全球5G網路部署正在如火如荼地展開，預計到2023年，5G連線的數量將超過10億。截止目前，5G主要用於智慧手機和固定無線存取(FWA)應用。雖然這些都是關鍵使用案例，但5G的潛在應用將更為廣泛，未來幾年，5G的應用範圍將會繼續擴大，涵蓋更多應用和設備類型。
在這一發展過程中，制定5G Reduced Capability(RedCap)標準是非常重要的一步。這是針對不斷發展的龐大物聯網(IoT)環境開發的第一個5G標準。RedCap旨在滿足物聯網設備的需求，這些設備需要使用比現有5G方案尺寸更小、更簡單、成本更低的RF解決方案，並且電池使用壽命更長。3GPP R17版本中定義了第一版RedCap規範草案 ，並於2022年中最終定稿，預計晶片組和終端產品將在未來1~2年內上市。這些規範側重三大應用領域：可穿戴設備、工業無線感測器和視訊監控。 本文深入探討RedCap規範、物聯網應用要求、開發時間表，以及對物聯網設備製造商和無線網路營運商在RF要求方面的潛在影響。
為何需要RedCap？
5G最終會支援無數個現有使用案例和新使用案例。這些使用案例一般可以分為三個大類，每個大類都有不同的要求，如圖1所示。RedCap將在三個大類的基礎上支援具有低到中等RF要求的應用小類。
圖1 RedCap融入5G環境
帶給物聯網設備製造商的優勢
對於物聯網設備製造商而言，RedCap不僅具有5G優勢，而且RF複雜性和成本低於現有的5G解決方案。關鍵優勢包括可提供比現有的低功耗廣域(LPWA)物聯網網路標準LTE-M和NB-IoT更快的速度。此外，製造商可以根據特定物聯網應用的需求，從各種5G RedCap服務中選擇，提供不同的資料速率、延遲和不同級別的可用性。
帶給營運商的優勢
RedCap將有助營運商從非獨立的5G NSA網路(維持既有4G鏈路，以進行設備連接)過渡到獨立的5G SA網路。SA網路可為營運商帶來巨大的成本和效率優勢。SA網路還提供新興業務模式；營運商可以利用5G的動態網路分段功能針對不同的應用提供客製化服務，並連接數百萬台新設備。
RedCap應用
3GPP R17中最初定義的RedCap規範主要針對三種使用案例：穿戴式設備、工業無線感測器和視訊監控。這些使用案例在無線資料速率、延遲、可用性、尺寸和電池使用壽命等方面具有不同的要求，如表1所示。
RF挑戰與解決方案
為了滿足物聯網設備的需求，相對於之前的5G解決方案，RedCap射頻解決方案必須縮小尺寸、提高電池壽命並降低成本。為了實現這些目標，RedCap要求其RF複雜性必須低於智慧手機中的5G射頻解決方案。RedCap設備與智慧手機不同，不需要極高的資料速率，因此降低複雜性是可行的。表2列出了RedCap設備與5G智慧手機在RF要求方面的主要差異。
以下幾點展示了RedCap與5G智慧手機RF解決方案之間的不同，如何降低功耗、尺寸和成本。
．更窄頻寬
在5G頻率範圍1(頻段<7GHz)內，RedCap設備只需支援20MHz最大頻寬，而智慧手機需要支援100MHz。這有助於降低功耗，延長電池使用壽命。
．更少的頻帶
高階5G智慧手機可能支援超過50個頻帶，以支援全球使用，而RedCap設備支援的頻帶數量較少，所以成本更低，尺寸更小。高階穿戴式裝置(例如高階智慧手表)可能還包含區域頻帶子集，以及一些國際漫遊頻帶。而較簡單的物聯網設備只需少量幾個頻帶，尤其是這些設備設計用於單一地點時。
．僅支援獨立的5G網路
RedCap設備無需支援非獨立網路，所以無需同時具備兩個活躍的Tx鏈，以提供4G/5G雙路連接(EN-DC)。降低了RF複雜性、解決方案尺寸和功耗。
．無2G/3G支援
RedCap設備無需支援傳統的2G/3G網路，所以不需要配備會產生大量功耗的2G/3G功率放大器。
．無載波聚合
RedCap設備一次只需使用一個頻帶，而5G智慧手機需使用載波聚合(CA)同時在多個頻帶通訊，以實現更高的資料速率。因此，RedCap解決方案無需使用複雜的濾波器來支援CA。這有助於降低插入損耗、複雜性和成本。低插入損耗意味著功耗更低，電池使用壽命更長。
．更少的天線和Rx鏈
RedCap設備對MIMO的要求比5G智慧手機更低。智慧手機在大部分頻帶都必須支援4×4下行鏈路MIMO，這需要使用四個手機天線和四個獨立的Rx鏈；而RedCap設備只需要支援一個或兩個天線和Rx路徑，具體取決於頻帶。這有助於降低電流消耗、解決方案尺寸和成本，而且使製造商更容易設計尺寸小巧的可穿戴設備和其他物聯網設備。
．FDD頻帶中的半雙工通訊
RedCap在FDD頻帶中使用半雙工通訊，而不是全雙工通訊。因此，一些RedCap應用，例如庫存/資產追蹤器，可能無需配備用於支援全雙工通訊的雙工器。這些應用可以使用更簡單的濾波器和開關，而降低了成本和插入損耗。
．更低的發射功率要求
RedCap設備的最大功率輸出要求一般都低於智慧手機，這有助於降低功耗，延長電池使用壽命。
．整合
RedCap射頻解決方案的整合程度因應用而異。對於有些穿戴式裝置，尺寸至關重要，所以高階智慧手表都傾向於採用高整合度的解決方案。對於其他應用，例如監控攝影機，尺寸不太重要，因此可以選用整合程度較低的解決方案，以降低成本。
RedCap發展時程
第一版RedCap規範於2022年中在3GPP R17中底定，但對於這項標準，這只是第一步。晶片組和RF解決方案一般會在標準最終確定後約一年推出，使用這些解決方案的最終產品則在約兩年後問世。屆時，許多營運商將轉向採用獨立的5G網路，以支援RedCap設備。
同時，3GPP仍在持續優化RedCap標準，並定義R18中將要納入的新功能。3GPP還在探尋新的方式來進一步降低RF複雜性和成本，並延長電池使用壽命。目前考慮的具體功能包括：
．定位。改善RedCap應用的窄頻定位。
．降低速度。使RedCap功能得以在更低層次的LPWA網路中使用，其頻寬可能降低至5MHz。
．側行鏈路(Sidelink)。與其他5G設備直接通訊。例如，智慧手表能夠直接與手機或耳機通訊，而無需通過5G基地台進行通訊。這會減少延遲並降低功耗。
RedCap是對物聯網設備製造商可用的蜂巢式網路選項的一個重要補充。RedCap前景可期，物聯網製造商將會獲得比目前可用的5G解決方案尺寸更小、成本更低、功耗更低的RF解決方案。這有助於製造商生產支援5G網路的小巧型物聯網設備，不僅可延長電池使用壽命，而且與使用舊物聯網網路標準的設備相比，可實現更高的資料速率。
(本文由Qorvo提供)