5G RedCap轻量化通用模组技术要求白皮书

1 前 言 新一代移动通信技术（5G）作为新基建的核心，已经渗透到人们社会生活的方方面面，为科技创新、经济发展和社会进步注入新活力，带来新机遇。5G第一版国际标准（3GPPNRR15版本）于2018年9月正式冻结，可满足5G愿景中移动增强宽带、超高可靠低时延和海量连接的基础指标要求，因而成为了当前全球5G网络部署的基础版本。为了能够提供更高质量的服务，满足与垂直行业的深度融合，NRR16版本对传统eMBB业务和垂直行业扩展均进行了增强，该版本于2020年6月正式冻结。随着5G网络商用及技术演进，NRR17版本于 2022年6月正式冻结，该版本一方面对已商用特性进行增强，优化功能实现、提升性能指标；另一方面NRR17版本在新方向进行探索，引入了RedCap等新功能。目前，产业已启动R17产品研发，R17特性需求是业界广泛关注和讨论的热点。 本报告由中国移动研究院联合移远、广和通、芯讯通、高通、MTK、紫光展锐、翱捷科技、必博、宏电、鼎桥、加糖、四信、映翰通、中移物联等公司共同撰写。 录 目 1.产业现状4 1.15G网络发展现状4 1.25G终端/芯片/模组发展现状4 1.3RedCap标准化现状4 1.4RedCap典型应用场景5 2.5GRedCap轻量化通用模组通信能力要求8 2.1模式要求8 2.2频段要求8 2.3天线能力8 2.4AP/MCU要求9 2.5RedCap技术要求9 2.5.1基本能力要求9 2.5.2BWP要求9 2.5.3接入控制与终端识别10 2.5.4驻留与移动性管理10 2.5.5Redcap节电10 2.5.6射频指标11 2.5.7发射功率11 2.6语音特性11 2.7天线能力URLLC/IIoT要求12 2.7.1低码率MCS/CQI表格12 2.7.2重复传输（PUSCH/PDSCHrepetition）12 2.7.3configuredgrant配置12 2.8SIB9授时要求12 2.9以太网头压缩要求12 2.10NPN/CAG要求13 2.115GLAN要求13 2.12二次认证及鉴权要求13 2.13行业切片要求13 2.14节电增强要求14 2.154/5G互操作14 3.5GRedCap轻量化通用模组硬件封装要求14 3.1LCC+LGA/LGA封装14 3.2miniPCIe封装14 3.3M.2封装15 4.5GRedCap轻量化通用模组电气接口要求15 4.1SIM卡接口15 4.2UART接口15 4.3USB接口15 4.4WlAN接口15 4.5RGMII&SGMII接口15 4.6IIC接口16 4.7IIS/PCM接口16 4.8SDIO接口16 5.总结与展望16 缩略语列表17 参考文献18 附录19 产业现状 1. 5G 网络发展现状 1.1 中国移动已建成全球最大的5G网络，截至2023年5月底，中国移动已累计开通5G基站数超162+万个，力争于23年底支持RedCap能力。 5G终端/芯片/模组发展现状 1.2 芯片产品方面，从2017年至今，5G终端芯片研发先后经历了终端原型机、基带芯片、SoC芯片三个发展阶段，芯片工艺不断演进，从10nm、6nm提升到目前3nm工艺。2019年9月起，海思、联发科技、高通、三星、展锐等主流芯片厂家均陆续发布了商用的5GSoC芯片，并完成了充分的测试验证；2021年骁龙8GEN1、天玑9000等支持3GPPR16标准的芯片陆续商用，并完成MDT、载波聚合增强、终端节电等多项R16新特性测试。目前，芯片厂商已经开始规划并研发基于3GPPR17协议版本的5G芯片产品，预计2023年下半年多家芯片厂商将陆续推出商用产品。Redcap等R17新特性的技术验证已经逐步开展。 模组产品方面，支持R15能力的模组款型丰富，已知商用款型在30+，包括 M.2和LGA两种封装，体积尺寸方面涵盖30*52、41*44、52*52等多种规格尺寸，价格方面已下探至400~500元，同时支持R16版本的多款5G模组陆续商用。目前各模组厂家已启动R17版本的5G模组产品规划。 RedCap标准化现状 1.3 为更好地满足工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等中低速物联网应用场景对终端设备低复杂度、低成本、小尺寸、低能耗等的需求，3GPPR17版本定义了RedCap（Reduced-Capability）终端类型，并于2022年6月标准冻结。将在R17的基础上，R18阶段将研究如何进一步降低终端成本和节能的技术，评 估RedCap终端的定位性能并进行必要的增强，扩展RedCap生态。 随着3GPP标准化工作中针对RedCap标准的R17阶段完成，CCSA就启动了RedCap关键技术的行标制定工作。2022年6月，TC5WG9#120会议通过了5G数字蜂窝移动通信网轻量化（RedCap）终端设备技术要求（第一阶段）行标立项，在TC5WG9#123会议上通过了5GRedCap轻量化通用模组技术要求（第一阶段）行标立项，为后续RedCap技术应用奠定了基础。 RedCap典型应用场景 1.4 视频监控 随着“平安城市”、智慧社会建设，视频监控市场规模持续增长，在已部署视频监控的场景中有10%~20%的区域存在布线困难等问题，亟需无线技术能力保障监控视频回传。此外，行业政策积极推动5G技术在安防领域应用，《中国安防行业”十四五”发展规划（2021-2025年）》明确要求了“加快5G等移动通信技术的落地，推动在安防行业的广泛应用”。 如表2-1所示，从视频监控业务对网络传输的要求来看，视频监控对于单用户速率、时延及可靠性要求较为宽松，但多用户并发对系统容量需求较大。 表1-1视频监控业务需求 分辨率 典型帧率 速率(Mbps)（H.265） 时延(ms) 可靠性 720P 25 1.82 <500 99%-99.9% 1080P 25 4.11 <500 99%-99.9% 2K 25/30 8.76 <500 99%-99.9% 4K 25/30 19.71 <500 99%-99.9% 5GRedCap可满足大部分视频监控场景业务需求，且可充分利用5G网络百兆带宽，保证适配监控容量需求，同时有效降低终端成本。 智能电力 电力行业是工信部发布的“5G+工业互联网”第一批五大重点行业之一，电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设施，承担着各类电力业务的安全性、实时性、准确性和可靠性要求，主要业务环节包含发电、输电、变电、配电和用 电。其中，配电环节的差动保护、自动化三遥、精准负荷控制、配电站综合监测等业务对低时延、高可靠的网络有强烈需求，同时，为满足安全生产需求，电网的生产控制大区和管理信息大区对信息隔离度要求极高，以目前4G网络能力和电力专网的能力，无法满足业务对网络的高要求。 表1-2智能电力业务需求 业务名称 时延(ms) 速率 可靠性 授时 安全隔离 平均连接数 配网PMU ≤50 ≥2Mbps 99.99% 1µs 物理隔离 X个/km2X≤10 配网差动保护 ≤80 ≥2.5Mbps <10µs 生产控制大区与管理信息大区间物理隔离， 大区内部逻辑隔离 X*10个/km2X≤10 自动化三遥 ≤100 遥信、遥测≥1kbps / 生产控制大区与管理信息大区间物理隔离，大区内部逻辑隔离 X*10个/km2X≤10 遥控≥100kbps 智能配电房 ≤200（采集 类业务） 20-100Mbps 99.90% / 生产控制大区与管理信息大区间物理隔离，大区内部逻辑隔离 5-10个/km2同时并行工作数量为1-5 个 ≤50（控制 类业务） 5GRedCap可充分利用5G网络在低时延、高可靠、切片等方面的优秀技术特性，满足电力业务需求，同时可进一步降低终端成本。 智能制造 随着“中国制造2025”国家战略不断推进，制造业逐渐向信息化、数字化、智能化转型升级。产业数字化转型对网络连接、终端成本和功耗提出要求。 智能制造包含智能物流、生产现场监测和无人智能巡检等典型业务场景。智能物流：主要包括线边物流和智能仓储。线边物流是指从生产线的上游工 位到下游工位、从工位到缓冲仓、从集中仓库到线边仓，实现物料定时定点定量配送；智能仓储需通过厂区内自动导引车辆（AGV）、机械臂等设备和无人仓视觉系统，实现物流终端控制、商品入库存储、搬运、分拣等作业全流程自动化、智能化。此类业务场景涉及定时定点及远程控制，对网络时延及可靠性需求较高。 生产现场监测：在工业园区、厂区、车间等现场，通过各类传感器、摄像头和数据监测终端采集环境、人员动作、设备运行等监测数据，回传至生产现场监测系统，对生产活动进行高精度识别、自定义报警和区域监控，实时提醒异常状 态，实现对生产现场的全方位智能化监测和管理，为安全生产管理提供保障。此类业务场景涉及安全管理及实时报警，对网络时延及可靠性需求较高，由于存在视频数据回传，对上行数据速率也存在一定需求。 无人智能巡检：通过巡检机器人替代巡检人员进行巡逻值守，采集现场视频、语音、图片等各项数据，自动完成检测、巡航以及记录数据、远程告警确认等工作，此类业务场景涉及远程控制及视频数据回传，对网络时延及上行数据速率需求强烈。 表1-3智能制造业务需求 业务场景 速率要求(Mbps) 时延(ms) 可靠性 智能物流 1 <50 99.9% 生产现场监测 上行2-10 <50 99% 无人智能巡检 上行10-20 <50 99% 5GRedCap终端可以应用于智能物流、生产现场监测和无人智能巡检业务，有效满足业务在时延、可靠性及数据速率方面的需求，同时进一步降低终端成本和功耗。 石化勘探 能源安全是关系国家经济发展的战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要，而能源勘探是保证能源安全的重要前提。 油气勘探采用的是地球物理法中的“地震勘探”，通过智能节点仪记录地震波进而判断油气资源的储备情况。目前，国际市场通用的油气勘探装备基于有缆技术，该技术被海外企业垄断，有缆系统需要连接全部地震仪，人力消耗大，地形适应性差，故障排除困难。面向石化行业野外勘探地震数据采集场景，无缆高效的节点地震采集系统已被市场广泛接受，但其无法实现海量数据实时传输、缺乏施工质量控制手段，地震采集系统迫切需要支撑大连接数、高传输速率、低成本的通信手段。 表1-4石化勘探业务需求 业务场景 速率要求 连接数 地震数据采集节点 上行24Kbps/个 320个/km2（目标覆盖范围100-128km2） 5GRedCap可匹配地震数据采集节点的速率需求，助力石化勘探实现无线化大规模实时节点采集，大幅减小施工难度，降低部署成本。 5G RedCap轻量化通用模组通信能力要求 2. 随着5G系统的不断部署和广泛应用，为更好地满足工业无线传感器、视频监控和可穿戴设备等中端物联网应用对设备复杂度与成本降低、尺寸减小、能耗更低等特定需求，在Rel-17版本中，为了进一步降低终端复杂度和成本，3GPP定义了RedCap设备类型。Redcap轻量化技术是在确保应用需求和性能的前提下，通过削减设备的能力，降低终端设备的复杂度，达到降低成本，功耗，延长使用寿命等一系列要求。 5GRedCap轻量化通用模组以RedCap技术为核心，立足RedCap低成本、低功耗优势，增加行业应用关键技术，满足行业需求。 模式要求 2.1 5GRedCap轻量化通用模组应至少支持5G（SA）能力。建议当前阶段支持 4G，待支持Redcap的5G网络覆盖达到4G网络覆盖水平，则可选支持4G能力。 频段要求 2.2 5G频段及帧结构能力见表2-1。 表2-15G频段及帧结构能力 网络模式 频段 上行（终端发） 下行（终端收） TDD帧结构 特殊时隙 5G n41 2496MHz-2690MHz 2496MHz-2690MHz 5ms帧周