芯耀
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在物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的進(jìn)程中，通信技術(shù)的革新始終是關(guān)鍵驅(qū)動力。RedCap(5G輕量化)的誕生，為物聯(lián)網(wǎng)帶來了低復(fù)雜度、低成本的通信解決方案，在眾多領(lǐng)域嶄露頭角。然而，隨著應(yīng)用場景的不斷拓展與深化，其對技術(shù)的要求也愈發(fā)嚴(yán)苛。
在此背景下，eRedCap（Enhanced Support of RedCap，增強型RedCap）應(yīng)運而生。它作為RedCap的進(jìn)階版本，在繼承RedCap優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了傳輸速率、eDRX（擴展非連續(xù)接收）等多維技術(shù)突破，進(jìn)一步優(yōu)化了性能、成本與功耗等關(guān)鍵指標(biāo)，能夠滿足工業(yè)無線傳感器、智能電網(wǎng)等對更低成本、更低功耗的需求。
01、“雙低”應(yīng)用場景驅(qū)動5G向eRedCap演進(jìn)
在5G技術(shù)邁向萬物智聯(lián)的進(jìn)程中，3GPP在R17版本中開創(chuàng)性地推出了輕量化通信技術(shù)RedCap。該技術(shù)通過將常規(guī)的20MHz帶寬動態(tài)適配為靈活精簡的通信模式，在確?；A(chǔ)性能的前提下，顯著降低終端設(shè)備的復(fù)雜度與成本。
這種精準(zhǔn)的“技術(shù)瘦身”，為工業(yè)傳感器、視頻監(jiān)控、可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場景構(gòu)建起高性價比的5G連接橋梁，開啟了中速率物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；涞氐男录o(jì)元。然而，隨著5G賦能行業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在諸多領(lǐng)域（如工業(yè)無線傳感器、智能電力等）存在著對成本、能耗以及數(shù)據(jù)速率要求更低的業(yè)務(wù)需求。
以工業(yè)傳感器場景為例，依據(jù)3GPP TR 22.832與TS 22.104標(biāo)準(zhǔn)，未來的工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)將通過溫濕度、壓力、加速度等多模態(tài)傳感器構(gòu)建精密的感知矩陣，從而形成能夠?qū)崟r動態(tài)捕捉生產(chǎn)狀況的“數(shù)字神經(jīng)”系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)須滿足99.99%的傳輸可靠性和端到端100毫秒級的數(shù)據(jù)閉環(huán)要求，以支撐傳感器對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測。同時，即便在2Mbit/s速率限制下，智能流量調(diào)度技術(shù)依然可以保障工業(yè)設(shè)備監(jiān)測等上行密集型業(yè)務(wù)的流量高效傳輸。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用異構(gòu)部署模式：固定節(jié)點通過工業(yè)級溫濕度傳感器實現(xiàn)有線供電的全域覆蓋，移動終端則搭載低功耗工業(yè)傳感器，并結(jié)合能量采集技術(shù)，突破續(xù)航瓶頸，達(dá)成5年免維護(hù)的運行目標(biāo)。
作為商業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的先鋒載體，移動POS機正以“智能交互樞紐”的姿態(tài)深度融入零售、餐飲、酒店等服務(wù)業(yè)態(tài)的核心交互節(jié)點。支付終端通信架構(gòu)歷經(jīng)從Wi-Fi、GPRS到LTE Cat1/1bis的迭代演進(jìn)后，當(dāng)前正處于2G網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)、4G向5G演進(jìn)等趨勢交匯的關(guān)鍵節(jié)點。
新一代5G POS解決方案通過“精準(zhǔn)效能配比”實現(xiàn)技術(shù)突破：POS終端通信芯片以10kbit/s的上下行基準(zhǔn)速率，找到了兼顧效率與能耗的黃金平衡點。其電池續(xù)航能力突破常規(guī)束縛，在典型應(yīng)用場景中可穩(wěn)定運行數(shù)日，理想狀態(tài)下更能實現(xiàn)1～2周的持久續(xù)航，完美契合餐飲業(yè)高峰時段的密集交易需求與零售業(yè)的長周期運營特性。這種“微功耗、強連接”的技術(shù)范式，正在重塑商業(yè)支付終端的“生命力曲線”。
在能源互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)歷程中，智能電網(wǎng)正以“電力數(shù)字孿生神經(jīng)”的姿態(tài)重構(gòu)能源系統(tǒng)的控制理念。根據(jù)3GPP TR 22.104標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)負(fù)荷控制的核心在于將電網(wǎng)負(fù)載控制精度推升至毫秒級響應(yīng)水平——當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)遭遇嚴(yán)重故障時，可在毫秒級時間內(nèi)完成“數(shù)字顯微手術(shù)”，精準(zhǔn)切除非核心負(fù)載模塊，如同給電網(wǎng)植入具備自主免疫功能的“數(shù)字神經(jīng)元”。
在通信服務(wù)方面，其對可靠性要求極高，需達(dá)到99.9999%，端到端時延要小于50毫秒，數(shù)據(jù)速率范圍為320.59kbit/s～28kbit/s。在物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境傳感等不同場景提出了低功耗、低成本、更低速率等多樣化需求。這使得3GPP有必要進(jìn)一步優(yōu)化RedCap，從技術(shù)細(xì)節(jié)、應(yīng)用適配等方面入手，全方位提升其性能，以滿足物聯(lián)網(wǎng)時代各行業(yè)的發(fā)展需要，助力構(gòu)建更完善的物聯(lián)生態(tài)體系。
02、R18 eRedCap技術(shù)特性及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展
在3GPP R18版本中，為了適配智能電網(wǎng)、智慧城市等對速率需求更低、功耗要求更低、終端成本更為敏感的應(yīng)用場景，業(yè)界引入了RedCap技術(shù)的演進(jìn)版本——eRedCap。本質(zhì)上，eRedCap可視為一種新的終端能力類型，其能力介于現(xiàn)有LPWA（低功耗廣域網(wǎng)）用戶設(shè)備與R17RedCap用戶設(shè)備之間，并且與LTE Cat1的應(yīng)用場景基本一致。
eRedCap在R17 RedCap基礎(chǔ)上，通過多維技術(shù)革新實現(xiàn)了性能與成本的精準(zhǔn)平衡。圍繞帶寬與天線配置優(yōu)化、速率優(yōu)化、終端復(fù)雜度降低、功耗控制強化四大維度，對技術(shù)特性展開了系統(tǒng)性突破。
在帶寬和天線方面，eRedCap將業(yè)務(wù)帶寬從R17的20MHz進(jìn)一步壓縮至5MHz，即僅為PDSCH（物理下行共享信道）和PUSCH（物理上行共享信道）提供5MHz的基帶帶寬，其他物理信道和信號仍然允許使用最大20MHz的UE（用戶設(shè)備）射頻和基帶帶寬的方案。同時，將天線配置簡化為單接收（1R）或雙接收（2R）模式，相較于傳統(tǒng)NR終端所需的2T4R天線架構(gòu)，射頻前端組件數(shù)量減少50%左右。
這種帶寬與天線的雙重精簡策略，不僅使基帶處理復(fù)雜度降低約40%，還將調(diào)制階數(shù)從R17支持的64QAM下調(diào)至QPSK(四相相移鍵控)等低階方案，顯著簡化了信號編解碼過程，尤其適用于工業(yè)傳感器、智能表計等僅需傳輸小數(shù)據(jù)包的應(yīng)用場景。在速率優(yōu)化領(lǐng)域，R18階段的eRedCap技術(shù)調(diào)整方向明確，目標(biāo)峰值速率降至10Mbit/s，契合低速率需求場景。
為此，eRedCap構(gòu)建了三種核心方案。
其一為放寬峰值速率限制。3GPP TS 38.306標(biāo)準(zhǔn)原本對MIMO層數(shù)、調(diào)制階數(shù)及縮放因子的乘積限制較為嚴(yán)格，eRedCap放寬了這一限制，為速率調(diào)控提供了靈活空間。
其二是限制數(shù)據(jù)信道的最大傳輸塊大?。═BS）。該方案針對單TTI（傳輸時間間隔）內(nèi)，通過對PUSCH發(fā)送和PDSCH接收的TBS進(jìn)行約束，精準(zhǔn)控制數(shù)據(jù)傳輸速率，符合eRedCap低速率設(shè)計要求。
其三是限制數(shù)據(jù)信道的物理資源塊（PRB）個數(shù)。此方案融合前兩者思路，通過限制最大可調(diào)度的PRB個數(shù)，間接限制TTI中的TBS。由于PRB是物理資源的基本分配單元，這種控制對速率的影響直接且有效。
與R17 RedCap相比，該方案可降低6.59%～8.12%的復(fù)雜度和成本，減少硬件資源配置與信號處理的投入。在終端成本與復(fù)雜度的深度優(yōu)化方面，與RedCap大于100Mbit/s的處理速率不同，eRedCap將處理速率降至10Mbit/s級別，為降低UE復(fù)雜度創(chuàng)造了有利條件。從基帶數(shù)據(jù)處理模塊來看，由于數(shù)據(jù)處理量大幅減少，處理數(shù)據(jù)量降低了一個數(shù)量級，這使得FFT Size（快速傅里葉變換大?。?、HARQ（混合自動重傳請求）緩存等相關(guān)處理都能進(jìn)行降級操作。
在內(nèi)存方面，eRedCap可考慮采用無DDR（雙倍數(shù)據(jù)速率）方案，僅保留片內(nèi)內(nèi)存，既能滿足低速率數(shù)據(jù)處理對內(nèi)存的需求，又有效降低了內(nèi)存管理的復(fù)雜度與硬件成本。
在處理器規(guī)格上，eRedCap可選用更低階的處理器，例如RISC-V架構(gòu)處理器，在滿足低速率數(shù)據(jù)處理要求的同時，又顯著降低了處理器本身的復(fù)雜度。此外，處理器主頻也可相應(yīng)降低。
綜合以上多方面的調(diào)整，eRedCap復(fù)雜度能夠降低10%～17%左右，為在成本敏感型場景中的大規(guī)模應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。能耗優(yōu)化同樣是eRedCap的關(guān)鍵技術(shù)特性。
在非激活狀態(tài)下，eRedCap支持的eDRX周期大幅延長，從大于10.24秒擴展至最大可達(dá)10485.76秒，即2.91小時。這一特性使得終端設(shè)備在大部分時間能夠處于低功耗的休眠狀態(tài)，僅在特定時間點被喚醒以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，極大地降低了能耗。
在此過程中，基于RRC_INACTIVE（無線資源控制非激活態(tài)）的eDRX參數(shù)，AMF（接入和移動性管理功能）能夠準(zhǔn)確推斷出UE不可達(dá)的時機，并采用與處理空閑狀態(tài)UE類似的策略，處理MT（移動終端）信令和MT數(shù)據(jù)。例如，現(xiàn)有的核心網(wǎng)高時延通信解決方案，便可以應(yīng)用于空閑態(tài)或RRC_INACTIVE的UE，從而實現(xiàn)節(jié)能目的。此外，當(dāng)核心網(wǎng)檢測到MT信令或數(shù)據(jù)到達(dá)時，會向RAN（無線接入網(wǎng)）發(fā)送通知。此時，若UE處于可達(dá)狀態(tài)，RAN便能夠依據(jù)該通知觸發(fā)RAN尋呼，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸至UE，在保障通信質(zhì)量的同時，有效實現(xiàn)能耗優(yōu)化。
在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展方面，3GPP在R18對eRedCap開展演進(jìn)研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作，涵蓋SI（研究項目）和WI（工作項目）。eRedCap課題SI階段從2022年第一季度到第四季度，RAN1在#108-e至#111期間、RAN2在#117-e至#120期間進(jìn)行研究。其輸出報告TR38.865，基于TR38.875中的R17評估方法，針對進(jìn)一步降低終端復(fù)雜度開展研究，內(nèi)容涉及降低FR1（頻率范圍1，即410MHz—7125MHz）終端帶寬至5MHz、降低FR1終端峰值速率，以及解決由此帶來的網(wǎng)絡(luò)、終端、協(xié)議影響和共存問題。
基于SI階段的評估討論，在RAN#97-e確定最終WID（工作組標(biāo)識）內(nèi)容如下：功耗效率增強，如RRC_INACTIVE態(tài)中eDRX增強；復(fù)雜度和成本降低，如FR1的UE復(fù)雜度降低（包括最大5MHz基帶帶寬的PDSCH和PUSCH，20MHz的上行和下行射頻帶寬，以及最大20MHz射頻+基帶帶寬的其他物理信道和信號）；FR1的UE峰值速率降低，如放寬限制等。之后在2023年第一季度至第四季度的WI階段，RAN1在#112至#115期間、RAN2在#121至#124期間推進(jìn)相關(guān)工作。
03、eRedCap發(fā)展的重要意義
契合多元物聯(lián)網(wǎng)需求
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用場景極為廣泛，從工業(yè)傳感器到可穿戴設(shè)備，其對通信技術(shù)的要求千差萬別。eRedCap憑借低功耗、低成本及性能適中的解決方案，成功填補了傳統(tǒng)5GNR高復(fù)雜度、高成本與LPWA（如NB-IoT、LTE-M）之間的空白，高度適配中低復(fù)雜度物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求。它在確保一定數(shù)據(jù)速率的同時，大幅降低設(shè)備復(fù)雜度與成本，為大規(guī)模部署創(chuàng)造了有利條件；其優(yōu)化的功耗管理策略，特別適合長時間運行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，能夠有效延長設(shè)備使用壽命。
助推5G生態(tài)系統(tǒng)完善
5G網(wǎng)絡(luò)旨在支持增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（URLLC）和海量機器類通信（mMTC）等多樣化場景。eRedCap作為5GNR的補充技術(shù)，極大地完善了5G生態(tài)系統(tǒng)，使5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持更多中低復(fù)雜度設(shè)備，顯著拓展了5G的應(yīng)用范圍。而且基于5GNR框架構(gòu)建的eRedCap，能與現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫集成，有效降低部署成本。
削減物聯(lián)網(wǎng)部署成本
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署規(guī)模通常十分龐大，成本成為影響其普及的關(guān)鍵因素。eRedCap通過簡化設(shè)備設(shè)計、減少天線數(shù)量、降低帶寬需求，顯著降低設(shè)備復(fù)雜度與成本，有力推動物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署。eRedCap設(shè)備制造成本更低，契合大規(guī)模部署的成本要求；同時借助現(xiàn)有5G基礎(chǔ)設(shè)施，減少了額外的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。
賦能新興應(yīng)用場景
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、智慧城市、可穿戴設(shè)備等新興應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)。eRedCap憑借適中的數(shù)據(jù)速率、低功耗及廣覆蓋特性，為這些新興場景提供有力支持。在工廠自動化、設(shè)備監(jiān)控與預(yù)測性維護(hù)方面，eRedCap發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有效提升工業(yè)生產(chǎn)效率；在智能路燈、環(huán)境監(jiān)測、交通管理等智慧城市領(lǐng)域，eRedCap助力城市實現(xiàn)智能化發(fā)展；其低功耗特性適配健康監(jiān)測與運動追蹤設(shè)備，確?？纱┐髟O(shè)備的長續(xù)航與穩(wěn)定連接。
驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級
eRedCap的發(fā)展不僅推動通信技術(shù)進(jìn)步，還促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級。借助eRedCap技術(shù)，設(shè)備制造商、網(wǎng)絡(luò)運營商和應(yīng)用開發(fā)商得以探索新的商業(yè)模式與市場機會。eRedCap推動低功耗、低成本通信技術(shù)創(chuàng)新，為未來6G技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)；在芯片設(shè)計、設(shè)備制造、網(wǎng)絡(luò)部署及應(yīng)用開發(fā)等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，eRedCap的應(yīng)用將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。
03、總結(jié)
發(fā)展eRedCap技術(shù)是通信行業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略選擇。它能夠滿足多樣化物聯(lián)網(wǎng)需求、推動5G生態(tài)系統(tǒng)的完善、降低部署成本、支持新興應(yīng)用場景、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級、提升全球競爭力，并推動可持續(xù)發(fā)展。通過發(fā)展eRedCap，產(chǎn)業(yè)界可以更好地應(yīng)對未來的技術(shù)挑戰(zhàn)并把握市場機遇，為智能化社會的建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。
*本文刊載于《通信世界》總第963期 2025年3月10日 第5期，原文標(biāo)題：eRedCap技術(shù)與應(yīng)用展望
作者：中國信息通信研究院 劉玉娟
責(zé)編/版式：蓋貝貝
審校：王 濤?梅雅鑫
監(jiān)制：劉啟誠
