5G RedCap协议栈基于标准5G NR协议栈构建，但通过Release 17引入简化措施降低设备成本与功耗。主要变化包括：物理层限制带宽(FR1 20MHz/FR2 100MHz)、减少天线配置(下行1-2Rx/上行1Tx)、支持64QAM调制和半双工FDD模式；MAC层依赖BWP机制并采用eDRX节电；RRC层增加RedCap能力指示和测量放宽功能。相比标准5G，RedCap显著降低了硬件复杂度，同时保留了核心QoS功能，适用于中低速率物联网场景。未来Release 18将推出更低功耗的eRedCap版本。
5G RedCap（Reduced Capability，也称为 NR-Light）协议栈从根本上是基于 3GPP Release 15/16 定义的标准 5G NR（新空口）协议栈构建的。然而，Release 17 引入了特定的修改、限制和简化，旨在降低设备成本、复杂度和功耗。
以下是 5G RedCap 协议栈的详细解析，重点关注各层相对于标准 5G eMBB（增强型移动宽带）设备所做的具体更改。
总体架构
与标准 5G 一样，协议栈依然分为两个平面：
- 用户面 (User Plane): 传输用户数据（IP 数据包）。
- 控制面 (Control Plane): 管理信令（连接建立、移动性管理、安全）。
第一层：物理层 (PHY)
这是 RedCap 变化最大的一层。其核心目标是简化硬件。
- 带宽限制 (Bandwidth Limitations):
- FR1 (Sub-6/7 GHz 频段): RedCap 终端的最大带宽限制为 20 MHz。即使网络载波带宽为 100 MHz，RedCap 设备也只监测其中的 20 MHz 切片（通过 BWP 机制）。
- FR2 (毫米波频段): 最大带宽限制为 100 MHz。
- 天线配置 (MIMO 削减):
- 下行链路 (Downlink): 减少到 1 Rx (接收) 或 2 Rx 天线（标准 5G 通常为 4 Rx）。这显著减小了射频前端的尺寸和成本。
- 上行链路 (Uplink): 通常为 1 Tx (发送)。
- 影响: 峰值吞吐量降低，但硬件更简单。
- 调制阶数 (Modulation Order):
- 强制支持 64 QAM。
- 256 QAM 是可选的（而在 eMBB 中通常是强制支持的）。
- 双工模式 (Duplexing Modes):
- 支持 半双工 FDD (HD-FDD) Type B。
- 影响: 设备不需要同时进行发送和接收。这意味着射频链路中不需要昂贵的双工器（Duplexer），只需开关即可，从而降低成本。
第二层：数据链路层
该层负责数据传输的可靠性和资源调度。
1. MAC 层 (媒体接入控制)
- 带宽部分 (BWP): MAC 层严重依赖 BWP 逻辑。由于 RedCap 设备无法"看到"整个宽带载波，网络必须配置初始 BWP 和专用 BWP，确保其处于 RedCap 的 20 MHz 限制范围内。
- DRX (非连续接收): 采用增强型 DRX (eDRX) 周期，允许设备休眠更长时间，这对于电池供电的传感器或可穿戴设备至关重要。
2. RLC 层 (无线链路控制)
- 使用标准的 5G NR RLC 功能（分段、重组、ARQ 重传）。
- 没有显著的结构变化，但由于吞吐量要求较低，缓冲区大小（Buffer size）可以设计得更小。
3. PDCP 层 (分组数据汇聚协议)
- 处理报头压缩 (ROHC) 和加密/完整性保护。
- 优化: 为了节省内存，RedCap 设备支持的数据无线承载 (DRB) 数量通常比 eMBB 智能手机少（例如最多 8 个）。
4. SDAP 层 (服务数据自适应协议)
- 将 5G 核心网的 QoS 流映射到无线承载 (Radio Bearers)。
- 标准功能保持不变，确保 RedCap 流量（如监控摄像头的视频流）相对于尽力而为的传感器数据获得适当的优先级。
第三层：网络层
RRC 层 (无线资源控制)
这是无线协议栈的"大脑"。RedCap 在此层实施了几个特定的过程：
- 终端能力信令 (UE Capability Signaling):
- 在附着过程中，RedCap 终端必须向基站 (gNB) 明确上报其受限的能力（例如："我只支持 1 个接收天线"或"我是 RedCap 设备"）。
- 这确保网络不会尝试为其调度 100 MHz 带宽或 4x4 MIMO，否则会导致连接失败。
- 早期指示 (Early Indication):
- R17 引入了机制（在随机接入过程的 Msg1 或 Msg3 中），让终端在连接完全建立之前就指示它是 RedCap 设备。这允许网络立即分配适当的资源（如特定的初始 BWP）。
- RRM 测量放宽 (Measurement Relaxation):
- 为了省电，当设备静止或处于小区边缘时，RRC 允许 RedCap 设备减少对邻区测量的频率，降低处理开销。
NAS 层 (非接入层)
- 处理与 5G 核心网 (AMF/SMF) 的认证、安全和移动性管理。
- 大体标准，但可能包含类似于 LTE-M/NB-IoT 逻辑的特定省电协商参数 (如 PSM - 省电模式)。
对比：RedCap 与 标准 5G NR 协议栈
| 特性 | 标准 5G NR (eMBB) | 5G RedCap (Rel-17) | 协议栈层级影响 |
|---|---|---|---|
| 最大带宽 (FR1) | 100 MHz | 20 MHz | PHY, MAC (BWP机制) |
| 最大带宽 (FR2) | 400 MHz | 100 MHz | PHY, MAC (BWP机制) |
| 接收天线数 (Rx) | 2 或 4 (强制) | 1 或 2 | PHY, RRC (能力上报) |
| 最高调制阶数 | 256 QAM | 64 QAM (256 可选) | PHY |
| 双工模式 | 全双工 FDD / TDD | 半双工 FDD / TDD | PHY |
| 设备识别 | 标准流程 | 早期指示 (Msg1/3) | RRC, MAC |
| 省电机制 | 标准 DRX | eDRX, RRM 测量放宽 | MAC, RRC |
数据流摘要
一个典型的 RedCap 数据传输流程如下：
- 应用层: 生成数据（例如：视频流）。
- SDAP: 将视频流映射到 QoS 流。
- PDCP: 压缩 IP 报头并加密。
- RLC: 将数据分段为适合无线传输的大小。
- MAC: 调度器在激活的 20 MHz BWP 内分配时隙。
- PHY: 使用 64 QAM （或更低）编码数据，映射到 1 个发送天线 ，并通过 半双工 模式发送出去。
未来演进 (Release 18 - eRedCap)
3GPP Release 18 正在引入 "eRedCap" (增强型 RedCap)，它将进一步降低协议栈的能力要求（例如将峰值速率降低到 10 Mbps 左右），旨在瞄准更低端的工业传感器，填补 RedCap 与 LTE-M/NB-IoT 之间的空白。