NR RedCap UE關鍵技術與標準化進展

徐霞艷

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G 三大應用場景包括增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）。3GPP Rel-15 以eMBB 為主，通過大帶寬、大規模天線等關鍵技術提供更高的峰值速率、頻譜效率和容量；Rel-15 也支持基本的uRLLC 應用，Rel-16則對uRLLC 進行了增強[1]。在Rel-15/Rel-16 所支持的eMBB、uRLLC 等應用場景之外，工業無線傳感器、視頻監控和可穿戴設備等中端物聯網用例對5G 終端提出了復雜度與成本降低、尺寸減小、能耗更低等特色要求。為此，3GPP Rel-17 階段開展新空口（NR,New Radio）低復雜度低成本終端（即RedCap UE）標準項目研究，希望研究定義新的終端類型，以更好地滿足這些用例的需求[2]。

本文首先對RedCap UE 的主要用例及指標需求進行了介紹；接著分析了RedCap UE 降低復雜度與成本、終端節能、終端指示與識別等關鍵技術，分析了降低復雜度與成本相關技術方案對RedCap UE 性能的影響；最后對RedCap UE 的標準化進展進行了介紹。

1 RedCap UE的用例與標準化目標

1.1 RedCap UE的主要用例

（1）工業無線傳感器

工業互聯網是5G 的重要目標場景，希望利用5G 將工業環境中的壓力傳感器、濕度傳感器、運動傳感器等各類傳感器和執行器連接到5G 網絡。在工業無線傳感器網絡用例中既包括對通信性能要求非常高的uRLLC 應用，也包括一些通信性能要求低于uRLCC 或eMBB，但要求終端尺寸較小、成本低、耗電低的相對低端應用。這些相對低端應用的性能要求又高于LTE eMTC（enhanced Machine-Type Communication，增強型機器類型通信）或NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯網）等低功耗廣域物聯網技術。

這類用例的主要需求和特征包括：通信可靠性99.99%，端到端時延＜100 ms，參考數據速率小于2 Mbit/s并以上行數據為主，設備靜止，要求電池使用時間很長（如幾年時間）[3-5]。

（2）視頻監控

5G 應用于城市管理、智慧農業或廠區監測等場景中的視頻監控，將推動管理與生產手段的創新和效率提升。通過將5G 終端模組與監控攝像頭集成，為視頻監控提供靈活、低成本的回傳手段。視頻監控用例要求5G 模組成本低，業務量以上行為主，其它主要需求還有：分辨率1080P 視頻的典型速率為2～4 Mbit/s，時延＜500 ms，通信可靠性99%～99.9%；4K 超高清視頻的速率則需要7.5～25 Mbit/s[3,6]。

（3）可穿戴設備

可穿戴設備包括智能手表、智能手環、醫療監控設備等，普遍要求設備體積小、功耗低。這類用例的關鍵指標要求包括：下行、上行參考數據速率分別為5～50 Mbit/s、2～5 Mbit/s；下行、上行峰值數據速率分別為150 Mbit/s、50 Mbit/s；要求設備耗電低、電池能工作數天甚至1 到2周時間。

上述幾類用例都需要終端能夠低復雜度與低成本地實現，并滿足終端小尺寸的要求：

1）低復雜度與低成本：與Rel-15/Rel-16 的eMBB或uRLLC 這類高端終端設備相比，這些用例中要求終端降低復雜度與成本。

2）終端小尺寸：需支持5G 終端/模組設備緊湊尺寸設計，以適應智能手表等用例中對設備空間的嚴苛要求。

1.2 RedCap UE標準化目標

2019 年12 月3GPP RAN 第86 次全會決定在Rel-17 版本開展NR RedCap UE 標準預研項目（即Study Item）[2]，其主要目標包括：面向上述RedCap UE 的主要用例，研究相對于Rel-16 eMBB 和uRLLC 降低UE 功能和性能要求，以降低UE 復雜度與成本，并相應定義新UE 類型（即RedCap UE）；研究評估引入RedCap UE對終端和網絡性能的影響以及克服這種影響的技術方案；考慮到部分用例對RedCap UE 耗電有嚴格要求，進一步研究終端節能的技術；為了讓網絡能夠識別出RedCap UE，研究RedCap UE 的指示與識別機制。

從UE 帶寬和數據速率這兩個關鍵能力來看，3GPP對RedCap UE 的定位介于NR eMBB UE 和LTE Cat1/Cat1bis 類型UE 之間（如表1），RedCap UE 的最低數據速率和帶寬能力應不低于LTE Cat1bis UE，因此RedCap UE 的帶寬應至少為20 MHz，下行、上行峰值數據速率應不低于10 Mbit/s 或5 Mbit/s[2]。

表1 NR/LTE不同終端類型的對比

2 NR RedCap UE的關鍵技術

2.1 NR eMBB UE的基本能力要求

面向eMBB 應用，為了提供更高的峰值速率、頻譜效率和網絡容量，3GPP Rel-15/Rel-16 標準和我國通信行業標準[8]均對eMBB UE 提出了較高的要求。針對NR 中低頻段（FR1 頻率范圍：即410—7 125 MHz），eMBB UE 的主要能力要求見表2。

表2 NR eMBB UE的主要能力要求[7-8]

100 MHz 載波帶寬、4 個接收鏈路（即4Rx）與4 流MIMO（Multi Input Multi Output，多輸入多輸出）傳輸、256QAM 調制和1 Gbit/s 以上的峰值速率等功能與性能指標，對終端的射頻器件和基帶芯片處理能力提出了較高要求，決定了eMBB UE 較高的復雜度與成本。

2.2 降低終端復雜度與成本的技術方案

針對RedCap UE，可考慮從UE 帶寬、多天線與MIMO、調制等方面降低能力要求，實現復雜度與成本的降低。在選擇具體技術方案時需遵循如下原則：

標準化工作量最小：盡可能復用3GPP Rel-15/Rel-16的標準設計（如接收同步廣播信息塊（SS/PBCH 塊）和系統信息SIB1 的機制），特別是對物理層的影響應最小。

性能滿足RedCap UE 用例要求：為了降低復雜度與成本，UE 的能力下降，但峰值速率、時延和可靠性等指標應能滿足RedCap UE 用例的要求。

網絡性能影響最小：引入RedCap UE 應能與Rel-15/Rel-16 常規eMBB UE 共存，對網絡性能的影響應最小。

考慮到5G 毫米波頻段尚未得到普遍應用，本文將集中于討論工作在FR1 頻率范圍的RedCap UE。

（1）降低UE 最大帶寬

基于標準化工作量最小原則，希望RedCap UE 能夠復用Rel-15 SS/PBCH 塊等設計。在FR1 頻率范圍內，SS/PBCH 塊的最大帶寬為7.2 MHz，用于調度SIB1 的CORESET0（Control Resource Set，控制資源集）的最大帶寬為17.28 MHz。因此，3GPP RAN1 建議FR1 頻段RedCap UE 的最大帶寬降為20 MHz。這樣RedCap UE 和常規eMBB UE 能共用相同的SS/PBCH 塊、CORESET0 和SIB1，實現共存。

降低UE 的最大帶寬可降低對UE 基帶處理能力的要求，基于3GPP 確定的UE 成本明細模型，最大帶寬從100 MHz 降為20 MHz，UE 成本可降低約30%[3]。

（2）減少UE Rx/Tx天線數量與降低MIMO層數

圖1 SSB/CORESET0/SIB1頻域帶寬示意

對FR1 頻率范圍的RedCap UE，接收鏈路可減少為1 個（1Rx）或2 個（2Rx），相應下行MIMO 降低為1層或2 層接收。

通過這種方式，降低了對UE 的射頻收發信機和部分基帶處理模塊的能力要求。基于3GPP 確定的UE 成本明細模型，對FR1 FDD（Frequency Division Duplex，頻分雙工）頻段，2Rx 降為1Rx，UE 成本可降低約37%；對FR1 TDD（Time Division Duplex，時分雙工）頻段，4Rx 降為2Rx 或1Rx，UE 成本可降低約40%或60%[3]。

（3）降低最高調制階數

FR1 頻率范圍的RedCap UE 下行鏈路最高調制階數可考慮從256QAM 降為64QAM。相應地，UE 成本可降低約6%[3]。

（4）半雙工FDD

與 全 雙 工FDD（FD-FDD，Full Duplex-Frequency Division Duplex）相比，采用半雙工FDD（HD-FDD，Half Duplex-Frequency Division Duplex）模式，RedCap UE 可在不同時刻分別在不同頻率上進行發射與接收，在實現上可采用較便宜的收-發天線開關和低通濾波器來替代較貴的雙工器。

在LTE 中，3GPP 為UE 定義了兩種HD-FDD 模式（Type A 和Type B）。基于3GPP 確定的UE 成本明細模型，NR RedCap UE 采用HD-FDD Type A 或Type B，UE 成本可降低約7%或10%[3]。

考慮到HD-FDD Type B 過于復雜，3GPP RAN 通過研究決定Rel-17 階段FDD RedCap UE 支持HD-FDD Type A 操作，并希望對標準的影響最小。

（5）放松UE處理時間

UE 從 接 收PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）到上行HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動重傳請求）反饋，以及從接收PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）對上行PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，物理上行共享信道）的調度到UE 發送PUSCH 之間，均需要一定的處理時間，UE 硬件的處理能力越高則該處理時間越短。3GPP Rel-15/Rel-16 定義了關于UE 處理時間的高、低兩種能力：能力1、能力2，其中能力1 要求較低[9]。

放松UE 處理時間的要求，即允許更長的處理時間，可放松對接收機處理模塊、LDPC 譯碼等基帶處理部分的要求，降低UE 的成本。將處理時間放松到UE 處理時間能力1 要求的兩倍，UE 成本可降低約6%[3]。

（6）多種技術方案的綜合

綜合采用上述多種技術方案，可最大程度地降低UE的復雜度與成本。參考3GPP 的研究[3]，不同技術組合可達到降低UE 成本的效果如下：

20 MHz 帶寬、1 個Rx 鏈路、單層接收、下行64QAM、上行16QAM：FR1 FDD、FR1 TDD 頻段UE成本可分別降低約60% 或70%。

20 MHz 帶寬、1 個Rx 鏈路、單層接收、下行64QAM、上行16QAM、放松UE 處理時間：FR1 FDD、FR1 TDD 頻段UE 成本可分別降低約61% 或72%。

20 MHz 帶寬、2 個Rx 鏈路、2 層MIMO 接收、HD-FDD Type A（只針對FDD 頻段）：FR1 FDD、FR1 TDD 頻段UE 成本可分別降低約40% 或56%。

由此可見，綜合采用多種降低UE 復雜度的技術，UE 的成本可以大幅下降，最高可下降70% 左右。

2.3 終端節能技術

3GPP Rel-15/Rel-16 已經引入了系列終端節能技術[11]，Rel-17 在終端節能增強標準項目[14]中還在進一步對終端節能技術進行增強。考慮到RedCap UE 的部分應用場景有其特殊性，比如部分工業無線傳感器用例中終端位置靜止或基本靜止，可以進一步考慮采取一些終端節能技術以延長電池的使用時間。3GPP 研究的潛在技術有[3]：

減少PDCCH 監測：UE 在RRC 連接態下需要監測PDCCH 以便及時接收基站對UE 的調度信息。通過降低每個時隙上要求UE 執行的PDCCH 盲檢最大次數、增大兩次PDCCH 監測之間的時間間隔（如幾個時隙）或動態調整PDCCH 盲檢的這類參數，可進一步降低PDCCH 監測所消耗的電量。

RRC空閑態或非激活態UE，擴展DRX（Discontinuous Reception，非連續接收）周期：Rel-15/Rel-16 NR 支持的最大尋呼周期為2.56 s，并支持UE 專用配置和小區公共配置尋呼周期。對非活躍的RedCap UE，頻繁的喚醒會消耗UE 的電量。可參考LTE/NBIOT 在3GPP Rel-13 引入的擴展DRX（eDRX）機制，增大DRX 周期，如至少10.24 s，甚至達到2 621.44 s 等長度。擴展DRX 周期能夠顯著節省UE 耗電[3]。

對固定類設備，放松RRM（Radio Resource Management，無線資源管理）要求：如果UE 位置靜止或者基本靜止，可以在不影響UE 移動性的性能情況下，適當放松對鄰區的測量要求（如加大RRM 測量周期），減少UE 耗電。3GPP 在Rel-16 支持的RRM 放松機制基礎上，進一步研究RedCap UE 在RRC 空閑態或非激活態、和RRC 連接態下放松RRC 測量的增強機制。

2.4 RedCap UE的類型定義、識別與接入限制

LTE 標準定義了眾多UE 類型（如LTE Cat0-Cat26）[7]。在NR RedCap UE 的標準預研中，業界普遍認為不應定義太多的類型，否則將造成產品的碎片化，不利于通過規模效應來降低成本。2021 年3 月在NR RedCap UE 標準項目立項時，3GPP 決定只定義一種RedCap UE 類型[13]。

希望RedCap UE 只應用在真正需要RedCap UE 的用例和場景中，避免在其它用例中濫用，造成網絡容量和頻譜效率的損失。為此，在RedCap UE 嘗試發起非預期的業務時，可由無線網或核心網基于RedCap UE 請求的業務類型、RedCap UE 的類型和RedCap UE 的簽約等信息，拒絕RedCap UE 獲得該業務。

RedCap UE 的能力不同于常規eMBB UE，網絡需要能夠識別出RedCap UE 以進行針對性的處理（如覆蓋補償）。根據RedCap UE 指示發生在隨機接入過程中的先后，RedCap UE 的識別可有多種方案。

方案1：在隨機接入的Msg1 傳輸時指示RedCap UE，如RedCap UE 和非RedCap UE 使用不同的PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）資源或PRACH 前導序列，或采用不同的初始上行BWP。

方案2：在隨機接入的Msg3 傳輸時指示RedCap UE。

方案3：在隨機接入的Msg4 之后指示RedCap UE，即在Msg 5 中或在UE 能力上報中指示RedCap UE。

方案4：在兩步隨接接入過程的MsgA 中指示RedCap UE。

方案1 能夠最早地指示與識別RedCap UE，有利于基站盡早對RedCap UE 進行針對性處理（如從Msg2 起即啟用覆蓋補償技術），但對物理層等標準的影響最大。從方案1 到方案2，RedCap UE 指示與識別發生得越晚，不利于基站盡早對RedCap UE 進行針對性處理，但對標準的影響也越小。

通過研究，在NR RedCap UE 標準項目立項時，決定選擇方案1 或方案2，如果UE 支持兩步隨接接入過程的話可考慮方案4，以盡早向網絡指示RedCap UE。

3 RedCap UE性能分析

RedCap UE 由于采用了上述降低終端復雜度與成本的技術方案，將對UE 的數據速率、覆蓋和傳輸時延等性能造成一定影響。

數據速率：UE 峰值速率隨UE 帶寬、MIMO 層數和最高調制階數的降低而相應下降。UE 最大帶寬從100 MHz降為20 MHz，峰值速率將降低約80%；MIMO 接收從4層降為1 層或2 層，峰值速率將降低約75% 或50%；最高調制階數從256QAM 降為64QAM，峰值速率將降低約25%。

基于3GPP TS36.306 中給出的UE 支持峰值數據速率計算方法，在20 MHz 帶寬FDD 載波、獨立組網方式、單層傳輸、64QAM 調制等條件下UE 峰值速率的理論計算結果見表3[7,12]。可以看到，峰值速率可以滿足RedCap UE 大多數用例的峰值速率要求。

表3 20 MHz帶寬、單層傳輸、64QAM調制的峰值數據速率

網絡容量與頻譜效率：當網絡中引入RedCap UE 與eMBB 用戶共存時，由于RedCap UE 的數據速率下降，對網絡容量和頻譜效率會有一定影響。影響的程度與RedCap UE 和eMBB 用戶的業務模型以及用戶比例等因素相關[3]。

覆蓋：在討論覆蓋補償時，重點針對可穿戴設備用例已經分析了由于設備尺寸限制引起的天線增益損失和對覆蓋的影響。對于降低終端復雜度與成本的各具體技術方案，UE 最大帶寬降低會影響頻率選擇性，對覆蓋有輕微影響；減少UE 接收天線數量將影響UE 的下行性能，對覆蓋也有一定影響；而降低最高調制階數對覆蓋沒有明顯影響。另外，HD-FDD 模式、放松UE 處理時間對覆蓋沒有明顯影響。

傳輸時延：HD-FDD 由于不能同時發送和接收，其傳輸時延會增大。放松UE 處理時間也會增大時延，但與具體用例和重傳的次數相關，比如在小區中心、信號強的條件下，無需重傳或重傳次數很少，則對時延的影響就比較小。降低UE 最大帶寬等其它技術方案對傳輸時延無明顯影響。

傳輸可靠性：總體上，上述各項降低終端復雜度與成本的技術對傳輸可靠性沒有明顯影響。

功耗：降低UE 最大帶寬、接收天線數量、MIMO層數和最高調制階數等要求，UE 基帶處理和射頻器件的功耗將相應降低，因此RedCap UE 的功耗應可降低。

4 RedCap UE標準化進展與展望

2021 年3 月3GPP 完成了NR RedCap UE 標準預研（Study Item）項目，通過研究確認了降低UE 的最大帶寬、接收天線數量、MIMO 層數和最高調制階數等能力要求，可以降低終端復雜度與成本，并在RedCap UE 終端節能、終端指示與識別等方面提出了一些技術方案。

在標準預研項目取得的研究成果基礎上，2021 年3月3GPP 正式通過了NR RedCap UE 標準化（即Work Item）項目的立項[13]，后續標準化工作將重點圍繞下述方向開展：

（1）降低UE 復雜度：在FR1 頻段，UE 最大帶寬為20 MHz；對要求常規Rel-15/Rel-16 eMBB UE 至少支持2Rx 鏈路的FR1 FDD 頻段和至少支持4Rx 鏈路的FR1 TDD 頻段，RedCap UE 最少支持1 個Rx 鏈路，規范也將支持2 個Rx 鏈路；在最高調制階數上，下行可選支持256QAM；對支持2Rx 的UE，要求支持2 流MIMO；支持Type A HD-FDD 操作。

（2）高層協議支持：協議將定義一種類型RedCap UE，支持對RedCap UE 的識別與接入限制等功能。在終端節能方面，除3GPP Rel-17 的終端節能增強標準項目[14]所引入的特性外，對RedCap UE 還將研究擴展DRX 周期、放松RRM 要求等機制以實現更節能的目標。

考慮到RedCap UE 的用例場景，3GPP 強調RedCap UE 將面向SA 獨立組網，采用單連接方式工作（即不支持載波聚合或雙連接技術）。

NR RedCap UE 標準化將在3GPP Rel-17 階段完成。在標準的指引下，產業界將開發符合NR RedCap UE 標準的5G 終端芯片/ 模組。面向工業無線傳感器、視頻監控和可穿戴設備等應用場景，NR RedCap UE 將以其低成本、低功耗、緊湊尺寸等特點，為5G 技術在這些場景中的應用開辟廣闊的空間。