NR RedCap UE关键技术与标准化进展

徐霞艳

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G 三大应用场景包括增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）。3GPP Rel-15 以eMBB 为主，通过大带宽、大规模天线等关键技术提供更高的峰值速率、频谱效率和容量；Rel-15 也支持基本的uRLLC 应用，Rel-16则对uRLLC 进行了增强[1]。在Rel-15/Rel-16 所支持的eMBB、uRLLC 等应用场景之外，工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等中端物联网用例对5G 终端提出了复杂度与成本降低、尺寸减小、能耗更低等特色要求。为此，3GPP Rel-17 阶段开展新空口（NR,New Radio）低复杂度低成本终端（即RedCap UE）标准项目研究，希望研究定义新的终端类型，以更好地满足这些用例的需求[2]。

本文首先对RedCap UE 的主要用例及指标需求进行了介绍；接着分析了RedCap UE 降低复杂度与成本、终端节能、终端指示与识别等关键技术，分析了降低复杂度与成本相关技术方案对RedCap UE 性能的影响；最后对RedCap UE 的标准化进展进行了介绍。

1 RedCap UE的用例与标准化目标

1.1 RedCap UE的主要用例

（1）工业无线传感器

工业互联网是5G 的重要目标场景，希望利用5G 将工业环境中的压力传感器、湿度传感器、运动传感器等各类传感器和执行器连接到5G 网络。在工业无线传感器网络用例中既包括对通信性能要求非常高的uRLLC 应用，也包括一些通信性能要求低于uRLCC 或eMBB，但要求终端尺寸较小、成本低、耗电低的相对低端应用。这些相对低端应用的性能要求又高于LTE eMTC（enhanced Machine-Type Communication，增强型机器类型通信）或NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窝的窄带物联网）等低功耗广域物联网技术。

这类用例的主要需求和特征包括：通信可靠性99.99%，端到端时延＜100 ms，参考数据速率小于2 Mbit/s并以上行数据为主，设备静止，要求电池使用时间很长（如几年时间）[3-5]。

（2）视频监控

5G 应用于城市管理、智慧农业或厂区监测等场景中的视频监控，将推动管理与生产手段的创新和效率提升。通过将5G 终端模组与监控摄像头集成，为视频监控提供灵活、低成本的回传手段。视频监控用例要求5G 模组成本低，业务量以上行为主，其它主要需求还有：分辨率1080P 视频的典型速率为2～4 Mbit/s，时延＜500 ms，通信可靠性99%～99.9%；4K 超高清视频的速率则需要7.5～25 Mbit/s[3,6]。

（3）可穿戴设备

可穿戴设备包括智能手表、智能手环、医疗监控设备等，普遍要求设备体积小、功耗低。这类用例的关键指标要求包括：下行、上行参考数据速率分别为5～50 Mbit/s、2～5 Mbit/s；下行、上行峰值数据速率分别为150 Mbit/s、50 Mbit/s；要求设备耗电低、电池能工作数天甚至1 到2周时间。

上述几类用例都需要终端能够低复杂度与低成本地实现，并满足终端小尺寸的要求：

1）低复杂度与低成本：与Rel-15/Rel-16 的eMBB或uRLLC 这类高端终端设备相比，这些用例中要求终端降低复杂度与成本。

2）终端小尺寸：需支持5G 终端/模组设备紧凑尺寸设计，以适应智能手表等用例中对设备空间的严苛要求。

1.2 RedCap UE标准化目标

2019 年12 月3GPP RAN 第86 次全会决定在Rel-17 版本开展NR RedCap UE 标准预研项目（即Study Item）[2]，其主要目标包括：面向上述RedCap UE 的主要用例，研究相对于Rel-16 eMBB 和uRLLC 降低UE 功能和性能要求，以降低UE 复杂度与成本，并相应定义新UE 类型（即RedCap UE）；研究评估引入RedCap UE对终端和网络性能的影响以及克服这种影响的技术方案；考虑到部分用例对RedCap UE 耗电有严格要求，进一步研究终端节能的技术；为了让网络能够识别出RedCap UE，研究RedCap UE 的指示与识别机制。

从UE 带宽和数据速率这两个关键能力来看，3GPP对RedCap UE 的定位介于NR eMBB UE 和LTE Cat1/Cat1bis 类型UE 之间（如表1），RedCap UE 的最低数据速率和带宽能力应不低于LTE Cat1bis UE，因此RedCap UE 的带宽应至少为20 MHz，下行、上行峰值数据速率应不低于10 Mbit/s 或5 Mbit/s[2]。

表1 NR/LTE不同终端类型的对比

2 NR RedCap UE的关键技术

2.1 NR eMBB UE的基本能力要求

面向eMBB 应用，为了提供更高的峰值速率、频谱效率和网络容量，3GPP Rel-15/Rel-16 标准和我国通信行业标准[8]均对eMBB UE 提出了较高的要求。针对NR 中低频段（FR1 频率范围：即410—7 125 MHz），eMBB UE 的主要能力要求见表2。

表2 NR eMBB UE的主要能力要求[7-8]

100 MHz 载波带宽、4 个接收链路（即4Rx）与4 流MIMO（Multi Input Multi Output，多输入多输出）传输、256QAM 调制和1 Gbit/s 以上的峰值速率等功能与性能指标，对终端的射频器件和基带芯片处理能力提出了较高要求，决定了eMBB UE 较高的复杂度与成本。

2.2 降低终端复杂度与成本的技术方案

针对RedCap UE，可考虑从UE 带宽、多天线与MIMO、调制等方面降低能力要求，实现复杂度与成本的降低。在选择具体技术方案时需遵循如下原则：

标准化工作量最小：尽可能复用3GPP Rel-15/Rel-16的标准设计（如接收同步广播信息块（SS/PBCH 块）和系统信息SIB1 的机制），特别是对物理层的影响应最小。

性能满足RedCap UE 用例要求：为了降低复杂度与成本，UE 的能力下降，但峰值速率、时延和可靠性等指标应能满足RedCap UE 用例的要求。

网络性能影响最小：引入RedCap UE 应能与Rel-15/Rel-16 常规eMBB UE 共存，对网络性能的影响应最小。

考虑到5G 毫米波频段尚未得到普遍应用，本文将集中于讨论工作在FR1 频率范围的RedCap UE。

（1）降低UE 最大带宽

基于标准化工作量最小原则，希望RedCap UE 能够复用Rel-15 SS/PBCH 块等设计。在FR1 频率范围内，SS/PBCH 块的最大带宽为7.2 MHz，用于调度SIB1 的CORESET0（Control Resource Set，控制资源集）的最大带宽为17.28 MHz。因此，3GPP RAN1 建议FR1 频段RedCap UE 的最大带宽降为20 MHz。这样RedCap UE 和常规eMBB UE 能共用相同的SS/PBCH 块、CORESET0 和SIB1，实现共存。

降低UE 的最大带宽可降低对UE 基带处理能力的要求，基于3GPP 确定的UE 成本明细模型，最大带宽从100 MHz 降为20 MHz，UE 成本可降低约30%[3]。

（2）减少UE Rx/Tx天线数量与降低MIMO层数

图1 SSB/CORESET0/SIB1频域带宽示意

对FR1 频率范围的RedCap UE，接收链路可减少为1 个（1Rx）或2 个（2Rx），相应下行MIMO 降低为1层或2 层接收。

通过这种方式，降低了对UE 的射频收发信机和部分基带处理模块的能力要求。基于3GPP 确定的UE 成本明细模型，对FR1 FDD（Frequency Division Duplex，频分双工）频段，2Rx 降为1Rx，UE 成本可降低约37%；对FR1 TDD（Time Division Duplex，时分双工）频段，4Rx 降为2Rx 或1Rx，UE 成本可降低约40%或60%[3]。

（3）降低最高调制阶数

FR1 频率范围的RedCap UE 下行链路最高调制阶数可考虑从256QAM 降为64QAM。相应地，UE 成本可降低约6%[3]。

（4）半双工FDD

与 全 双 工FDD（FD-FDD，Full Duplex-Frequency Division Duplex）相比，采用半双工FDD（HD-FDD，Half Duplex-Frequency Division Duplex）模式，RedCap UE 可在不同时刻分别在不同频率上进行发射与接收，在实现上可采用较便宜的收-发天线开关和低通滤波器来替代较贵的双工器。

在LTE 中，3GPP 为UE 定义了两种HD-FDD 模式（Type A 和Type B）。基于3GPP 确定的UE 成本明细模型，NR RedCap UE 采用HD-FDD Type A 或Type B，UE 成本可降低约7%或10%[3]。

考虑到HD-FDD Type B 过于复杂，3GPP RAN 通过研究决定Rel-17 阶段FDD RedCap UE 支持HD-FDD Type A 操作，并希望对标准的影响最小。

（5）放松UE处理时间

UE 从 接 收PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）到上行HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）反馈，以及从接收PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）对上行PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，物理上行共享信道）的调度到UE 发送PUSCH 之间，均需要一定的处理时间，UE 硬件的处理能力越高则该处理时间越短。3GPP Rel-15/Rel-16 定义了关于UE 处理时间的高、低两种能力：能力1、能力2，其中能力1 要求较低[9]。

放松UE 处理时间的要求，即允许更长的处理时间，可放松对接收机处理模块、LDPC 译码等基带处理部分的要求，降低UE 的成本。将处理时间放松到UE 处理时间能力1 要求的两倍，UE 成本可降低约6%[3]。

（6）多种技术方案的综合

综合采用上述多种技术方案，可最大程度地降低UE的复杂度与成本。参考3GPP 的研究[3]，不同技术组合可达到降低UE 成本的效果如下：

20 MHz 带宽、1 个Rx 链路、单层接收、下行64QAM、上行16QAM：FR1 FDD、FR1 TDD 频段UE成本可分别降低约60% 或70%。

20 MHz 带宽、1 个Rx 链路、单层接收、下行64QAM、上行16QAM、放松UE 处理时间：FR1 FDD、FR1 TDD 频段UE 成本可分别降低约61% 或72%。

20 MHz 带宽、2 个Rx 链路、2 层MIMO 接收、HD-FDD Type A（只针对FDD 频段）：FR1 FDD、FR1 TDD 频段UE 成本可分别降低约40% 或56%。

由此可见，综合采用多种降低UE 复杂度的技术，UE 的成本可以大幅下降，最高可下降70% 左右。

2.3 终端节能技术

3GPP Rel-15/Rel-16 已经引入了系列终端节能技术[11]，Rel-17 在终端节能增强标准项目[14]中还在进一步对终端节能技术进行增强。考虑到RedCap UE 的部分应用场景有其特殊性，比如部分工业无线传感器用例中终端位置静止或基本静止，可以进一步考虑采取一些终端节能技术以延长电池的使用时间。3GPP 研究的潜在技术有[3]：

减少PDCCH 监测：UE 在RRC 连接态下需要监测PDCCH 以便及时接收基站对UE 的调度信息。通过降低每个时隙上要求UE 执行的PDCCH 盲检最大次数、增大两次PDCCH 监测之间的时间间隔（如几个时隙）或动态调整PDCCH 盲检的这类参数，可进一步降低PDCCH 监测所消耗的电量。

RRC空闲态或非激活态UE，扩展DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）周期：Rel-15/Rel-16 NR 支持的最大寻呼周期为2.56 s，并支持UE 专用配置和小区公共配置寻呼周期。对非活跃的RedCap UE，频繁的唤醒会消耗UE 的电量。可参考LTE/NBIOT 在3GPP Rel-13 引入的扩展DRX（eDRX）机制，增大DRX 周期，如至少10.24 s，甚至达到2 621.44 s 等长度。扩展DRX 周期能够显著节省UE 耗电[3]。

对固定类设备，放松RRM（Radio Resource Management，无线资源管理）要求：如果UE 位置静止或者基本静止，可以在不影响UE 移动性的性能情况下，适当放松对邻区的测量要求（如加大RRM 测量周期），减少UE 耗电。3GPP 在Rel-16 支持的RRM 放松机制基础上，进一步研究RedCap UE 在RRC 空闲态或非激活态、和RRC 连接态下放松RRC 测量的增强机制。

2.4 RedCap UE的类型定义、识别与接入限制

LTE 标准定义了众多UE 类型（如LTE Cat0-Cat26）[7]。在NR RedCap UE 的标准预研中，业界普遍认为不应定义太多的类型，否则将造成产品的碎片化，不利于通过规模效应来降低成本。2021 年3 月在NR RedCap UE 标准项目立项时，3GPP 决定只定义一种RedCap UE 类型[13]。

希望RedCap UE 只应用在真正需要RedCap UE 的用例和场景中，避免在其它用例中滥用，造成网络容量和频谱效率的损失。为此，在RedCap UE 尝试发起非预期的业务时，可由无线网或核心网基于RedCap UE 请求的业务类型、RedCap UE 的类型和RedCap UE 的签约等信息，拒绝RedCap UE 获得该业务。

RedCap UE 的能力不同于常规eMBB UE，网络需要能够识别出RedCap UE 以进行针对性的处理（如覆盖补偿）。根据RedCap UE 指示发生在随机接入过程中的先后，RedCap UE 的识别可有多种方案。

方案1：在随机接入的Msg1 传输时指示RedCap UE，如RedCap UE 和非RedCap UE 使用不同的PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）资源或PRACH 前导序列，或采用不同的初始上行BWP。

方案2：在随机接入的Msg3 传输时指示RedCap UE。

方案3：在随机接入的Msg4 之后指示RedCap UE，即在Msg 5 中或在UE 能力上报中指示RedCap UE。

方案4：在两步随接接入过程的MsgA 中指示RedCap UE。

方案1 能够最早地指示与识别RedCap UE，有利于基站尽早对RedCap UE 进行针对性处理（如从Msg2 起即启用覆盖补偿技术），但对物理层等标准的影响最大。从方案1 到方案2，RedCap UE 指示与识别发生得越晚，不利于基站尽早对RedCap UE 进行针对性处理，但对标准的影响也越小。

通过研究，在NR RedCap UE 标准项目立项时，决定选择方案1 或方案2，如果UE 支持两步随接接入过程的话可考虑方案4，以尽早向网络指示RedCap UE。

3 RedCap UE性能分析

RedCap UE 由于采用了上述降低终端复杂度与成本的技术方案，将对UE 的数据速率、覆盖和传输时延等性能造成一定影响。

数据速率：UE 峰值速率随UE 带宽、MIMO 层数和最高调制阶数的降低而相应下降。UE 最大带宽从100 MHz降为20 MHz，峰值速率将降低约80%；MIMO 接收从4层降为1 层或2 层，峰值速率将降低约75% 或50%；最高调制阶数从256QAM 降为64QAM，峰值速率将降低约25%。

基于3GPP TS36.306 中给出的UE 支持峰值数据速率计算方法，在20 MHz 带宽FDD 载波、独立组网方式、单层传输、64QAM 调制等条件下UE 峰值速率的理论计算结果见表3[7,12]。可以看到，峰值速率可以满足RedCap UE 大多数用例的峰值速率要求。

表3 20 MHz带宽、单层传输、64QAM调制的峰值数据速率

网络容量与频谱效率：当网络中引入RedCap UE 与eMBB 用户共存时，由于RedCap UE 的数据速率下降，对网络容量和频谱效率会有一定影响。影响的程度与RedCap UE 和eMBB 用户的业务模型以及用户比例等因素相关[3]。

覆盖：在讨论覆盖补偿时，重点针对可穿戴设备用例已经分析了由于设备尺寸限制引起的天线增益损失和对覆盖的影响。对于降低终端复杂度与成本的各具体技术方案，UE 最大带宽降低会影响频率选择性，对覆盖有轻微影响；减少UE 接收天线数量将影响UE 的下行性能，对覆盖也有一定影响；而降低最高调制阶数对覆盖没有明显影响。另外，HD-FDD 模式、放松UE 处理时间对覆盖没有明显影响。

传输时延：HD-FDD 由于不能同时发送和接收，其传输时延会增大。放松UE 处理时间也会增大时延，但与具体用例和重传的次数相关，比如在小区中心、信号强的条件下，无需重传或重传次数很少，则对时延的影响就比较小。降低UE 最大带宽等其它技术方案对传输时延无明显影响。

传输可靠性：总体上，上述各项降低终端复杂度与成本的技术对传输可靠性没有明显影响。

功耗：降低UE 最大带宽、接收天线数量、MIMO层数和最高调制阶数等要求，UE 基带处理和射频器件的功耗将相应降低，因此RedCap UE 的功耗应可降低。

4 RedCap UE标准化进展与展望

2021 年3 月3GPP 完成了NR RedCap UE 标准预研（Study Item）项目，通过研究确认了降低UE 的最大带宽、接收天线数量、MIMO 层数和最高调制阶数等能力要求，可以降低终端复杂度与成本，并在RedCap UE 终端节能、终端指示与识别等方面提出了一些技术方案。

在标准预研项目取得的研究成果基础上，2021 年3月3GPP 正式通过了NR RedCap UE 标准化（即Work Item）项目的立项[13]，后续标准化工作将重点围绕下述方向开展：

（1）降低UE 复杂度：在FR1 频段，UE 最大带宽为20 MHz；对要求常规Rel-15/Rel-16 eMBB UE 至少支持2Rx 链路的FR1 FDD 频段和至少支持4Rx 链路的FR1 TDD 频段，RedCap UE 最少支持1 个Rx 链路，规范也将支持2 个Rx 链路；在最高调制阶数上，下行可选支持256QAM；对支持2Rx 的UE，要求支持2 流MIMO；支持Type A HD-FDD 操作。

（2）高层协议支持：协议将定义一种类型RedCap UE，支持对RedCap UE 的识别与接入限制等功能。在终端节能方面，除3GPP Rel-17 的终端节能增强标准项目[14]所引入的特性外，对RedCap UE 还将研究扩展DRX 周期、放松RRM 要求等机制以实现更节能的目标。

考虑到RedCap UE 的用例场景，3GPP 强调RedCap UE 将面向SA 独立组网，采用单连接方式工作（即不支持载波聚合或双连接技术）。

NR RedCap UE 标准化将在3GPP Rel-17 阶段完成。在标准的指引下，产业界将开发符合NR RedCap UE 标准的5G 终端芯片/ 模组。面向工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等应用场景，NR RedCap UE 将以其低成本、低功耗、紧凑尺寸等特点，为5G 技术在这些场景中的应用开辟广阔的空间。