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【摘要】目前矿用5G终端形态较为单一，通信模组价格高、功耗大，难以支撑传感器、视频监控、智能穿戴设备的低成本、低功耗应用需求。RedCap（Reduced Capability）即轻量化的5G终端，是 5G Rel-17 版本定义的新终端类型，通过简化终端设计复杂度，简化5G系统配置和相应的业务流程，实现降低 RedCap 终端芯片、模组的成本、降低终端功耗等目的。本文首先对矿用5G通信系统特点和现状进行分析研究，总结了目前所面临的问题，其次系统介绍了RedCap技术的特点、低成本低功耗设计并提出了RedCap促进5G物联网全面5G化的未来发展方向，然后介绍了RedCap的生态圈，最后给出了RedCap在智慧矿山的应用场景。

【关键词】RedCap；5G轻量化；智慧矿山；

0 引言

随着5G在煤矿行业的各类应用不断落地，5G智慧矿山逐步从5G网络的简单覆盖迈向更深层面的煤矿5G生产应用研发。目前矿用 5G 通信系统可支持高清视频传输分析、智能采掘及运输设备远程控制。然而，随着智能矿山广泛推进，智能矿山建设需要进一步支撑全连接矿井部署、全面智能化数据传输和高级智能化水平应用落地[1-3]。

针对演进的智能矿山应用需求，当前矿用5G终端形态较为单一，矿用本安型手机主要满足音视频通话需求，矿用本安型 CPE 能够支持数据的汇聚传输，但通信模组价格高、功耗大，难以支撑传感器、视频监控、智能穿戴设备的低成本、低功耗应用需求。

RedCap（Reduced Capability）即轻量化的5G终端，是 5G Rel-17 版本定义的新终端类型，通过简化终端设计复杂度，简化5G系统配置和相应的业务流程，实现降低 RedCap 终端芯片、模组的成本、降低终端功耗等目的。

本文首先对矿用5G通信系统特点和现状进行分析研究，总结了目前所面临的问题，其次系统介绍了RedCap技术的特点、低成本低功耗设计并提出了RedCap促进5G物联网全面5G化的未来发展方向，然后介绍了RedCap的生态圈，最后给出了RedCap在智慧矿山的应用场景。

1 矿用5G通信系统现状

矿用5G部署环境与公众电信网络具有显著差异，具体如下：

1）井工矿巷道内遮挡物较多，无线信号传输损耗显著，井下设备发送功率受本安功率要求的限制，井下5G无线覆盖受限，基站覆盖距离较短。

2）矿用5G设备发射必须本质安全防爆。煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，无线发射必须本质安全防爆，无线发射功率受限。

3）矿用5G以视频传输为上行业务，对上行传输速率需求显著，而公众电信网络以下行传输为主。

4）矿井生产环境下存在多样化的应用需求，主要包括上行大带宽传输业务、下行低时延传输业务及双向交互类控制业务。

针对演进的智能矿山应用需求，当前矿用 5G 技术与系统尚存在以下问题亟需突破：

1）终端形态较为单一问题亟需突破，矿用本安型手机主要满足音视频通话需求，矿用本安型 CPE 能够支持数据的汇聚传输，但通信模组价格高、功耗大，难以支撑传感器、视频监控、智能穿戴设备的低成本、低功耗应用需求。

2） 可规模化应用的低成本5G芯片至今没有突破，导致很多厂商不敢布局5G智能终端的研发。

3）相关软硬件生态尚未形成，难以形成技术和应用爆发点：前述芯片缺乏是一个重要方面，没有芯片的低成本持续稳定供应各开发商就不敢轻易入局，没有统一的架构和标准大家就会做很多低端重复的工作，浪费大量的人力、物力。软件开发生态更是如此，开发语言、通信协议和功能逻辑多种多样，同样会消耗浪费大量的开发资源，造成协同困难、应用软件臃肿和不友好，软件安全性和可靠性难以得到保障。

为助力5G商用落地，更好地平衡性能与成本，业界便提出了“轻量级的5G”，即RedCap（ReducedCapability）。

1）RedCap在设计之初的目标就是提供具有成本竞争力的5G可靠性、延迟和数据速率的解决方案，兼具尺寸和待机优势，从而为5G拓展应用场景提供新的设备形态。

2）R17标准的冻结使得RedCap技术进入终端产品开发阶段，让终端产品开发可以更加聚焦。

3）RedCap对通信功能的裁剪，可以降低芯片、模组、终端在设计、生产、制造等环节门槛，有助于扩大产业链规模，助力推动5G规模应用、拓展5G应用场景、繁荣5G生态系统。

总之，RedCap的出现可有效解决5G芯片、模组成本高昂与行业设备需求大的矛盾。

3 RedCap介绍

3.1 RedCap补齐5G中等速率短板

5G分为三大应用场景：eMBB（增强型移动宽带）、uRLLC（低时延高可靠通信）和mMTC（海量物联网通信）。eMBB是4GMBB（移动宽带）的升级，主要侧重于网络速率、带宽容量、频谱效率等指标。而uRLLC侧重可靠性和时延，mMTC侧重连接数和能耗，都服务于行业互联网，包括工业制造、车联网、远程抄表等垂直行业领域。

但是，物联网中不同的应用场景，对网络能力的要求也不一样。比如，在速率方面，VR/AR、高清转播需要高速连接；而远程抄表、共享设备只需要同步数据，低速就可以满足。除了速率，还有很多应用场景更关心功耗和成本。完整版的5G终端芯片和模组，设计极为复杂，研发门槛极高，投入成本巨大。高昂的价格，也影响了5G在垂直行业的落地。

RedCap（Reduced Capability）即轻量化的5G终端，它是 5G Rel-17 版本定义的新终端类型。在满足 5G工业物联网等新应用场景需求的前提下，RedCap技术方案通过简化终端设计复杂度，简化5G系统配置和相应的业务流程，实现降低 RedCap 终端芯片、模组的成本、降低终端功耗等目的。

RedCap提供更灵活的5G物联网性能和复杂度特性组合，能够扩展5G生态以连接更多层级的终端和服务。此外，5G RedCap可以提供满足中低速物联网新应用场景的业务需求，填补了高速连接的移动宽带终端与极低带宽的NB-IoT终端之间的空白。

3.2 RedCap低成本低功耗设计

为了实现 RedCap 终端节电特性，满足低功耗需求， 3GPP定义了减少PDCCH（Physical DownLinkCnotrol Channel，下行控制信道）监听的具体方案：减少每个时隙上要求终端执行的最大盲检次数，增大PDCCH 监测周期，动态调整 PDCCH 盲检参数等；增大 RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）空闲态或非激活态终端的 DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）周期；降低无线资源测量频次等要求[17]。

为了确保 RedCap 终端能够快速被基站识别，在调度过程中提供匹配的调度策略，3GPP 定义的随机接入过程中，终端可以通过随机接入信息指示自身为 RedCap 终端，实现终端类型的快速识别和基站的针对性处理。

RedCap 轻量化终端技术能够解决终端形态较为单一、CPE 通信模组价格高、功耗大的问题，满足矿用无线传感器、单路无线传输的矿用视频监控设备、智能矿灯、智能穿戴设备的应用需求，实现支撑必要传输需求下，根据终端能力轻量化实现成本降低，基于节电机制实现功耗降低，将成为未来矿用5G mMTC（Massive Machine Type Communication，海量机器通信）和全连接矿井建设主要演进技术之一。

3.3 RedCap促进物联网全面5G化

结合物联业务需求变化以及网络技术发展演进等情况，预测国内5G收编各类物联网的发展节奏如表6：预期2025年基本实现物联网全面5G化。

4 RedCap生态圈

RedCap是目前解决5G终端高成本问题的有效途径，产业界积极跟进RedCap产品规划，以期快速实现RedCap商用，助力5G与行业的融合向纵深发展。

运营商、设备商、模组厂商及芯片厂商是当前布局RedCap的产业代表，各方目前在终端测试、标准制定、技术研发等方面持续推进，有望于今年开始迈入商用，推动物联网产业发展。

4.1 RedCap 标准化情况

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，3GPP在Rel-17版本中定义了5G轻量化（RedCap）终端设备类型。2022年6月，3GPP RAN全会第96次会议宣布5G Rel-17 标准冻结，将推进RedCap网络、终端和应用等方面的快速成熟。3GPP Rel-18将进一步增强RedCap技术，面向中低速物联网应用进一步降低设备复杂度与成本，丰富5G蜂窝物联网的应用空间。

4.2 RedCap 网络情况

在网络方面，5G基站可以通过软件升级的方式支持Rel-17协议版本和RedCap相关功能。

面向智能可穿戴设备等消费类应用，建议基站基于5G现网逐步升级RedCap功能，依托我国5G公网优势为消费类终端提供更广的覆盖和更稳定的连接。

而面向智慧电力、视频监控等行业应用，建议根据不同场景的业务需求，制定差异化的网络部署方案，既可以升级现网支持RedCap及5G相关特性，也可以按需部署新的5G网络。

2023年5G基站支持RedCap，同时运营商启动RedCap网络升级，围绕电力、工业、视频监控等重点行业进行项目试点，打造示范案例。从2024年开始，我国将根据不同场景的业务发展需求，有序推动5G RedCap网络规模升级和商用部署。

4.3 RedCap 芯片情况

在芯片方面，高通、联发科技、紫光展锐、翱捷科技等主流芯片企业积极投入研发，值得一提的是，相比于5G NR，RedCap研发门槛较低，这也给予了国内芯片初创企业更多的发展空间，必博科技、新基讯、无锡摩罗科技等新兴芯片企业也启动了RedCap的技术和芯片研发。

4.3 RedCap 模组情况

在模组方面，2024年商用模组陆续问世。对于应用方最关注的成本问题，RedCap模组商用初期价格约在250～300元区间。随着应用规模的不断扩大，预计未来RedCap模组价格将逐步降至60元左右，与LTE Cat.4售价相当。

5 RedCap智慧矿山典型应用场景

矿卡、电铲车、数采传感器、监控摄像头、智能矿灯、智慧安全帽和矿山集控等核心设备的作业效率对煤矿产能至关重要，使用5G Redcap终端使能相关应用场景有广阔的市场空间。

5.1 矿用无线传感器

矿用无线传感器设备包括压力传感器、湿度传感器、运动传感器、温度计、加速度计、驱动器等。3GPP TR 22.804、TS 22.104、TR 22.832和TS 22.261中描述的海量工业无线传感器用例就包括矿用无线传感业务，这类业务对通信性能的要求高于LPWA（eMTC或NB-IoT）、但低于uRLLC和eMBB。

3GPP TR 22.832和TS 22.104中提出了无线传感器用例的参考需求，具体内容包括：通信业务可靠性要求为99.99%；业务端到端时延要求＜100ms，安全相关的传感器对时延有更严格的要求，为5-10ms（TR 22.804）；通信的参考速率要求＜2Mbps，并且设备工作时保持静止；此外，该类用例的电池使用寿命要求至少可持续几年。

应用5G RedCap技术可以实现传感器、智能终端、视频探测等各种技术融合，能够做到精准探查井下地质条件和环境，为煤矿综合勘查工作开展提供有力支持。如在地层信息采集方面，应用BIM技术和GIS技术等实现矿井信息综合感知，建立虚拟数字化地质模型完成工程采掘数据分析，能够有效提高地质探查精度。在综采作业面，通过RedCap技术实时上传高清全景视频，并通过视频AI辅助等技术展开分析，能够智能识别胶带机堆煤、跑偏等情况，也能及时发现人员进入危险作业区等行为。因此，在5G RedCap支撑下，实现矿井人、机、环等全要素信息探测，在各种系统中动态更新数据，可以为实现煤矿井下管理提供有效数据依据。

5.2 矿用无线视频监控

应用视频监控系统可以促进矿山安全生产管理水平的进一步提升，然而矿山光纤部署成本高，且有巡检、安保等移动性需求，针对重点场所的视频监控业务，以及基于回传视频的智能分析等业务，可提供5G RedCap的视频监控解决方案，以实现对生产环境的安全性监控，或者作业规范性监控。

例如矿山大量使用的输送带，机器视觉技术可识别输送带是否启停、撕裂、断带、跑偏，异物（锚杆等），从而降低输送带的损耗、防止其空转，进而保证煤矿的安全运行和整体效率。

5.3 矿工智能穿戴

随着5G收发芯片的量产和不断改进，一些配备5G芯片的智能终端会逐步研发并应用到井下，如高度集成的可穿戴装备，将照明、定位、无线通信、高清视频等集成在一起，满足井下定位、安全巡检等多功能需求。

3GPP TR 38.875中定义了智能穿戴用例的参考需求，具体内容包括：下行参考速率为5-50Mbps、上行参考速率为2-5Mbps，下行峰值速率为150Mbps、上行峰值速率为为50Mbps；设备的电池寿命应当保持几天（甚至1-2周），采用常规的5G eMBB芯片和终端无法有效满足上述需求，产业也同样期待5G RedCap终端能够具备差异化能力，能在尺寸、功耗和性能之间进行折中，通过剪裁设计，减小终端尺寸，解决可穿戴领域的痛点需求。

5.3 智慧矿灯

集成Redcap模组的智慧矿灯不仅仅是矿工必备的安全照明工具，还可以集人员定位、集群通话对讲、视频记录仪、健康监测、有害气体检测等多功能于一体的智能可穿戴装备。

这类业务上下行参考速率为2Mbps左右，时延小于200ms、可靠性要求99%，定位精度约3-5米，电池寿命数周。

6 结束语

现有的矿用5G通信系统能够初步满足矿井上行大带宽、低时延、高可靠的传输需求，初步实现了音视频通话、高清视频分析、装备远控等应用，但面临终端形态单一等问题。 RedCap 轻量化终端技术适用于矿用 5G 通信的演进：RedCap轻量化终端技术能够满足矿井无线传感器、无线视频监控、智能穿戴设备的传输需求，支持低成本、低。功耗的多模态终端研发。

综上，矿用5G通信演进系统应包括 RedCap 轻量化终端，以支撑全连接矿井建设，实现矿用5G的多链路无线接入，构建通信感知一体化的矿用5G智能化信息高速传输通道，全面覆盖eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、uRLLC、mMTC 三大 5G 场景，实现 5G+智能矿山的常态化应用。

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