5G時代物聯(lián)網(wǎng)應用的蜂窩通信技術演進

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

蜂窩通信行業(yè)正處于兩代蜂窩通信技術之間的過渡期，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，預計這兩項技術仍然將繼續(xù)共存數(shù)年。

當3GPP在版本15中制定第一個5G NR技術規(guī)范時，行業(yè)主要側重于發(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)應用的需求而設計的。

因此，面向物聯(lián)網(wǎng)市場的4G LTE設計人員發(fā)現(xiàn)自己無法升級至5G NR網(wǎng)絡。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，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(Multi-RAT)。目前，eMBB是5G的主要部署驅動力。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鍵任務應用提供盡可能低的延遲和盡可能高的網(wǎng)絡可靠性。在不久的將來，該規(guī)范將與機器人技術、自動駕駛汽車和工業(yè)自動化密切相關。

與傳統(tǒng)蜂窩通信技術相比，mMTC（大規(guī)模機器類型通信）可提供超低功耗和增強型室內覆蓋范圍—這兩者都是許多物聯(lián)網(wǎng)應用的關鍵要求。LTE-M和NB-IoT在技術上屬于4G LTE架構，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

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

盡管發(fā)展較慢，但蜂窩通信技術一直呈穩(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)絡用戶則呈持續(xù)減少之勢，盡管速度相當緩慢。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。

與從2G和3G到4G的過渡相比，從4G到5G的過渡要復雜得多。根據(jù)用戶設備(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不同，5G并不是專為取代4G而設計的。市場需要的是多維升級，而不是一維升級，僅關注數(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用。

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

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)范并未廣泛應用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、車聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控和可穿戴設備等領域的各種中端物聯(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尤其適合當前通過LTECat 1或Cat 4通信的應用。根據(jù)新芯片組的典型開發(fā)時間表以及運營商網(wǎng)絡所需的升級，預計最早的商用RedCap設備將于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)傳輸速率可能因實際網(wǎng)絡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。

設備復雜性：

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還引入了可降低復雜性的功能，從而有效降低成本。較低的復雜性可以實現(xiàn)更小的設備尺寸，從而適應可穿戴設備的封裝。

頻段支持：

FDD和TDD均支持5G New Radio FR1和FR2頻段。理論上，RedCap設備可以支持與eMBB設備相同的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)和可穿戴設備應用，設備能效都是一項至關重要的因素。通過在空閑和非活動模式下添加eDRX（擴展非連續(xù)接收）周期并減少固定設備的鄰區(qū)測量，RedCap有助于在eMBB的水平上進一步降低設備功耗。

04.RedCap與eMBB對比

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

1. 最高帶寬

5G eMBB設備必須在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設備，這兩者分別對應于版本17中的20MHz(FR1)和100MHz(FR2)。出于成本考慮，大多數(shù)RedCap設備可能會部署在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設備的DL MIMO層數(shù)較少，因此具有兩個接收機天線的RedCap設備最多包含兩個DL MIMO層。在網(wǎng)絡授予訪問權限之前，設備需要向網(wǎng)絡通知所支持的層數(shù)。

4. 最高下行鏈路調制階數(shù)

對于FR1，eMBB設備最高可支持256-QAM（正交幅度調制）。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，但同時也增加了設備的復雜性。移動運營商可以選擇通過64-QAM來實現(xiàn)降低復雜性的目標，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，從而增加設備成本。相反，RedCap設備不要求采用全雙工FDD；設備傳輸不必同時發(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，后者有相當具體的實施要求，其中一些要求要比其他要求更加嚴格，具體取決于服務水平協(xié)議。

05.5G NR RedCap在物聯(lián)網(wǎng)應用中取代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前使用LTE Cat 1和Cat 4的物聯(lián)網(wǎng)設計人員，尤其是面向中端物聯(lián)網(wǎng)應用的設計人員。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)絡中提供與5G核心網(wǎng)的內在通信。當網(wǎng)絡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)設備的生命周期。盡管LTE網(wǎng)絡的可用性將持續(xù)多年，但向5G獨立網(wǎng)絡的過渡是不可避免的。

在某些地區(qū)，首批5G NR RedCap設備預計將于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，設備設計人員應當謹記，某些物聯(lián)網(wǎng)應用的壽命非常長，通常達到十年甚至更長。因此，設備在設計上應當支持連接到2030年代后期的網(wǎng)絡。

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)應用的蜂窩通信技術演進》，接下來的章節(jié)中，將對5G NR RedCap如何適應物聯(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