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確保裝置互通性 RedCap全面測試驗證勢在必行
降低5G複雜性

【作者: 王岫晨】   2024年07月08日 星期一

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RedCap(Reduced Capability)是3GPP IoT無線規範。由於其有限的5G NR功能,RedCap具備成本效益高和低功耗的優勢,適用於工業無線感測器、影片監控和可穿戴裝置等設備。為了實現RedCap產品商業化,供應商必須評估協議操作和RF特性,以確保符合指定的5G網路連接性和所需的訊號品質。


精簡化5G性能

RedCap全名為Reduced Capability,也被俗稱為NR-Light。這是一種專為低功耗物聯網設備而設計的5G物聯網IoT技術。其主要目標是精簡化5G NR性能。


5G RedCap或NR-Light是一種設備平台,可以解決或縮小在5G技術領域中所面臨的複雜性差距,並針對中階應用場景進行了優化設計。推動5G RedCap的應用場景包括可穿戴設備(例如智能手錶、可穿戴醫療設備、AR/VR眼鏡等)、工業無線感測器和視頻監控。


5G RedCap設備可以在較窄的頻寬中高效運行,例如在7GHz頻段的20MHz或毫米波(mmWave)頻段的100MHz,具有單發射天線、單接收天線(或雙天線),具備支援半雙工FDD的選項,低階調變(或選擇256-QAM),以及支持較低的發射功率。降低複雜性有助於實現更具成本效益的5G RedCap產品,而更長的電池壽命和更小的設備空間,為更廣泛的應用與創新設計帶來可能。


RedCap也被稱為NR-Light。這是一種專為低功耗物聯網設備設計的5G物聯網IoT技術,主要目標是精簡化5G NR性能。

RedCap的主要優勢包括低能耗、低成本和高速率。它能以低於5G NR技術近40%的終端價格成本,提供遠高於4G NB-IoT技術近千倍的傳輸速率。這樣的特性使得RedCap能夠填補4G NB-IoT、4G LTE、5G NR等技術中間的產品缺口,有效滿足各行業多樣物聯網應用場景的網路需求。


觀察RedCap的技術發展現況,3GPP在2022年6月凍結了R17標準,其中包含了RedCap。這個標準精簡化了5G NR性能,補足了4G與5G物聯網的斷層,為行動通訊由LTE邁向NR的演進鋪路。在相關的晶片發展方面,聯發科技在2022年底宣布其5G晶片進行RedCap連接性驗證,高通則在2023年2月發布了基於RedCap的Snapdragon X35數據機晶片。


RedCap可以被理解為一種5G的輕量化技術,它可以大幅降低5G終端成本,同時又可以繼承5G的特性。相對於傳統的5G技術,RedCap設備使用的天線數量更少,支持更低的頻寬,進而降低了設備製造的成本。這意味著更多的人可以負擔得起5G服務,推動了5G技術的廣泛普及。



圖一 :  RedCap應用場景包括可穿戴設備、工業無線感測器和視頻監控
圖一 : RedCap應用場景包括可穿戴設備、工業無線感測器和視頻監控

然而,RedCap的競爭技術主要來自於其他的無線通信技術,包括4G、5G NR(New Radio)等。這些技術在某些方面可能具有優勢,例如在提供更高的數據傳輸速率,或更大的連接數量等方面。但是,RedCap透過降低成本和複雜性,以及提供足夠的性能來滿足大多數物聯網(IoT)應用的需求,因而在這些競爭中找到了自己的位置。


此外,RedCap還面臨來自於其他低功耗區域網路(LPWAN)等技術的競爭,例如LoRa、Sigfox和NB-IoT等。這些技術通常被用於需要長距離、低功耗和低數據速率的物聯網應用。然而,RedCap可以提供更高的數據速率和更好的移動性,以及利用現有的5G網路基礎設施,使得它在這些應用中具有競爭優勢。


RedCap驗證挑戰

RedCap設計目標是精簡化5G NR性能。例如,RedCap的下行鏈路僅支援2×2 MIMO,而上行鏈路僅支持單入單出(SISO)。RedCap裝置支援的頻寬也比其他5G終端低,目前RedCap裝置只支援FR1頻段的20MHz頻寬,和FR2頻段的100MHz頻寬。RedCap可以透過使用半雙工頻分雙工(HD-FDD)傳輸代替全雙工FDD(FD-FDD),以防止裝置在不同頻率上同時發送和接收資料。因為這樣的特性,非常適用於多種裝置類型,包括適用於支援工業物聯網、穿戴式裝置以及安全和監控應用所需的裝置。


由於RedCap的技術特性和應用場景的多樣性,對其進行全面的測試和驗證是一個挑戰。例如,需要確保裝置的互通性,並對RedCap參數進行充分的測試以確保連接的穩定性。儘管RedCap有許多優勢,但其市場接受度仍然是一個未知數。例如,需要看到更多的實際應用案例,以驗證RedCap的實際效能和價值。


此外,RedCap的發展也受到相關標準制定和更新的影響。例如,3GPP正在討論R18版本,該版本將進一步制定增強版RedCap(eRedCap)。R18將主要針對三個角度持續精簡化:減少頻寬、降低峰值資料速率、減緩處理速度。這將使RedCap的功耗和成本更低,擴展RedCap的採用範圍。然而,這需要時間來制定和實施,並可能帶來新的技術挑戰。


RedCap需要在裝置和網路運行中實現多種策略來降低5G裝置的複雜性、成本和功耗。這些技術實現需要工程人員對5G通訊有深入的理解和技術能力。而在測試工具上,工程師需要一套可在不同領域進行非信令和信令測試的網路模擬解決方案,包括協定、射頻、功能驗證,以及在真實條件下進行的效能測試。測試解決方案也必須支援5G Release 17 RedCap和傳統的C-IoT技術。


多合一5G基地台模擬器

5G RedCap顯著提升了5G支援物聯網解決方案的能力,該技術作為高速和低速場景之間的關鍵環節,將實現數十億新物聯網設備的部署。RedCap非常適用於需要高可靠性和速度介於超級增強型行動寬頻(ultra eMBB)和低功耗廣域網(LPWA)之間應用,包括可穿戴設備、AR/VR、工業傳感器、智能電網等。


Anritsu安立知無線通訊測試平台MT8000A,搭配Quectel的RedCap模組 Rx255C系列進行呼叫連接和射頻參數測試,可用於驗證該模組是否符合3GPP R17定義的RedCap規範。MT8000A是一款多合一的5G基地台模擬器,支援 5G RF、協議測量以及應用測試,並支援高階4x4 MIMO和載波聚合(8CA)技術,可實現快速且大容量的通訊。



圖二 : 安立知無線通訊測試平台MT8000A
圖二 : 安立知無線通訊測試平台MT8000A

一致性測試系統

物聯網晶片組、數據機和終端設備的製造商以及測試機構現在可以依靠久經考驗的Rohde & Schwarz解決方案,在所有設備生產階段進行387個5G RedCap測試案例,可覆蓋從早期研發到類型批准合規測試的所有設備生產階段。


5G RedCap將真正的中層增強型機器通信(eMTC)引入5G生態系統。RedCap將使一批新設備成為低速窄帶物聯網(NB-IoT)、傳統標準和當前5G極端之間能力和複雜性差距的橋樑,為中層使用案例(如工業自動化感測器、智慧攝像頭和可穿戴設備)提供優化設計。與增強移動寬頻(eMBB)使用案例相比,5G RedCap羽量級技術減少了天線和複雜性的數量,使用更少的頻譜頻寬,耗電量顯著降低,並且僅在獨立(SA)模式下工作。


R&S為其CMX500單機綜合分析儀和TS8980一致性測試系統,在最近的一致性協議小組(CAG)第74號會議上成功驗證了5G RedCap(限制能力)測試案例,全球認證論壇(GCF)能夠在其設備認證計畫中啟用相應的工作項目。



圖三 :  R&S CMX500無線通信測試儀
圖三 : R&S CMX500無線通信測試儀

RedCap互通性測試

RedCap規格是3GPP 5G NR第17版(Rel-17)標準的一部分,提供精簡無線裝置5G功能的支援。精簡型裝置的複雜度、成本和功耗較低,可有效支援工業感測器等穿戴式裝置所帶來的全新行動通訊物聯網(CIoT)使用案例。如同所有行動通訊使用案例,業者須根據資料、延遲性、可靠性和容量要求,全面測試RedCap裝置使用案例,以便在部署於無線網路之前,確保它們能如預期般運作。


是德科技(Keysight)5G New Radio(NR)RedCap符合性測試案例,已率先取得認證。這些測試案例可與是德科技5G網路模擬符合性測試平台(TP168)搭配使用。該公司的5G RedCap測試案例,在最近舉行的全球認證論壇(GCF)符合性協議小組(CAG)第74次會議中取得認證。


RedCap測試服務

目前,中階IoT設備主要仍依賴LTE Cat-1bis和LTE Cat-4設備進行廣域無線連接和移動性。雖然在可預見的未來,LTE網絡預計將與5G網絡共存,但5G RedCap可以提供NR的能力、效率和靈活性,對於這些應用,可以提供更高的吞吐量、更低的延遲、更長的電池壽命、更好的網絡安全性以及優化的成本結構。隨著5G的演進,未來通信服務提供商將開始從4G向5G遷移。在這種情況下,可以預期5G RedCap將成為未來新中階IoT設備設計的首選。


SGS 台灣無線通訊實驗室目前已經獲得5G RedCap驗證實驗室資格。SGS Taiwan無線通訊實驗室為了保證5G RedCap產品的品質和性能,率先與儀器商合作提供預先測試服務,並且提前取得晶片商的樣品來進行比對驗證,包括性能評估、互操作性測試、安全性檢測等。


結語

RedCap的競爭技術主要來自於其他的無線通信技術和低功耗寬域網路技術。透過其獨特的優勢,RedCap已經在物聯網市場中找到了自己的位置。在未來,隨著5G技術的進一步發展和普及,我們可以期待RedCap將在更多的應用場景中發揮其作用。


5G RedCap的應用場景包括可穿戴設備(例如智能手錶、可穿戴醫療設備、AR/VR眼鏡等)、工業無線感測器和視頻監控。


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