5G时代物联网应用的蜂窝通信技术演进

本文介绍了从4G LTE到5G New Radio(NR)的进展、当前和未来的标准，以及5G NR RedCap对于物联网应用的重要性。

蜂窝通信行业正处于两代蜂窝通信技术之间的过渡期，即正从4G LTE向5G New Radio(NR)过渡。尽管全行业为开发下一代蜂窝通信标准付出了诸多努力，但部署过程一直都相对较慢。鉴于此，与之前的过渡期（例如从3G到4G）非常相似，预计这两项技术仍然将继续共存数年。

当3GPP在版本15中制定第一个5G NR技术规范时，行业主要侧重于发展增强型移动宽带(eMBB)，其主要目标是满足消费者对高速移动和固定无线互联的需求。eMBB从来就不是为了满足物联网应用的需求而设计的。

因此，面向物联网市场的4G LTE设计人员发现自己无法升级至5G NR网络。针对这种情形，3GPP在后续版本中不断扩大5G New Radio的能力，力争弥补这些不足之处。

01.5G New Radio的基石：

eMBB、uRLLC和 mMTC

2018年6月，3GPP标准机构推出了一系列5G NR(New Radio)通信规范，定义了三个具有不同应用环境中的独特特征的使用场景：

eMBB（增强型移动宽带）旨在提供更高的数据速率和更低的延迟。该规范依托于宽带信道、载波聚合和MIMO（多输入多输出）等技术，是一项支持高数据速率和高级功能的多无线电接入技术(Multi-RAT)。目前，eMBB是5G的主要部署驱动力。许多投资和活动均集中在这条发展方向上，最常见的实施方式就是消费级智能手机。

uRLLC（超可靠低延迟通信）是一种强大的解决方案，可为延迟敏感型和关键任务应用提供尽可能低的延迟和尽可能高的网络可靠性。在不久的将来，该规范将与机器人技术、自动驾驶汽车和工业自动化密切相关。

与传统蜂窝通信技术相比，mMTC（大规模机器类型通信）可提供超低功耗和增强型室内覆盖范围—这两者都是许多物联网应用的关键要求。LTE-M和NB-IoT在技术上属于4G LTE架构，但被认为与5G mMTC前向兼容，并且正式属于5G mMTC系列。

5G NR(New Radio)是专为5G开发的最新无线电标准。该标准使用两个频率范围，FR1用于高达7.125GHz的频段，而FR2则用于24.25和71.0GHz之间的频段。超过24GHz的频率范围通常也被称为毫米波(mmWave)。

02.4G LTE和5G仍将继续共存至少10年

技术更新换代是一个复杂的过程，需要较长的过渡期。在过渡期内，旧技术会逐渐淘汰，而新技术将逐渐得到普及。

尽管发展较慢，但蜂窝通信技术一直呈稳步增长之势。1991年，2G正式开始商用。尽管3G和4G的主要目标是淘汰上一代，但目前，全球仍有15%的移动用户还在使用2G。

从4G到5G的过渡也在沿着类似的路线发展。2010年，4G正式开始商用，现已占全球订阅量的50%以上，到目前为止尚未宣布关闭。正如移动订阅图表所示，5G用户数量每年都在不断增长，而4G网络用户则呈持续减少之势，尽管速度相当缓慢。根据爱立信的移动报告，至少到2027年之前，4G仍然将是订阅数量最多的移动技术。

与从2G和3G到4G的过渡相比，从4G到5G的过渡要复杂得多。根据用户设备(UE)类别，4G LTE优先考虑实现更高的数据传输速率。

但随着蜂窝通信应用范围的不断扩大，数据速度不再是唯一的利害因素。与前几代蜂窝通信技术不同，5G并不是专为取代4G而设计的。市场需要的是多维升级，而不是一维升级，仅关注数据传输速率是远远不够的。

因此，5G开始提供更广泛的可能性和新的核心网络实施选项，而这仅仅是其中几个维度之一。事实上，随着超低延迟和低功耗的推出，用户现在有机会探索更多其他潜在应用。

缓慢迁移的消费者和多维方法是从4G物联网应用迁移至5G时需要考虑的关键因素。作为5G mMTC系列的一部分，LTE-M和NB-IoT现已推出，可为功耗敏感型应用和低数据传输速率的应用提供一条路径。

对于中等数据传输速率的物联网应用，RedCap填补了5G规范中的一个重要空白，让LTE Cat 4和Cat 1应用能够迁移至5G NR。与此同时，一直到2030年，LTE都将持续在运营商网络中发挥重要作用。

03.面向物联网的新5G规范及其范围

eMBB、uRLLC和mMTC可为其用户提供广泛的可能性。然而，这些规范并未广泛应用于工业监控、传感器网络、车联网、视频监控和可穿戴设备等领域的各种中端物联网场景。因为使用场景通常是需要高于LTE-M或NB-IoT但低于eMBB的数据传输速率。

2020年12月，为了响应各项需求，3GPP推出了一个新的工作项目来研究此类中端物联网应用的需求。2022 年6月，3GPP版本17正式发布，其中包括最新的5G NR规范：5G NR Reduced Capability(RedCap)。

在性能和复杂度方面，RedCap的定位在LTE-M和NB-IoT之上，但在eMBB和uRLLC之下。RedCap尤其适合当前通过LTECat 1或Cat 4通信的应用。根据新芯片组的典型开发时间表以及运营商网络所需的升级，预计最早的商用RedCap设备将于2024年上市。

考虑到主要使用场景，RedCap旨在满足各种需求：

数据速率：

当以20MHz带宽部署时，RedCap将支持高达LTE Cat 4范围的数据传输速率。数据传输速率可能因实际网络配置和双工信号传输类型而异，包括FD-FDD（全双工频分双工）、HD-FDD（半双工频分双工）和TDD（时分双工）。

例如，在FD-FDD中采用256-QAM以20MHz的带宽（考虑接收分集）运行时，数据传输数率最高可以达到227Mb/s（下行链路）和91Mb/s（上行链路）。当DL/UL模式为4:1时，TDD中的数据传输可以达到最高181Mb/s（下行链路）和18Mb/s（上行链路）–这仍然高于LTE Cat 1可以实现的速度。

设备复杂性：

RedCap规范减少了带宽、天线数量和MIMO层。与eMBB和uRLLC实施相比，RedCap还引入了可降低复杂性的功能，从而有效降低成本。较低的复杂性可以实现更小的设备尺寸，从而适应可穿戴设备的封装。

频段支持：

FDD和TDD均支持5G New Radio FR1和FR2频段。理论上，RedCap设备可以支持与eMBB设备相同的FR1和FR2频段范围，从而为全球移动运营商提供高效的部署选项。这将简化向5G NR stand-alone网络的最终迁移。但是，移动运营商可以选择在比eMBB更小的一组频段上部署RedCap。

功耗：

对于许多物联网和可穿戴设备应用，设备能效都是一项至关重要的因素。通过在空闲和非活动模式下添加eDRX（扩展非连续接收）周期并减少固定设备的邻区测量，RedCap有助于在eMBB的水平上进一步降低设备功耗。

04.RedCap与eMBB对比

减少功能有助于降低复杂性。通过比较版本17 RedCap与版本15 eMBB设备的功能，可以确定规范中至少减少了五项相关功能，而这又有助于降低设备的复杂性和成本。

1. 最高带宽

5G eMBB设备必须在FR1中支持100MHz的最高带宽，并在FR2中支持400MHz的最高带宽。对于RedCap设备，这两者分别对应于版本17中的20MHz(FR1)和100MHz(FR2)。出于成本考虑，大多数RedCap设备可能会部署在FR1频谱中，因此支持的最高带宽为20MHz。

2. 接收机天线

eMBB设备至少需要两个接收机天线，而在某些频段中可能需要四个接收机天线。根据3GPP规范，一到两个接收机天线足以满足RedCap设备的要求。然而，由于接收分集会尽可能增加数据吞吐量，因此移动运营商可能需要通过两个天线来支持各种使用场景。

3. 下行链路 (DL) MIMO 层数上限

RedCap设备的DL MIMO层数较少，因此具有两个接收机天线的RedCap设备最多包含两个DL MIMO层。在网络授予访问权限之前，设备需要向网络通知所支持的层数。

4. 最高下行链路调制阶数

对于FR1，eMBB设备最高可支持256-QAM（正交幅度调制）。RedCap要求在FR1和FR2中提供64-QAM支持，而在FR1的DL中则可以选择性提供256-QAM支持。尽管256-QAM可以为移动运营商提供更高的带宽效率，但同时也增加了设备的复杂性。移动运营商可以选择通过64-QAM来实现降低复杂性的目标，但也可以选择通过256-QAM来尽可能提高带宽效率。

5. 双工运行

对于FR1，在FDD频段中，eMBB设备必须支持全双工运行(FD-FDD)，从而在下行链路和上行链路频段上同时发送和接收数据。这需要多个双工滤波器，从而增加设备成本。相反，RedCap设备不要求采用全双工FDD；设备传输不必同时发生在上行链路和下行链路频率上（HD-FDD，半双工FDD）。

HD-FDD的带宽效率较低，因此并非所有运营商都支持HD-FDD，至少在最初阶段是这样。

其中一些功能是可选项。这方面与移动运营商相关，后者有相当具体的实施要求，其中一些要求要比其他要求更加严格，具体取决于服务水平协议。

05.5G NR RedCap在物联网应用中取代LTE

通过比较RedCap与eMBB，我们可以更加深入地理解3GPP标准中为降低复杂性所做的选择。然而，大多数物联网公司并不会在eMBB与RedCap之间做出选择，因为对于绝大多数物联网使用场景而言，eMBB都将提供过于丰富的功能，而且成本也过高。那么LTE Cat 1或Cat 4的情况如何呢？与这两者相比，RedCap处于什么位置？

RedCap推出的功能可能会吸引当前使用LTE Cat 1和Cat 4的物联网设计人员，尤其是面向中端物联网应用的设计人员。对于某些配置，RedCap的峰值数据传输速率可能要比LTE Cat 4更高，而延迟则更低。RedCap还在专用网络中提供与5G核心网的内在通信。当网络寿命成为首要考虑因素时，这将广泛惠及终端用户。

物联网设计人员还需要考虑时间安排，从上市时机到计划中物联网设备的生命周期。尽管LTE网络的可用性将持续多年，但向5G独立网络的过渡是不可避免的。

在某些地区，首批5G NR RedCap设备预计将于2024年某个时间上市。随后，其他地区也将跟进，具体取决于运营商的计划和优先级。因此，RedCap的过渡时间也将取决于地理位置。

最后，设备设计人员应当谨记，某些物联网应用的寿命非常长，通常达到十年甚至更长。因此，设备在设计上应当支持连接到2030年代后期的网络。

本文节选自u-blox最新发布的白皮书《5G时代物联网应用的蜂窝通信技术演进》，接下来的章节中，将对5G NR RedCap如何适应物联网的其他5G使用场景及Rel-18 5G NR RedCap主要特征等，做更为详尽的分析。

审核编辑：汤梓红