基于5G 網絡的RedCap 部署方案研究

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 網絡建設和5G 應用發展方面均實現了全面領先。截至2023 年10 月末，我國已建設5G 基站321.2 萬個。5G 應用發展也進入快車道，5G在各行業的場景中開始發揮重要作用。在5G 與行業融合應用進一步發展過程中，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 工業物聯網等新應用場景要求的前提下，RedCap技術解決方案簡化了終端設計復雜度，簡化了5G 系統配置和相應的業務流程，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 商用網絡可以提供滿足中低速物聯網新應用場景的業務需求，有助于擴大5G 生態系統，使5G 得到更廣泛的應用。

關于RedCap 在終端側的技術方案已有很多[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，技術方案更精簡，具體包括：（1）降低功能復雜度，為節約終端成本，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，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 技術的核心價值在于它與NR 網絡的優秀特性相結合，即如何在運營商已經部署的5G 無線網絡基礎上引入RedCap 是一個關鍵問題[5]。本文首先分析RedCap 與無線網絡側相關的功能特性，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 后的無線網組網部署方案，包括無線網升級方案、參數配置方案、信令開銷策略以及網絡覆蓋策略等，最后給出RedCap 無線網部署建議。

1 RedCap 與無線網絡側相關的功能特性

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，且網絡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：系統信息中通過IFRI（IntraFreqReselectionRedCap：allowed,notAllowed）來指示是否允許RedCap UE 小區選擇（重選）到同頻小區，同時具備面向 1Rx/2Rx 的 RedCap UE 的接入允許/拒絕設置。

1.1.2 高層UE 能力識別與配置

在5G 系統中，RedCap 終端將與其他類型的5G 終端共享5G 無線網絡資源。由于與傳統eMBB UE 相比，RedCap UE 的能力不同，為了避免對現有終端的性能影響，5G 網絡應該能夠識別終端類型并限制RedCap 終端接入小區。網絡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度和優化的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。如果網絡側能夠在早期識別出RedCap 終端，則可以減少接入過程中RedCap 對網絡的影響，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 網絡在接入階段即能快速識別出RedCap 終端類型，從而及時采取相應策略。以四步RACH 為例，圖2 展示了5G 網絡能夠在Msg1、Msg3 以及傳統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，能夠保證網絡快速識別出RedCap 類型終端；Msg3 階段，通過終端攜帶的LCID，能夠保證網絡識別出Red-Cap 類型終端；通過傳統的終端能力上報，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特定于RedCap 的接入限制功能，并合理分配網絡資源以避免網絡過載。

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

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 信道的重復傳輸次數，多時隙傳輸一個傳輸塊（TB），PUSCH/PUCCH 信道的多時隙的聯合信道估計，以及消息3（Msg3 PUSCH）重復傳輸等。由于不屬于RedCap 特有的特性，本文不再贅述。

1.3 RedCap 低功耗及節能特性

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

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

3GPP 在Rel-15/Rel-16 階段已經引入了一系列終端節能技術，Rel-17 在終端節能增強標準項目中進一步引入增強的終端節能技術。考慮到RedCap UE 在某些應用場景的特殊性，例如在一些工業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能技術來延長電池壽命。3GPP 標準化涉及的潛在技術包括：（1）減少PDCCH 監控；（2）RRC 空閑或非活動UE，擴展DRX（不連續接收）周期；（3）對于固定設備，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 網絡中的一個獨特特性，在初始BWP配置上網絡在RedCap 終端高效接入以及與傳統5G 終端兼容共存方面均提供了強大支持。

與傳統5G 終端兼容共存方面，當系統從終端節能考慮為傳統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，系統可將傳統5G 終端初始BWP 配置提供給RedCap 終端，RedCap 終端和傳統5G 終端共享初始BWP。

RedCap 終端高效接入方面，系統可為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 上監聽尋呼。

（2）專用BWP

在專用BWP 配置上網絡著重在RedCap 終端高效接入上提供強大支持。網絡會為進入RRC 連接態的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 網絡側多BWP

面向對小區系統容量需求較大的多用戶并發類業務（如多路視頻監控等），如圖3 所示，系統可按需配置多BWP，最多可配置5 個BWP，充分應用5G 百兆大帶寬，從而實現對聚集性并發類業務的強大支持。

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 有豐富的業務場景，不同業務對網絡的需求存在明顯差異。基于QoS 的傳統網絡無法按照不同的業務需求進行獨立運營和安全隔離，實際也無法為所有業務提供高效的SLA 保障。

當前5G 網絡已普遍支持切片能力，RedCap UE 可借助5G 網絡現有的能力，較低成本地支持端到端的切片能力。在實現中，網絡側需要綜合考慮RedCap 的帶寬能力、業務需求、網絡負載等因素，綜合考慮切片的切分配置策略。

1.5.2 低時延

時延作為物聯網場景中重要的特性，在工業無線傳感器、智能電網等應用場景中要求較為嚴格。RedCap可以結合URLLC 能力，通過低成本方案實現低時延或超低時延的終端網絡接入。為實現低時延特性，RedCap引入以下幾個方面技術：

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

（2）為確保網絡側快速識別RedCap 終端類型，實現終端高效接入網絡，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 進行服務小區的測量等。

1.5.3 低功耗/高精度定位

高精度定位系統需要做到室內、室外位置信息的無縫銜接。現有的主流定位技術，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、體育場館等室內場景下實現了規模化應用，但在面對室內、室外定位銜接時，均需要通過技術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模推廣。

在定位技術方面，可通過跳頻等技術擴展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 產品，如屬于室內固定型產品，應支持獲取CELL-ID 進行基站定位的能力；對于室外移動型產品，應支持基于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 無線網組網部署方案

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

2.1 無線網升級方案

網絡支持RedCap 終端可采用兩種方式升級：

（1）網絡以R16 基線協議版本為基礎，選擇R17 RedCap 的特定CR 升級；

（2）網絡升級R17 基線協議版本，支持RedCap。

R17 RedCap 協議在設計上有良好的兼容R15/16 NR協議版本的能力。R16 基線+R17 特定CR 的網絡升級方式，通過信令層面進行專用配置，可使網絡識別RedCap UE，并為RedCapUE 配置RedCap 獨立初始BWP 或專用BWP 等，可保證RedCap UE 正常工作。但R16 基線+R17特定CR 的升級方式，適用于網絡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，建議網絡采用全面升級R17 基線協議版本的方式。

對于Rel-16 網絡，根據協議設計思路應不允許Red-Cap 終端接入。根據Rel-17 協議的要求，RedCap 終端需要讀取系統信息中的intraFreqReselectionRedCap、cellBarredRedCap-r17 等參數后，才能夠駐留到支持Red-Cap 的網絡。Rel-16 的小區不會廣播相關的信息，Red-Cap 終端認為小區是不支持RedCap 的，不能駐留到Rel-16 小區。對于連接態RedCap 終端，進行切換的接納和判決時，系統不會把RedCap 終端切換到Rel-16 的小區。

按照適度超前的原則，分階段、分區域推進5G Red-Cap 商用，加快5G RedCap 在主要城市的連片覆蓋，提高廣域物聯網業務的連續性和可靠性，支持更多應用場景的接入。推動5G RedCap 技術在行業虛擬專用網絡中的應用，提高5G 物聯網能力，更好地適應行業特點，滿足應用需求[10]。

2.2 參數配置方案

RedCap 在基站側可以通過現網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 網絡帶來的最大影響是，在隨機接入過程中以及設備保持連接時，網絡必須適配Red-Cap 的特定功能。

基站側需要支持RedCap 類型終端特性的功能，包括帶寬、天線數、調制階數、BWP 配置、RedCap 終端識別等功能。基站需要考慮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 終端共存于網絡中，不同特性的終端對網絡的處理和調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量。射頻天線的影響主要體現在網絡覆蓋上。而RedCap 接入大帶寬網絡后，需要新增NCDSSB 以及小帶寬BWP 等網絡參數配置，其對網絡參數配置的影響分析如下。

（1）RedCap NCD-SSB 相關參數配置以及影響

RedCap NCD-SSB 可通過RRC 信令中的信元下發配置，具體配置涉及NCD-SSB 的頻點、周期以及相對CDSSB 的時間偏置；當網絡配置NCD-SSB 后，會導致PDSCH 信道可用RB 減少，進而影響網絡下行容量。需要考慮對NCD-SS 相關參數配置進行優化。

（2）RedCap BWP 的頻域位置配置以及相關影響

RedCap BWP 的頻域位置對普通NR 終端的體驗會產生影響。其影響主要體現在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 數據信道，導致PUSCH 可用的連續RB 下降。對于不支持上行非連續調度的普通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 優先配置在小區頻域位置的兩端，降低普通NR 終端的PUSCH 資源的碎片化。

2.3 信令開銷策略

頻譜是蜂窩網絡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度不同用戶的數據傳輸，以實現高用戶吞吐量和高系統容量。下行鏈路和上行鏈路都是如此，但上行鏈路調度帶來了額外的挑戰，因為每個設備可能只能利用在頻域中連續的上行鏈路資源分配。

由于RedCap 設備的最大帶寬可能遠小于小區總帶寬，因此在小區中部署RedCap 和常規（非RedCap）設備時，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設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頻率分配上快速傳輸數據，而是被迫在更長的時間段內以更窄的帶寬分配進行傳輸。這可能導致常規設備的上行鏈路峰值數據速率顯著降低。

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

首先，網絡可以配置RedCap 特定的初始帶寬部分（BWP），該BWP 與常規設備使用的初始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信息的普通周期性下行鏈路傳輸的情況下對其進行配置，從而避免額外的信令開銷。

其次，網絡可以對來自RedCap 設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 結論

隨著標準研究的不斷完善和相關行業的不斷發展，RedCap 作為5G 物聯網愿景中的重要一步，將進一步進入垂直行業和日常生活。本文結合網絡實際情況，分析了RedCap 部署的相關問題，可為國內運營商和相關部門在方案制定和工程實施中提供參考。