本文介紹了從4G LTE到5G New Radio(NR)的進展、當(dāng)前和未來的標準，以及5G NR RedCap對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要性。

蜂窩通信行業(yè)正處于兩代蜂窩通信技術(shù)之間的過渡期，即正從4G LTE向5G New Radio(NR)過渡。盡管全行業(yè)為開發(fā)下一代蜂窩通信標準付出了諸多努力，但部署過程一直都相對較慢。鑒于此，與之前的過渡期（例如從3G到4G）非常相似，預(yù)計這兩項技術(shù)仍然將繼續(xù)共存數(shù)年。

當(dāng)3GPP在版本15中制定第一個5G NR技術(shù)規(guī)范時，行業(yè)主要側(cè)重于發(fā)展增強型移動寬帶(eMBB)，其主要目標是滿足消費者對高速移動和固定無線互聯(lián)的需求。eMBB從來就不是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求而設(shè)計的。

因此，面向物聯(lián)網(wǎng)市場的4G LTE設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)自己無法升級至5G NR網(wǎng)絡(luò)。針對這種情形，3GPP在后續(xù)版本中不斷擴大5G New Radio的能力，力爭彌補這些不足之處。

01.5G New Radio的基石：

eMBB、uRLLC和 mMTC

2018年6月，3GPP標準機構(gòu)推出了一系列5G NR(New Radio)通信規(guī)范，定義了三個具有不同應(yīng)用環(huán)境中的獨特特征的使用場景：

eMBB（增強型移動寬帶）旨在提供更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲。該規(guī)范依托于寬帶信道、載波聚合和MIMO（多輸入多輸出）等技術(shù)，是一項支持高數(shù)據(jù)速率和高級功能的多無線電接入技術(shù)(Multi-RAT)。目前，eMBB是5G的主要部署驅(qū)動力。許多投資和活動均集中在這條發(fā)展方向上，最常見的實施方式就是消費級智能手機。

uRLLC（超可靠低延遲通信）是一種強大的解決方案，可為延遲敏感型和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用提供盡可能低的延遲和盡可能高的網(wǎng)絡(luò)可靠性。在不久的將來，該規(guī)范將與機器人技術(shù)、自動駕駛汽車和工業(yè)自動化密切相關(guān)。

與傳統(tǒng)蜂窩通信技術(shù)相比，mMTC（大規(guī)模機器類型通信）可提供超低功耗和增強型室內(nèi)覆蓋范圍—這兩者都是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵要求。LTE-M和NB-IoT在技術(shù)上屬于4G LTE架構(gòu)，但被認為與5G mMTC前向兼容，并且正式屬于5G mMTC系列。

5G NR(New Radio)是專為5G開發(fā)的最新無線電標準。該標準使用兩個頻率范圍，F(xiàn)R1用于高達7.125GHz的頻段，而FR2則用于24.25和71.0GHz之間的頻段。超過24GHz的頻率范圍通常也被稱為毫米波(mmWave)。

02.4G LTE和5G仍將繼續(xù)共存至少10年

技術(shù)更新?lián)Q代是一個復(fù)雜的過程，需要較長的過渡期。在過渡期內(nèi)，舊技術(shù)會逐漸淘汰，而新技術(shù)將逐漸得到普及。

盡管發(fā)展較慢，但蜂窩通信技術(shù)一直呈穩(wěn)步增長之勢。1991年，2G正式開始商用。盡管3G和4G的主要目標是淘汰上一代，但目前，全球仍有15%的移動用戶還在使用2G。

從4G到5G的過渡也在沿著類似的路線發(fā)展。2010年，4G正式開始商用，現(xiàn)已占全球訂閱量的50%以上，到目前為止尚未宣布關(guān)閉。正如移動訂閱圖表所示，5G用戶數(shù)量每年都在不斷增長，而4G網(wǎng)絡(luò)用戶則呈持續(xù)減少之勢，盡管速度相當(dāng)緩慢。根據(jù)愛立信的移動報告，至少到2027年之前，4G仍然將是訂閱數(shù)量最多的移動技術(shù)。

與從2G和3G到4G的過渡相比，從4G到5G的過渡要復(fù)雜得多。根據(jù)用戶設(shè)備(UE)類別，4G LTE優(yōu)先考慮實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

但隨著蜂窩通信應(yīng)用范圍的不斷擴大，數(shù)據(jù)速度不再是唯一的利害因素。與前幾代蜂窩通信技術(shù)不同，5G并不是專為取代4G而設(shè)計的。市場需要的是多維升級，而不是一維升級，僅關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸速率是遠遠不夠的。

因此，5G開始提供更廣泛的可能性和新的核心網(wǎng)絡(luò)實施選項，而這僅僅是其中幾個維度之一。事實上，隨著超低延遲和低功耗的推出，用戶現(xiàn)在有機會探索更多其他潛在應(yīng)用。

緩慢遷移的消費者和多維方法是從4G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用遷移至5G時需要考慮的關(guān)鍵因素。作為5G mMTC系列的一部分，LTE-M和NB-IoT現(xiàn)已推出，可為功耗敏感型應(yīng)用和低數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用提供一條路徑。

對于中等數(shù)據(jù)傳輸速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，RedCap填補了5G規(guī)范中的一個重要空白，讓LTE Cat 4和Cat 1應(yīng)用能夠遷移至5G NR。與此同時，一直到2030年，LTE都將持續(xù)在運營商網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

03.面向物聯(lián)網(wǎng)的新5G規(guī)范及其范圍

eMBB、uRLLC和mMTC可為其用戶提供廣泛的可能性。然而，這些規(guī)范并未廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的各種中端物聯(lián)網(wǎng)場景。因為使用場景通常是需要高于LTE-M或NB-IoT但低于eMBB的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2020年12月，為了響應(yīng)各項需求，3GPP推出了一個新的工作項目來研究此類中端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。2022 年6月，3GPP版本17正式發(fā)布，其中包括最新的5G NR規(guī)范：5G NR Reduced Capability(RedCap)。

在性能和復(fù)雜度方面，RedCap的定位在LTE-M和NB-IoT之上，但在eMBB和uRLLC之下。RedCap尤其適合當(dāng)前通過LTECat 1或Cat 4通信的應(yīng)用。根據(jù)新芯片組的典型開發(fā)時間表以及運營商網(wǎng)絡(luò)所需的升級，預(yù)計最早的商用RedCap設(shè)備將于2024年上市。

考慮到主要使用場景，RedCap旨在滿足各種需求：

數(shù)據(jù)速率：

當(dāng)以20MHz帶寬部署時，RedCap將支持高達LTE Cat 4范圍的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)傳輸速率可能因?qū)嶋H網(wǎng)絡(luò)配置和雙工信號傳輸類型而異，包括FD-FDD（全雙工頻分雙工）、HD-FDD（半雙工頻分雙工）和TDD（時分雙工）。

例如，在FD-FDD中采用256-QAM以20MHz的帶寬（考慮接收分集）運行時，數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率最高可以達到227Mb/s（下行鏈路）和91Mb/s（上行鏈路）。當(dāng)DL/UL模式為4:1時，TDD中的數(shù)據(jù)傳輸可以達到最高181Mb/s（下行鏈路）和18Mb/s（上行鏈路）–這仍然高于LTE Cat 1可以實現(xiàn)的速度。

設(shè)備復(fù)雜性：

RedCap規(guī)范減少了帶寬、天線數(shù)量和MIMO層。與eMBB和uRLLC實施相比，RedCap還引入了可降低復(fù)雜性的功能，從而有效降低成本。較低的復(fù)雜性可以實現(xiàn)更小的設(shè)備尺寸，從而適應(yīng)可穿戴設(shè)備的封裝。

頻段支持：

FDD和TDD均支持5G New Radio FR1和FR2頻段。理論上，RedCap設(shè)備可以支持與eMBB設(shè)備相同的FR1和FR2頻段范圍，從而為全球移動運營商提供高效的部署選項。這將簡化向5G NR stand-alone網(wǎng)絡(luò)的最終遷移。但是，移動運營商可以選擇在比eMBB更小的一組頻段上部署RedCap。

功耗：

對于許多物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備應(yīng)用，設(shè)備能效都是一項至關(guān)重要的因素。通過在空閑和非活動模式下添加eDRX（擴展非連續(xù)接收）周期并減少固定設(shè)備的鄰區(qū)測量，RedCap有助于在eMBB的水平上進一步降低設(shè)備功耗。

04.RedCap與eMBB對比

減少功能有助于降低復(fù)雜性。通過比較版本17 RedCap與版本15 eMBB設(shè)備的功能，可以確定規(guī)范中至少減少了五項相關(guān)功能，而這又有助于降低設(shè)備的復(fù)雜性和成本。

1. 最高帶寬

5G eMBB設(shè)備必須在FR1中支持100MHz的最高帶寬，并在FR2中支持400MHz的最高帶寬。對于RedCap設(shè)備，這兩者分別對應(yīng)于版本17中的20MHz(FR1)和100MHz(FR2)。出于成本考慮，大多數(shù)RedCap設(shè)備可能會部署在FR1頻譜中，因此支持的最高帶寬為20MHz。

2. 接收機天線

eMBB設(shè)備至少需要兩個接收機天線，而在某些頻段中可能需要四個接收機天線。根據(jù)3GPP規(guī)范，一到兩個接收機天線足以滿足RedCap設(shè)備的要求。然而，由于接收分集會盡可能增加數(shù)據(jù)吞吐量，因此移動運營商可能需要通過兩個天線來支持各種使用場景。

3. 下行鏈路 (DL) MIMO 層數(shù)上限

RedCap設(shè)備的DL MIMO層數(shù)較少，因此具有兩個接收機天線的RedCap設(shè)備最多包含兩個DL MIMO層。在網(wǎng)絡(luò)授予訪問權(quán)限之前，設(shè)備需要向網(wǎng)絡(luò)通知所支持的層數(shù)。

4. 最高下行鏈路調(diào)制階數(shù)

對于FR1，eMBB設(shè)備最高可支持256-QAM（正交幅度調(diào)制）。RedCap要求在FR1和FR2中提供64-QAM支持，而在FR1的DL中則可以選擇性提供256-QAM支持。盡管256-QAM可以為移動運營商提供更高的帶寬效率，但同時也增加了設(shè)備的復(fù)雜性。移動運營商可以選擇通過64-QAM來實現(xiàn)降低復(fù)雜性的目標，但也可以選擇通過256-QAM來盡可能提高帶寬效率。

5. 雙工運行

對于FR1，在FDD頻段中，eMBB設(shè)備必須支持全雙工運行(FD-FDD)，從而在下行鏈路和上行鏈路頻段上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這需要多個雙工濾波器，從而增加設(shè)備成本。相反，RedCap設(shè)備不要求采用全雙工FDD；設(shè)備傳輸不必同時發(fā)生在上行鏈路和下行鏈路頻率上（HD-FDD，半雙工FDD）。

HD-FDD的帶寬效率較低，因此并非所有運營商都支持HD-FDD，至少在最初階段是這樣。

其中一些功能是可選項。這方面與移動運營商相關(guān)，后者有相當(dāng)具體的實施要求，其中一些要求要比其他要求更加嚴格，具體取決于服務(wù)水平協(xié)議。

05.5G NR RedCap在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中取代LTE

通過比較RedCap與eMBB，我們可以更加深入地理解3GPP標準中為降低復(fù)雜性所做的選擇。然而，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)公司并不會在eMBB與RedCap之間做出選擇，因為對于絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)使用場景而言，eMBB都將提供過于豐富的功能，而且成本也過高。那么LTE Cat 1或Cat 4的情況如何呢？與這兩者相比，RedCap處于什么位置？

RedCap推出的功能可能會吸引當(dāng)前使用LTE Cat 1和Cat 4的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員，尤其是面向中端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計人員。對于某些配置，RedCap的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可能要比LTE Cat 4更高，而延遲則更低。RedCap還在專用網(wǎng)絡(luò)中提供與5G核心網(wǎng)的內(nèi)在通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)壽命成為首要考慮因素時，這將廣泛惠及終端用戶。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員還需要考慮時間安排，從上市時機到計劃中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的生命周期。盡管LTE網(wǎng)絡(luò)的可用性將持續(xù)多年，但向5G獨立網(wǎng)絡(luò)的過渡是不可避免的。

在某些地區(qū)，首批5G NR RedCap設(shè)備預(yù)計將于2024年某個時間上市。隨后，其他地區(qū)也將跟進，具體取決于運營商的計劃和優(yōu)先級。因此，RedCap的過渡時間也將取決于地理位置。

最后，設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)謹記，某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的壽命非常長，通常達到十年甚至更長。因此，設(shè)備在設(shè)計上應(yīng)當(dāng)支持連接到2030年代后期的網(wǎng)絡(luò)。

本文節(jié)選自u-blox最新發(fā)布的白皮書《5G時代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蜂窩通信技術(shù)演進》，接下來的章節(jié)中，將對5G NR RedCap如何適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的其他5G使用場景及Rel-18 5G NR RedCap主要特征等，做更為詳盡的分析。

審核編輯：湯梓紅