4G蜂窝物联网技术的发展

前 言

5G标准制定之前，国际电信联盟ITU定义了未来5G三大应用场景。即eMBB，URLLC和mMTC。

eMBB（enhanced Mobile Broad Band），增强移动宽带，5G Release 15（简称Rel 15，本文后续的Release都用Rel代替）版本标准。主要针对以人为中心的高速数据通信场景。不考虑5G 新标准引入的1024QAM调制方式，单纯从最大带宽角度看，相比4G就有5倍提升（4G最大带宽20MHz，5G最大带宽100MHz）。

URLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communication），超可靠低时延，5G Rel 16版本标准。主要针对像车联网和远程医疗等这样对可靠性和时延要求苛刻的应用场景。

mMTC（Massive Machine Type Communication） 大规模机器类型通信，5G Rel 17版本标准。主要针对万物互联的物联网应用场景。

今天我们要聊的这个RedCap，是Reduced Capability的简称，它是5G Rel 17定义的物联网标准，满足mMTC场景需求。3GPP最开始的研究项目名称为NR Light，后期重新命名为5G RedCap。是不断发展的物联网（IoT）领域的首个5G标准。最开始的Rel 17版本主要针对介于窄带物联网（eMTC和NB-IoT）和eMBB之前的中速物联网应用场景。

之所以叫RedCap，其实从字面上理解就是“能力裁剪”，也可以叫“5G轻量化”。那为什么要“能力裁剪”呢？通俗的来讲，如果直接用5G的eMBB标准来实现物联网，无疑是“用大炮打蚊子”，不仅成本太高，而且性能过剩。杀鸡焉用牛刀，所以5G在原有标准的基础之上，通过“能力裁剪”的方式定义了RedCap，满足5G物联网各类场景的应用需求。在RedCap后续的Rel 18标准中，还将继续进行“能力裁剪”，使得RedCap可以满足低速物联网的应用场景，最终实现5G物联网领域的技术统一。

为了更好的理解RedCap技术的“能力裁剪”，我们需要介绍一下4G蜂窝物联网技术的发展。

4G蜂窝物联网技术的发展

4G LTE技术最早定义的标准起始于Rel 8版本，对应的终端能力是Category 4（简称Cat 4）。其下行峰值速率可以达到150Mbps，支持MIMO2*2双天线连接，应用场景也是以人为中心的高速数据应用。伴随着LTE技术的发展，通过更高阶的调制方式、更多的载波聚合、更多的天线连接数量，MBB移动宽带峰值速率不断增长。最终演进到了5G Rel 15版本的eMBB。

与此同时，应运而生了众多物联网的应用需求，其主要特点是：峰值速率较低、对时延要求不高、长续航、低成本、低功耗、体积更小。针对不断增长的各种物联网应用需求，3GPP定义了不同类型的物联网技术。而这些物联网技术基本都是采用了不同程度“功能裁剪”方式来实现，从而降低终端的实现复杂度，最终降低使用成本，以满足应用需求。3GPP在4G阶段定义了终端的能力等级，即Category，来区分不同类型的终端。与物联网应用相关的能力等级具体如下：

Cat 1

在LTE Rel 8版本定义，由Cat 4发展而来。下行峰值速率10Mbps，上行峰值速率5Mbps。与Cat 4相比性能大幅度降低。可以满足中速物联网应用需求。

Cat1bis

为了进一步减低终端尺寸，LTE Rel 13版本基于Cat 1进行能力裁剪，将原来的双天线接收，降低为了单天线接收。进一步缩小了终端的体积，降低了成本。

Cat 0

LTE Rel 12版本定义。针对低速物联网应用，其上下行峰值速率仅1Mbps。因为很多低速物联网应用场景对于时延的要求不高，因此去掉了双工器，引入半双工。进一步降低了终端的复杂度和成本。

Cat M1(eMTC)

LTE Rel13版本定义。基于LTE Cat 0演进而来，上下行峰值速率也为1Mbps，带宽从原来的20MHz降低到了1.4MHz，使得网络承载终端的数量大幅度提高。之后eMTC进一步演进，并被5G标准接纳，功能持续增强。

NB-IoT

NB-IoT技术可以认为是针对于窄带物联网的需求“另起炉灶”定义的通信标准，其源于LTE技术。信道带宽只有180kHz，峰值速率200kbps左右。非常适合于低速，长续航的物联网终端。之后NB-IoT技术也进一步演进，并被5G标准接纳，功能持续增强。

根据以上的描述，我们发现通过降低带宽、减少天线数量、引入半双工等方式实现了不同程度的“功能裁剪”，从而降低了终端实现复杂度和成本，最终满足不同应用场景的需求。

RedCap

那么既然已经有了4G时代的低速物联网技术eMTC和NB-IoT，以及中速物联网技术Cat 1和Cat 1bis。为什么要引入RedCap技术呢？虽然5G已经吸收了eMTC和NB-IoT技术作为5G前期的物联网技术。但是这两种技术只能应对低速场景。像视频监控等中速物联网需求，在5G阶段还是空白，所以3GPP参考4G阶段物联网的发展路线，在原有的eMBB基础上通过“能力裁剪”定义了Rel 17版本的RedCap技术。

那具体裁剪了哪些能力呢？

1. 最大带宽从NR的100MHz缩减为20MHz，和4G LTE保持一致。

2. 终端的天线配置从原来的2T4R缩减为1T1R或者1T2R，大幅度降低了天线的复杂度。

3. 限制终端的调制方式到64QAM，256QAM作为可选项，而5G新引入的1024QAM不作考虑。

4. FDD频段支持半双工，参考LTE Cat 0的实现。

5. 终端仅支持SA独立组网。5G定义了NSA非独立组网和SA独立组网。NSA非独立组网，要求终端同时支持4G和5G两种模式，而RedCap要求终端仅支持5G SA模式，去掉了4G支持能力，大大降低了终端的成本和实现复杂度。

6. 不支持CA载波聚合。载波聚合功能主要针对于更高带宽的eMBB场景需求，RedCap不需要考虑

7 功耗：为了降低功耗，降低了终端发射功率等级，支持eDRX功能，RRM测量放松等技术。

可以看出通过以上的“能力裁剪”，RedCap可以充分满足中速物联网的应用需求。技术是要不断向前发展的，为了进一步统一5G物联网的支持能力和范围，覆盖原来eMTC和NB-IoT的低速物联网场景，Rel 18中进一步进行了“能力裁剪”，比如带宽降低到5MHz，同时还增加了定位和sidelink连接功能，从而可以支持更广泛的物联网应用，最终实现所有物联网技术在5G的大统一。此举也有利于5G发展后期，将4G频谱资源进行重耕。

R&S测试解决方案

介绍完RedCap技术，那么怎么进行测试呢？说道这里，我们就要介绍一下罗德与施瓦茨公司开发的，下一代信令无线通信测试仪，CMX500 OBT(One Box Tester)。它可以同时满足4G LTE 和 5G FR1/FR2以及WLAN技术测试, RedCap的支持更是不在话下，是一款真正意义上的5G测试一体机。

仪表采用了Linux操作系统，基于Web网页的GUI操作界面进行测试，界面美观，应用灵活。CMX OBT采用灵活的硬件配置，全新设计的射频硬件，频率覆盖范围从400MHz到8GHz。每块射频板卡，支持4T2R，可以支持下行MIMO4*4和UL MIMO测试。每个下行通道可以支持1GHz的工作带宽。射频硬件的数量可以根据测试需求灵活配置，最多可以配置4块。针对RedCap，最低配置的CMX OBT Lite （一块射频板卡）即可满足从研发、功能、性能到GCF协议一致性（对应GCF认证平台编号TP292）的全部测试需求，如下图所示。

CMX500不仅可以进行物理层吞吐量测试。内置数据应用服务器，还可以满足各类应用场景测试要求，包括VONR，Iperf，HTTP，FTP，DNS，连接外网等。面向未来的硬件架构设计，性能卓越，最高支持20Gbps应用层吞吐量测试，完全满足IMT-2020定义的技术性能要求。

基于CMX500的TS8980 FTA-3A射频一致性测试系统，可以满足RedCap的RF/RRM一致性认证测试（对应GCF认证平台编号TP298和TP296）。

通过以上描述，相信大家应该对5G RedCap有了一定的了解，也了解了罗德与施瓦茨公司针对RedCap的信令测试解决方案。

总结 

R&S的CMX500可以充分满足5G当前的测试，以及未来5G发展的测试要求。想了解更多关于CMX500和RedCap的相关信息可以访问R&S官网，也可以联系我们本地的工程师。

罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。 成立90 年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。