RedCap破解物聯網破碎化病灶　實現5G Everywhere

5G從2019年正式商轉開始，到2023年已歷經四年推動，5G進入全面普及的階段，3GPP在過去R15與R16版本的標準中，都是發展高效能的技術規範，包括高速、低延遲與高可靠度。到了R17版本，RedCap(Reduced Capability)特別強調簡化，並要求成本、耗電的平易近人，期待真正實現「5G Everywhere」的願景。

而物聯網(IoT)應用長期以來具有破碎化的特性，不同應用間的功能需求差異甚大，部分新興應用效能需求剛好落在eMBB與mMTC之間，理論上可以用5G NR解決方案滿足，但是在5G技術更加成熟，透過架構精簡的產品有助於快速大規模普及，並在成本與效能上取得更好的表現，面對IoT多樣化的產品類型與應用需求RedCap希望「以簡馭繁」。

2025預期RedCap產業應用起飛

目前一個5G模組可能需要50~300美元，如果不是高階產品可能會負擔不起，並不是所有的應用都能負擔那麼高的成本，也不是所有設備都需要NR的高效能表現，商品是否能普及最關鍵的因素是產生較低的成本。例如：電力等工業應用對網路有高可靠、低延遲的需求；影像監控在多裝置應用對系統容量需求較高，需要5G網路的大頻寬提供保障；工廠希望資料保留於廠區等需求，RedCap能在上述的需求上針對效能與成本提供最佳解決方案。

Qorvo標準協定高級總監Thomas Gee(圖1)認為，Redcap目前處於早期發展階段，但承諾為營運商和企業提供更具靈活性的服務，並且透過網路切片(Network Slicing)可以為個別應用提供量身打造的效能，比LTE Cat.4具有更高的吞吐量，更好的網路安全性，並在規模成長後逐步降低成本。RedCap晶片已經進入到開發和測試階段，並且已經有一些產品開始進行測試和評估。

由NB-IoT的發展經驗來觀察，SIMCom產品市場總監嚴永杰(圖2)表示，2018年NB-IoT晶片模組出貨量達5億單位，推動出貨量成長同時，價格也持續下降。物聯網終端有許多單價不高的產品，對於晶片價格敏感度高，需要透過出貨量帶動價格合理化。2023年第一季，已經有非常積極的模組廠推出搭載QualcommX35的RedCap模組，預期大部分的晶片/模組廠，都將於2023年底到2024年初推出RedCap解決方案，因此2025年可以期待是RedCap產業應用起飛的時間點。

5G RedCap推廣非短期工作

展望未來，目前5G基礎建設也正在從非獨立組網(NSA)架構，轉換到全5G的獨立組網(SA)架構中，2025年將有更多網路採用SA架構，Gee強調，RedCap若能搭配SA架構並採用網路切片，以根據服務需求為RedCap設備提供可變的延遲和傳輸速率，網路資源應用效率更高，因此5G技術對於營運商提供給用戶的成本將更低，也會更積極支持將用戶從舊技術轉移到RedCap。

此外，隨著RedCap模組的增加，其價格也將下降到與現有LTE Cat.4解決方案相競爭的水準。預計RedCap設備還將在功耗上具有優勢，進一步擴大使用範圍。另外，R18也將繼續降低成本和改進功能，隨著市場的發展，價格降低、電池壽命延長、功能增強和網路安全增強將推動擴大IoT應用的採用。

物聯網許多應用也強調長期穩定，Gee認為，RedCap發展過程可能遭遇的挑戰包括隨著時間的推移降低解決方案價格，並取代在某些產業中預期壽命長達10年的遺留解決方案。針對RedCap的採用趨勢將出現強勁需求，但完整解決方案直到2024年才會開始加速推進，因此用戶轉換真正開始的時間也要到2025年。

RedCap全面取代4G IoT為中長期任務

除了拓展新應用之外，RedCap中長期的任務是取代4G LTE的物聯網產品，從NB-IoT到LTE Cat.4的市場，Nordic Semiconductor蜂巢式物聯網產品總監Kristian Sæther(圖3)說明，RedCap最初為LTE Cat.4或更低技術類別的設備帶來的價值有限，目前LTE-Cat.1至Cat.4技術的致勝因素，是能夠以合理的成本實現廣泛的網路覆蓋和全球連接與漫遊，就算在沒有私有基礎設施的情況下，蜂巢式連接技術能允許設備在區域內或全球性使用，使得利基產品進入全球和更加有利可圖的市場，因為產品可以依賴單一的無線電技術和全球網路。如此看來，RedCap似乎還需要一段時間才能在全球實現5G獨立組網覆蓋；在此之前，從使用者設備的角度來看，LTE Cat.4似乎已經足夠。

而從網路業者的角度來看，在理想情況下，網路業者必須切斷現有LTE/4G的連接才能實現完全遷移到5G的想法。Sæther說，如果不將物聯網升級到5G，LTE退網就無法實現，這就是RedCap能發揮重要作用的原因。水電表之類的物聯網設備使用壽命為15~20年，比消費性產品的手機壽命長很多。因此，向5G技術遷移是極為重要的，這樣才能在2030年代甚至2040年代這段時間內為物聯網的LTE退網進行規劃。

技術/成本挑戰有待突破

在RedCap簡化的主旨下，Sæther強調，設備的主要技術挑戰是功耗。因此，從R16開始，3GPP每個版本至少導入一項UE省電功能。R16導入了連接模式DRX喚醒訊號(WUS)指示，在閒置與非活躍(Idle/Inactive)模式中導入尋呼提前指示；在R17中則導入連接模式的PDCCH跳頻與搜索空間組切換指示。目前，3GPP正在研究低功耗喚醒訊號以及R18中更長的eDRX週期。低功耗喚醒訊號可以實現非常低功率的設備，同時仍可以保持低延遲的功能。

另一個挑戰是全球性的解決方案成本太高，以至於在大多數情況下無法實現。模組的實作通常以不同的存貨單位來涵蓋不同的區域。這促使成本、庫存複雜性和市場覆蓋率等等的挑戰貫穿整個供應鏈。Sæther表示，在可以推出更簡化的eRedCap解決方案之前，R17版的RedCap有可能面臨類似的風險。

再者，支援RedCap半雙工模式尤其重要。它有助於進一步降低功耗和設備成本，雙工器需要昂貴且敏感的RF濾波器，這些濾波器往往用於特定頻段，而且比半雙工設備中使用的濾波器功耗更高。另一方面，由於半雙工對頻譜效率和延遲的負面影響，因此一直不受電訊業者的歡迎。然而，新無線電接取技術(NR RAT)具備靈活的調度時間偏移、通道長度和切換間隙長度的優點，減輕了這兩項缺點帶來的影響。

RedCap首先切入高階產品

以應用發展的先後順序來說，Sæther認為，初期的R17 RedCap解決方案適合穿戴式設備包括高階的智慧手表、入門級平板電腦和低階智慧功能手機、擴增實境(AR)眼鏡和遊戲等行動消費性應用；另外，高階的監控系統、汽車TCU(車載資通訊控制單元)，甚至是較低階的智慧手機和平板電腦，這類對於價格敏感度較低的產品，時間大約在2023年底開始，2025年預計有顯著成長。

應用範圍的大幅擴展則需要R18 eRedCap晶片組和相關RedCap功能的大範圍網路覆蓋，企業和工業應用領域才可能真正接納RedCap，發生時間應該要到2026~2027年左右了。初始的解決方案、甚至是第一版最佳化解決方案的作為仍然有限。只有這樣，RedCap才能真正讓現有的廣泛Cat.1到Cat.4設備和新應用遷移到5G，同時獲得更低的成本和功耗。