3GPP R17標準2022年6月凍結，其中，RedCap作為5G時代的物聯網協定，精簡化5G NR性能補足4G/5G物聯網斷層，為行動通訊由LTE邁向NR的演進鋪路，預計2023年底或2024年初可看見相關應用。
「RedCap」全名為Reduced Capability，俗稱NR-Light，顧名思義旨在精簡化5G NR性能。自從3GPP Release 17在2022年6月凍結，RedCap作為5G NR專屬的物聯網協定受到各界關注。晶片方面，聯發科技(MTK)在2022年底宣布其5G晶片進行RedCap連接性驗證，高通(Qualcomm)更在2023年2月發布基於RedCap的Snapdragon X35數據機晶片；模組方面，則有如移遠通信(Quectel)這樣的積極先行者，於2023年2月底發布採用X35晶片的模組系列，預計2023上半年提供樣品。
RedCap到底哪裡吸引人？現有RedCap基於R17版本規範，和即將於2024凍結的R18版本規格有何差異？本文將深入分析RedCap的技術規格現況，並展望未來增強版RedCap(eRedCap)的模樣，解釋RedCap發展需要關注的幾大要點。
RedCap誕生史
3GPP最初在提交5G文件至國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)時，考慮5G mMTC以R13制定的NB-IoT標準為設計指標提出附加要求，而5G網路對eMBB和URLLC的需求優先級更高，因此在5G初期版本仍以LTE既有的物聯網協定支援mMTC性能。
4G時代已有LTE-M作為精簡化LTE，5G初期沿用4G已經成熟發展的LTE-M和NB-IoT，卻漸漸遇到許多應用需求落在5G NR eMBB/URLLC和LTE-M/NB-IoT性能中間的窘境，採用5G NR晶片成本太高且耗電，但LTE-M/NB-IoT傳輸速率和延遲表現又不足以滿足所需。察覺兩世代物聯網協定的斷層，3GPP於R17效仿LTE-M的做法將5G NR性能精簡化，推出RedCap這個介於5G NR和LTE-M之間的物聯網協定。
RedCap R17初版規格解密
台灣羅德史瓦茲市場開發行銷資深協理盧迦立表示，RedCap作為全新5G物聯網協定，具有兩方面的優勢。首先，和4G相比，5G本身在系統面便具有波束成形、mMIMO、QoS、網路切片等技術特色；另一方面，和5G NR相比，RedCap本身在規格上降低頻寬、減少天線數量及調變，以此簡化整體設計和元件數量，成功降低功耗、成本及體積，打造出更適合物聯網應用的晶片。
R17版本的RedCap規格可參考表1和表2。以目前5G普遍使用的FR1頻段來看，RedCap的運行頻寬從100MHz降至20MHz，並將發射天線減少為1根，接收天線則可依照應用需求調整為1或2根。此外，RedCap可支援半雙工FDD，減少交換器(Switch)用量，並將調變降階至64QAM減少濾波器數量，同時保留256QAM選項，可根據應用需求彈性配置。
表1 5G NR與RedCap性能比較 (資料來源：Toward Smaller and Lower-Cost 5G Devices with Longer Battery Life: An Overview of 3GPP release 17 RedCap)
RedCap vs LTE
從表2可以看出，運行在FR1頻段的RedCap，其性能和4G的Cat 4十分相近。針對這點，愛立信技術長姚旦認為，從長期演進來看，RedCap提供了行動通訊從LTE到NR的演進路徑。採用RedCap標準的裝置能夠運行在5G的所有頻段中，考慮未來行動網路從4G遷移至5G的趨勢，儘管目前普遍預測4G將和5G共存至少10年，依舊可預期4G退網、頻譜重新分配給5G的未來。屆時，裝置是否採用5G物聯網協定將成為關鍵。
表2 RedCap和LTE標準比較 (資料來源：Qualcomm)
此外，姚旦也提到，工業物聯網等應用場景可能同時存在時間關鍵型應用，以及不那麼強調傳輸速率和延遲的物聯網應用，若整體採用5G網路，RedCap可和eMBB、URLLC應用並存，一同運行在NR載波而不會互相衝突。由此可見，RedCap相較LTE Cat 1 bis和Cat 4仍有其優勢。
愛立信技術長姚旦表示，RedCap可和eMBB、URLLC應用並存，一同運行在NR載波而不會互相衝突。
測試驗證也RedCap
是德科技資深行銷專案經理郭丁豪(圖2)說明RedCap商業化過程：標準於2022年6月通過後，晶片商將率先與測試廠商合作開發，例如是德科技便在2022年12月宣布和聯發科技共同驗證5G晶片的RedCap連接性，接著晶片正式推出、依照規定完成相關認證後，便可投入市場販賣。照這樣的時程來看，最快2023年底或2024年初就有機會看到RedCap產品出現。
圖2 是德科技資深行銷專案經理郭丁豪表示，最快有機會在2023年底或2024年初看到RedCap產品。
郭丁豪表示，RedCap的測試驗證對於本就投入行動通訊晶片的廠商來說並不困難；盧迦立則表示，如何依照RedCap所制定的規格，將晶片精簡化並維持連接可靠度，是相關業者開發晶片的重要任務。為了因應晶片成本下降的趨勢，是德科技推出RedCap專用測試儀器，簡化原本5G測試儀器的複雜功能，藉此讓廠商能夠以符合成本需求的價格進行驗證，加速RedCap產品上市時間；羅德史瓦茲針對RedCap主推兩款產品，除了5G符合性測試平台，更專為RedCap推出單機信令測試儀lite新版本。
R18 eRedCap持續精簡
R17版本初步引入RedCap規格，目前3GPP正熱烈討論的R18版本則將進一步制定增強版RedCap(eRedCap)。資策會軟體研究院智慧通訊系統中心副主任李永台(圖3)說明，R18將主要針對三個角度持續精簡化：(1)減少頻寬(Bandwidth)、(2)降低峰值資料速率(Peak Data Rate)、(3)減緩處理速度(Processing Timeline Relaxation)。
圖3 資策會軟體研究院智慧通訊系統中心副主任李永台表示，RedCap在R18將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。
精簡化的目標是讓RedCap的功耗和成本更低，擴展RedCap的採用範圍。R18所討論的eRedCap可想像成在LTE-M和R17初版RedCap之間劃出新一層物聯網協定(圖1)，目標頻寬等效於5MHz。盧迦立指出，R18制定的RedCap標準將更加嚴格地壓低性能，例如限定收發天線皆為1根、調變值降為16QAM。3GPP R18版本目前仍處於制定階段，最終性能規格和達成方式尚未定案，值得持續關注。
圖1 4G/5G物聯網標準示意圖
成本依舊是RedCap採用關鍵
從RedCap自R17一路簡化的情形，不難看出「成本」一直是3GPP推動該物聯網協定的重點，而「成本」同樣也是業者決定是否投入新技術的重要考量。姚旦以RedCap降低設計複雜性的程度舉例說明，RedCap半雙工模式下的FDD可將複雜度降低65%，大幅降低晶片成本；TDD在2根天線的情況下可將複雜度降低58%，在1根天線的情況下則可降低複雜度達71%。
不過，考量RedCap晶片甫推出難以形成足夠的經濟規模，姚旦認為其初期成本尚無法和市面上成熟的LTE Cat 1或Cat 4價格競爭；反過來說，等到未來RedCap晶片能夠以量制價，其優於LTE的性能便能進一步推動業者採用。R18版本預計將持續降低物聯網晶片成本，也可能成為推動RedCap採用的助力。
整體來看，R18標準可能將成為RedCap真正起飛的關鍵時間點。屆時不僅RedCap規格更多更彈性，能夠提供成本更低的選項，原生於5G的RedCap標準也可能將受惠於SA獨立組網架構的發展，進一步提升業者投資意願。
RedCap定義未來蜂巢式物聯網
RedCap和剛推出就大受歡迎的NB-IoT不一樣。在RedCap前面已有極具成本優勢並受到廣泛採用的LTE物聯網晶片，在推動初期，成本將是決定RedCap是否順利起飛的其中一項關鍵因素。觀察歷代行動網路發展，4G退網是可預期的未來，5G勢必得推出自己的物聯網標準來因應，只是短期內4G依舊盛行，RedCap布局尚需一段時間才能看到明顯採用。
RedCap目前正在逐步蓄力，2022年6月標準凍結只是第一步，緊接著聯發科技、高通等晶片廠宣布推出晶片、移遠通信等業者規劃模組上市時程，預計2023年底或2024年初可看到採用RedCap協定的應用。等到RedCap晶片成本和LTE Cat 1、LTE Cat 4具有價格競爭力，便可望看到業者從LTE遷徙至NR的盛況。