：
1、降低最大设备带宽。
2、降低设备的最小天线配置要求。
3、降低最小支持的下行（DL）MIMO层数。
4、放宽最大下行调制阶数。
5、在FDD频段支持半双工操作。
基准RedCap设备的能力与参考NR设备在表II中进行了比较。为了客观比较，假定最简单的Release 15 NR设备作为参考。表II中列出的一组降低的能力可以在FR1和FR2中分别将设备调制解调器的材料清单成本降低约65%和50%。有关成本降低分析和评估结果所使用的评估方法的详细信息可以找到。因此，表II中的降低能力特性可以在保持性能、规格和共存影响可控的同时实现大幅度的成本降低。降低设备能力，特别是天线配置，还有助于减小设备尺寸。对于具有基准（或最小）能力的RedCap设备，可实现的峰值物理层数据速率如下：
1、FR1 FD-FDD：在DL中约为85 Mbps，在上行（UL）中约为90 Mbps，假设子载波间隔（SCS）为15 kHz。对于HD-FDD，数据速率将较低，因为设备无法同时发送和接收。
2、FR1 TDD：在DL中约为60 Mbps，在UL中约为20 Mbps，假设SCS为30 kHz，DL/UL比例为3:1。
3、FR2 TDD：在DL中约为300 Mbps，在UL中约为100 Mbps，假设SCS为120 kHz，DL/UL比例为3:1。
图1：RedCap的要求与eMBB、URLLC和mMTC的相关要求
上述峰值数据速率足以满足RedCap的大多数预期用例的要求。RedCap设备还可以选择支持更高级的功能，例如最多2个接收分支和DL MIMO层数、256QAM和全双工FDD。支持这些可选功能的RedCap设备可以实现更高的峰值数据速率。然而，RedCap UE不能支持与FR1/FR2中的20/100 MHz以上的较大带宽、载波聚合、双连接、超过2个设备接收器/发射器分支或超过2个DL/UL MIMO层数相关的功能。这些限制是出于考虑设备成本和这些先进功能对于RedCap预期用例的不必要性的原因制定的。其他NR功能可以作为可选功能支持。
除了表II中主要涉及无线协议栈物理层的降低能力外，还为RedCap设备引入了以下高层的降低能力：• 将设备强制性支持的最大数据无线承载（DRB）数量从16减少到8。• 在确认模式下，与数据包会聚协议和无线链路控制层相关的分组数据单元的序列号（SN）长度从18位减少到12位。• 不强制支持自组织网络功能的自动邻区关系（ANR）功能。需要注意的是，RedCap设备可以选择支持16个DRB、18位SN或ANR。除了上述的成本/复杂性降低特性，RedCap还具备一些可用于节能的特性，这些将在下一部分讨论。
IV. 电池寿命增强
在Release 17中，为RedCap设备引入（或增强）了以下可延长电池寿命的省电技术。
A. RRC空闲和非活跃状态的扩展DRX
RRC空闲和非活动状态的扩展DRX设备与网络之间的数据流量通常是间歇性或突发性的，即存在持续活动的时期，然后是长时间的数据包到达不活动时期。在Release 15中引入的不连续接收（DRX）机制允许设备在这些不活动时期“休眠”。具体而言，在空闲和非活动的无线资源控制（RRC）状态下，配置有DRX的设备根据DRX周期在paging时机（们）监视DL控制通道（PDCCH），以接收paging消息的调度信息。设备可以在其余时间进入节能状态（例如关闭其接收器），从而显著减少功耗。在NR中，空闲和非活动状态下的DRX周期的最大值为2.56秒。
使用DRX存在设备功耗和DL延迟（或DL可达性）之间的权衡。然而，RedCap用例通常不会有像eMBB/URLLC用例那样紧密或确定性的延迟要求。因此，在Release 17中为RedCap规定了扩展DRX（eDRX），在RRC空闲状态下的DRX周期可达10485.76秒（即大约3小时），在RRC非活动状态下可达10.24秒。对于设备在从5GC角度来看处于连接状态的RRC非活动状态，从无线接入网络角度来看，eDRX周期长于10.24秒被认为是可行的。
然而，对于5GC方面需要进一步研究，因此，在RRC非活动状态下引入更长周期的考虑被推迟到Release 18中。图2显示了在空闲和非活动状态下不同eDRX周期下的设备电池寿命延长情况。图2中的结果表明，与非eDRX情况相比，几分钟的eDRX周期可以将电池寿命延长10到70倍，具体取决于数据的到达间隔（IAT）。因此，eDRX可以帮助满足对电池寿命要求最严格的RedCap用例，如工业无线传感器。
图2：不同eDRX周期和到达间隔时间下，RedCap设备在RRC空闲和非活动状态下的电池寿命
B. 用于静止设备的RRM（无线资源管理）放宽
RRM for stationary devices在RRC空闲和非活动状态下，设备需要频繁执行无线资源管理（RRM）测量，以确保设备连接到最佳可用小区。空闲和非活动状态下的RRM测量基于设备所在小区以及相邻小区接收到的参考信号功率（RSRP）和参考信号接收质量（RSRQ）值。这些测量，虽然有助于在设备建立连接后实现最佳服务质量，但即使设备与网络之间没有活动数据传输，也会耗尽电池。
因此，早在Release 15中，当所在小区的RSRP和RSRQ高于网络配置的一定阈值时，设备被允许跳过对相邻小区的RRM测量。在Release 16中，对于低移动性和非小区边缘场景引入了相邻小区RRM测量的额外放宽。更具体地说，当基于RSRP/RSRQ的低移动性条件在一段时间内得到满足，或当同时满足低移动性和非小区边缘条件时，设备被允许放宽相邻小区测量。在Release 17中，这些条件已被放宽，以允许静止RedCap设备更长时间的放宽。然而，与现有的Release 16功能相比，潜在的额外增益预计不会很显著。有关更详细的结果，请参阅中的附件E。在Release 17中，网络还可以为处于RRC连接状态的设备配置基于RSRP/RSRQ的静止条件，并且当满足或不再满足这个条件时，设备必须向网络报告。
除上述eDRX增强和RRM放宽功能外，在RedCap研究项目阶段还研究了通过较小数量的盲解码和控制通道元素限制减少设备对PDCCH监视的松弛技术。然而，由于估计的潜在功耗节约相对较小且在PDCCH阻塞率方面具有显著性能影响，这种技术未被纳入随后Release 17工作项的范围。与3GPP中Release 17 RedCap工作项的工作同时进行，还在一个单独的工作项中规定了用于普通类型的NR设备的节能增强措施。这些增强措施包括paging提前指示和动态搜索空间集切换，以及在Release 15和Release 16中标准化的节能技术，这些都作为可选功能也适用于RedCap设备。
V. 共存、覆盖和容量影响
在这里，我们讨论RedCap的各种系统影响和设计考虑因素。
A. 与其他NR设备的共存
确保RedCap与其他NR设备之间的共存是RedCap工作项中的关键设计目标之一。因此，RedCap设备被设计为与其他NR设备有效地共存。然而，在RedCap工作期间，发现了一些共存挑战。接下来，我们描述其中的两个主要挑战以及Release 17规范允许如何解决它们。
1) 识别RedCap设备：表II中列出的许多降低的能力可能会影响设备在随机接入过程中的调度方式，特别是当RedCap设备和其他NR设备部署在同一个NR载波上时。在NR中，网络通常只在设备与网络建立连接之后，也就是完成随机接入过程后才知道设备的能力信息。在那之前，网络仅使用所有设备都支持的最小能力调度设备。对于同时支持RedCap设备和其他NR设备的小区，网络可能需要基于RedCap设备的最小能力调度所有设备。为了克服这个限制并有效利用网络和设备资源，Release 17引入了一个指示，用于在随机接入过程中识别设备是否相对传统设备具有降低的能力。更具体地说，这个指示在随机接入过程的消息3（或消息A）中以Common Control Channel（CCCH）的RedCap特定逻辑信道ID值的形式提供。此外，如果在小区中配置了RedCap特定的物理随机接入通道（PRACH）资源，那么在消息1中也会隐含地提供这个指示。
2) 避免PUSCH资源碎片化：NR中的一个基本特性是所谓的带宽部分（BWP），它允许设备使用比小区载波带宽更窄的带宽运行。这也有助于降低设备的功耗，并支持具有不同带宽能力的设备。
通常情况下，设备不需要在其活动BWP跨越的频率范围之外进行传输或接收。随机接入过程是在系统信息中配置的初始UL/DL BWP上执行的。普通NR设备的初始BWP可以比RedCap设备支持的最大带宽（FR1/FR2中的20/100 MHz）宽得多。实际上，典型的网络配置是将UL BWP设置为与可用载波带宽一样宽，使PUCCH传输频率在载波的边缘之间跳跃。这有助于避免PUSCH资源的碎片化，并最小化由PUCCH传输引起的UL峰值数据速率的减小。需要注意的是，希望避免碎片化PUSCH资源，因为Release 15/16 NR设备通常不会支持非连续的PUSCH资源分配。
初始DL BWP可以配置为任何定义的带宽，最大可达设备带宽。对于Release 15/16 NR设备，它包含同步信号和PBCH块（SSB）的整个频率范围，以及具有ID = 0的控制资源集（CORESET#0），在TDD情况下，其中心频率与UL BWP对齐。由于小区中为普通NR设备配置的初始BWP可能对RedCap设备来说太宽，因此Release 17规范支持配置单独的RedCap特定初始UL和DL BWP。
然而，如果将单独的UL/DL BWP放置在载波的中心附近，来自该UL BWP边缘的RedCap设备的PUCCH传输可能导致对其他设备的PUSCH资源的碎片化。这个问题可能会加剧，因为在Release 17之前的规范中无法禁用初始UL BWP上的PUCCH频率跳跃。将单独的UL BWP放置在载波边缘附近可以最小化碎片化，但这可能导致TDD中UL和DL BWP之间的中心频率不对齐。将单独的DL BWP放置在载波边缘附近可能是不可能的，因为SSB和CORESET#0可能在载波的中间配置。
因此，为了缓解资源碎片化的问题，Release 17规范还支持在RedCap设备的单独初始UL BWP上禁用PUCCH频率跳跃，并且还支持在没有SSB和CORESET#0的情况下配置单独的初始DL BWP。这些增强功能使得可以在载波边缘附近放置单独的UL/DL BWP，从而在很大程度上避免了PUSCH资源碎片化问题。实际上，具有适当配置的UL/DL BWP对于初始接入期间和之后确保RedCap与普通NR设备之间的有效共存是很重要的。图3展示了当RedCap和其他NR设备部署在同一载波上时的一个示例网络配置。与此同时，从BWP配置的角度来看，存在一些权衡和设计考虑。具体而言，在配置灵活性、UL数据速率和信令开销之间进行权衡，可以考虑以下设计方面：
1、根据载波带宽、峰值数据速率要求、设备能力和流量活动，网络可以确定适用于RedCap的合适配置（例如UL/DL BWP的位置）。
2、从信令开销的角度来看，希望在RedCap和普通NR UE之间具有共享的BWP配置。特别是，通过在RedCap和普通NR设备之间共享DL BWP，无需提供额外的BWP配置和传输额外的SSB，这在信令开销、网络能效和小区间干扰方面都是有益的。
图3：RedCap和其他NR设备部署在同一NR载波上时的网络配置示例
除了上述解决共存挑战的增强功能之外，规范还提供了通信服务提供商通过系统信息（SIB1）中的指示阻止RedCap设备访问小区载波的能力。在网络超载的情况下，服务提供商可能希望为在小区中服务的其他NR设备优先分配可用的无线资源，或者可能怀疑允许RedCap设备访问可能会影响其他设备的性能。
B. 覆盖范围影响
在第三部分描述的设备功能降低可以降低设备成本和设备尺寸，但也可能对设备的覆盖范围产生不利影响。特别是，天线配置的减少和设备带宽的降低对覆盖范围的影响最大。因此，在研究项目的一部分进行了覆盖范围影响评估。覆盖范围影响评估是基于链路预算分析的。链路预算分析包括所有UL和DL物理控制和数据通道，包括携带随机接入消息的通道，如消息1（PRACH），消息2（PDSCH），消息3（PUSCH）和消息4（PDSCH），PUCCH，以及在公共搜索空间上进行PDCCH调度的消息2/4。分析考虑了不同的部署场景，如农村和城市（宏观和微观，其DL功率谱密度分别为33 dBm/MHz和24 dBm/MHz）在FR1中，以及在FR2中的室内场景。
链路预算分析中使用的度量是最大各向同性损耗（MIL），它捕捉基站和设备的波束形成增益以及路径损耗。每个RedCap设备的通道在部署场景中的目标覆盖要求被视为与相同部署场景中参考设备的最拥塞通道的MIL相同。瓶颈通道是MIL最低的通道，而参考设备是具有基线能力的Release 15/16 NR设备。也就是说，如果RedCap设备的任何通道的MIL低于参考设备的最低MIL，就需要对相应的通道进行覆盖恢复。对于特定通道的覆盖恢复所需的恢复量是该通道的MIL与参考设备的瓶颈通道的MIL之间的差异。
链路预算分析的结果可以总结如下：
1、在FR1和FR2中的UL中，可能不需要对任何通道进行覆盖恢复。
2、在FR1中的DL中，对于在城市微观场景中只有1个接收机分支的RedCap设备，可能需要对消息2进行覆盖恢复。在城市微观和城市宏观场景中，对于具有2个接收机分支的RedCap设备，可能不需要进行覆盖恢复。
3、在FR2中的DL中，覆盖恢复的需求取决于RedCap和参考设备的最大发射辐射功率（TRP）的选择。如果假定TRP为23 dBm，则可能需要对一些DL通道进行覆盖恢复（假设不减少天线元素的数量），例如消息2和消息4以及PDSCH。另一方面，如果假定TRP为12 dBm，则可能不需要对DL通道进行覆盖恢复。
值得注意的是，研究项目的链路预算分析假设RedCap设备在FR1中的发射机/接收机天线效率比参考设备差3 dB。这是为了捕捉更小的RedCap设备尺寸的影响，但这是一个保守的假设，因此在随后的工作项目中和上述链路预算分析的结果中并没有考虑这种假设。对于上述识别的通道的覆盖恢复，可以使用在Release 15/16中规定的技术（例如，消息2的TBS缩放，消息4和PDSCH的HARQ重传等）。此外，如果需要，Release 17中在一个单独的工作项目中规定的覆盖增强措施也可以使用。因此，作为RedCap工作项目的一部分，并没有规定新的覆盖恢复技术。
C. 容量影响
可能存在对RedCap设备的较低能力可能对系统性能产生负面影响的担忧，例如eMBB用户的较低吞吐量。为了评估这一点，进行了符合中的假设的系统级模拟。图4显示了eMBB用户的DL用户吞吐量作为小区负载的函数，其中红色曲线表示在FR1（2.6 GHz频段）中具有1个接收分支的RedCap设备的比例从0%到90%。
然而，UL吞吐量不受RedCap设备比例的增加的影响，因此这里不显示。从图4可以看出，对于具有良好无线链路质量的eMBB用户（95th百分位数，虚线曲线），DL用户吞吐量主要不受RedCap用户数量的影响。对于中位数用户（虚线曲线）和第5百分位数（实线曲线），可以看到随着负载和RedCap用户比例的增加，eMBB用户吞吐量略有下降。这是由于RedCap的较低频谱效率导致在给定的负载下资源利用率较高。
然而，根据中的流量建模假设，eMBB用户将产生每秒2×107比特（每200毫秒0.5 MB的有效负载），而RedCap用户将产生每秒4×105比特（每2秒0.1 MB的有效负载），这意味着RedCap用户的负载比eMBB用户低50倍。因此，吞吐量结果的任何差异首先在90%的RedCap用户比例下才能看到，而在一个小区中有90倍多的RedCap设备而不是eMBB设备可能并不是一个现实的情景。
VI. 结论和未来发展
为了扩大5G设备生态系统并满足中端IoT市场细分，该市场可能尚未得到现有NR标准的最佳服务，3GPP在Release 17中引入了RedCap。本文通过重点介绍3GPP标准如何实现符合中端IoT用例要求的设备设计，为RedCap提供了全面的概述。正如本文所强调的，与其他NR设备相比，RedCap设备的成本可能大大降低，尺寸更小，电池寿命更长，同时实现的数据速率更高，延迟更低，而LTE、LTE-M或NB-IoT等基于LTE的IoT设备。本文还阐明了当RedCap与其他NR设备部署在同一5G网络上时，标准如何实现良好的共存。此外，本文还描述了与降低设备功能相关的潜在覆盖范围和容量影响。
预计在3GPP Release 18中会进一步增强RedCap，该版本被定位为5G的首个先进版本，标志着5G的重大演进。Release 18对RedCap的增强将建立在Release 17奠定的基础之上。这些增强可能提供对Release 17用例的改进支持，以及支持扩展到新的用例段，例如智能电网。为了解决新的用例，3GPP已经同意进一步研究设备简化和电池寿命增强。然而，重要的是要确保在未来版本中保持RedCap生态系统的完整性，以便最大化规模经济的好处。
S-Lab深知5GRedCap技术的发展将深刻影响穿戴设备、医疗器械、工业自动化等领域。作为行业的先行者，无论您的业务领域是什么，我们都能够为您提供快速、可靠的检测服务，助您在市场竞争中取得成功。选择S-Lab，选择信赖与创新的结合，让我们共同开创行业发展的新篇章！
学术引用：
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