物聯網應用需要多樣化的數據速率。比如，一些簡單應用需要每秒幾千比特 (kpbs) 的數據速率，一些常見應用需要 1 到 10 Mbps 的數據吞吐量，還有一些高端物聯網設備(bei)則需要 100 到 150 Mbps 的(de)數(shu)據吞吐(tu)量。下(xia)表(biao)總結了不同物聯網標準的(de)對應(ying)特性，以及相應(ying)的(de)典(dian)型(xing)應(ying)用。
圖 不同物聯(lian)網標準的特征（來源：高通）
其中，LTE Cat 1bis 是在 LTE Cat 1 基礎上進行(xing)改進的新(xin)一代物聯網通信技術標準。Cat.1bis 保持(chi)了與 Cat.1 相同的低功(gong)耗特性，但在傳輸速(su)率和帶寬方(fang)面有所提(ti)升。
此前，市場研究機構Counterpoint發布的最新版的全球蜂窩物聯網模組和芯片追蹤報告(gao)顯示——2023 年全球蜂窩物(wu)聯(lian)網(wang)模(mo)組(zu)出貨(huo)量同(tong)比下降 2%，這(zhe)是(shi)全球蜂窩物(wu)聯(lian)網(wang)模(mo)組(zu)出貨(huo)量首次出現(xian)年度下滑。
雖然蜂窩物聯網模塊整體出貨量出現了下滑，但部分制式的技術卻逆勢增長。在各種蜂窩物聯網技術類型中，LTE (4G) Cat 1 bis 在 2023 年增長最快，占總出貨量的 22% 以上。
在中(zhong)國(guo)，LTE Cat 1 bis 現已成為 POS、智能電表、遠程信息處理(li)和(he)資產(chan)跟(gen)蹤的(de)主要蜂窩標準——由于(yu)其經濟(ji)性和(he)能源效(xiao)率，市(shi)場正在慢慢從 LTE Cat 1 和(he) NB-IoT 過渡(du)到(dao)更(geng)高效(xiao)的(de) LTE Cat 1 bis。
近(jin)日，高通發布了一份介紹(shao) LTE Cat 1bis 優勢的(de)白皮書，將(jiang) LTE Cat 1 bis 與 LTE-M 和 NB-IoT 進行了全(quan)方位(wei)的(de)比較， 干貨(huo)內(nei)容滿滿。筆者通讀之后，對其中的(de)精華內(nei)容進行了編譯(yi)，與大家共(gong)享。
白皮書報告(gao)原文：//www.qualcomm.com/content/dam/qcomm-martech/dm-assets/documents/whitepaper_understanding_the_benefits_of_lte_cat_1bis_technology.pdf
① 網絡部署
采用 NB-IoT 和 LTE-M 的障礙之一是，這兩種技術需要運營商升級其網絡上的軟件，這(zhe)(zhe)意味著額外(wai)的(de)(de)(de)資本(ben)支出(chu)(chu)（CapEx），以及(ji)更高的(de)(de)(de)運營支出(chu)(chu)（OpEx）來運行網絡(luo)。此外(wai)，對于 LTE-M 的(de)(de)(de)部署，運營商需要(yao)劃撥六個資源塊；在(zai)許多情況(kuang)下(xia)，這(zhe)(zhe)可(ke)能(neng)占到低(di)頻區(qu)域可(ke)用帶寬(kuan)的(de)(de)(de) 10％ 之(zhi)多。
如果 LTE-M 網絡負載不足，專用于 LTE-M 的容量將被低效利用，LTE 網絡上的用戶將無法使用這些資源。這不是一(yi)種標(biao)準限(xian)(xian)制(zhi)，而是可(ke)能由特定網(wang)絡基礎設施(shi)實(shi)施(shi)所導(dao)致的(de)限(xian)(xian)制(zhi)。有(you)一(yi)些(xie)方式可(ke)以通(tong)過在 LTE 和 LTE-M 之間(jian)動態(tai)共享頻(pin)譜來最大限(xian)(xian)度的(de)減少損失，但這需要額(e)外的(de)軟件(jian)許可(ke)證和網(wang)絡升級。
相比之下，Cat 1bis 設備在常規 LTE 網絡上運行——這與我們的手機所運行的 LTE 網絡相同。與(yu) LTE-M 和(he)(he) NB-IoT 不同(tong)，運營商無(wu)需(xu)(xu)對其無(wu)線接入網 (RAN) 或核(he)心網絡進行任何升級，諸如準入控制(zhi)、擁塞控制(zhi)、移動管(guan)理(li)和(he)(he)調度等 eNB 功(gong)能(neng)在 Cat 1bis 和(he)(he)常(chang)規 Cat 1 之間是(shi)共通的。LTE 網絡將(jiang) Cat 1bis 設備(bei)與(yu) Cat 1 設備(bei)“一視同(tong)仁(ren)”，但只需(xu)(xu)一個接收 (Rx) 天線。不需(xu)(xu)要(yao)為 Cat 1bis 設備(bei)分配(pei)專用(yong)帶寬，它們與(yu)常(chang)規 LTE Cat 1、Cat 4 和(he)(he)智能(neng)手機共存于同(tong)一網絡和(he)(he)頻譜中(zhong)。
② 全球漫游
由于并不是所有運營商都部署了 LTE-M 或 NB-IoT 網絡，這些技術的部署比較零散，所以利用 LTE-M 和 NB-IoT 進行全球數據漫游仍然是一個遙遠的夢想。
如下圖1所示，這是 GSMA 追蹤的全球 LTE-M 和 NB-IoT 部署情況：NB-IoT 由 110 家運營商在大約 60 個國家部署；LTE-M 由 60 家運營商在 34 個國家實現商業化——這兩種技術在歐洲、北美和澳大利亞的大部分地區以及亞洲部分地區都是可用的。
然而，LPWAN 國際漫游的情況則大不相同。圖 2 顯示了一個大型無線運營商提供的 LTE-M 連接范圍，包括其漫游合作關系。圖 3 和 圖 4 分別描述了兩家大型移動虛擬網絡運營商 (MVNOs) 的連接范圍以及漫游合作關系。這些地圖說明，由單一服務提供商提供的 LTE-M 服務可以使用的國家數量和范圍會急劇減少。
從物聯網服務提供商的(de)(de)角度來看，必須考慮 LTE-M 不可用的(de)(de)情(qing)況，類似的(de)(de)情(qing)況也適用于 NB-IoT 數據連接和漫游。例如(ru)，全球部署(shu)的(de)(de)資產追(zhui)蹤器等用例需要(yao)全球范圍內的(de)(de)數據連接，因此(ci)設備(bei)制造商必須采用多模設備(bei)。
隨著手機的普及，移動網絡運營商之間建立了全面的全球漫游合作關系，以支持其旅行客戶群。今天，運營商通過龐大的漫游關系網絡在幾乎每個國家提供 LTE 數據連接，為 IP 數據提供本地分支選項。與手機在同一網絡上運行的 IoT LTE Cat 1bis 設備受益于為手機設置的漫游協議。因此，它們可以像消費者設備那樣從單個服務提供商那里獲得無處不在的數據連接。
③ 功耗
為了使設備能夠保持較長的睡眠狀態并節省功耗，3GPP 引入了諸如擴展不連續接收 (eDRX) 機制和節能模式 (PSM) 等功能。像智能能量計和追蹤器這樣的應用通常具有固定、可預測的數據發送和接收模式，它們可以利用 eDRX 和 PSM 來實現更長的 DRX 睡眠周期。這兩個功能通常用于 NB-IoT 和 LTE-M 網絡，也適用于 Cat 1bis 設備。一項對運營商的調查顯示，美國、歐洲和亞洲的一些主要運營商已經為他們的 Cat 1 和 Cat 1bis 設備啟用了 eDRX 和 PSM。因此，具有 Cat 1bis 的能量計和追蹤器可以享受與基于 LTE-M 的設備相同的延長睡眠周期。
資產追蹤中的一些用例允許(xu)設備在斷(duan)電(dian)模式下(xia)運行(xing)，在這種模式下(xia)，設備定期喚醒以報告數據。其余時間，它是關機的，無法訪問。
與 LTE-M 和 NB-IoT 設備(bei)(bei)類似，Cat 1bis 設備(bei)(bei)只(zhi)有一條接收(shou) RF 鏈，這是傳統 Cat 1 設備(bei)(bei)的(de)架構優勢。單鏈意味著更低的(de)成本，在(zai)一定程度上節省(sheng)了功耗，并且(qie)在(zai)外形(xing)尺寸受(shou)限的(de)設備(bei)(bei)中具有設計靈活性。
與設備(bei)電池壽命相(xiang)關的另一個重要指標是 ON 時(shi)間(jian)(jian):設備(bei)必須處于活動模式以完成數(shu)據事務的時(shi)間(jian)(jian)。對(dui)設備(bei)開(kai)機(ji)時(shi)間(jian)(jian)的探討引出了對(dui)數(shu)據速率的討論。
在(zai)半雙工模式下，NB-IoT NB2 和 LTE Cat-M1 的(de)(de)峰值上(shang)行數(shu)據速(su)率(lv)分別為(wei) 160 Kbps 和 375 Kbps。然而，實(shi)際中(zhong)實(shi)現的(de)(de)典型數(shu)據速(su)率(lv)要(yao)低(di)得多。來自 ATT 和 Orange5 的(de)(de)公開統(tong)計(ji)數(shu)據表明(ming)，實(shi)地 LTE-M 數(shu)據速(su)率(lv)的(de)(de)平均(jun)值約為(wei) 100 Kbps，而覆蓋范圍擴展場景中(zhong)的(de)(de)數(shu)據速(su)率(lv)為(wei)幾十 Kbps。
最近的(de)一項(xiang)研究(jiu)發現，拉(la)丁美洲運營商的(de)平均 NB2 數(shu)據速率(lv)僅為 3 Kbps，NB2 設(she)備的(de)典型數(shu)據速率(lv)約為 10 Kbps。下圖顯示了基于 NB2、Cat-M1 和 Cat 1 設(she)備的(de)典型數(shu)據速率(lv)上傳 500 字(zi)節有效載荷的(de)設(she)備 ON 時間。
圖 NB2、Cat- m1和 Cat- 1 設備(bei)(bei)的設備(bei)(bei)開機時(shi)間(jian)
如(ru)圖所示(shi)，要在 NB-IoT 和 LTE-M 上上傳(chuan)或(huo)接收 500 字節的(de)數據(ju)，設備的(de) ON 時間(jian)分別(bie)為 400 毫(hao)秒(miao)和 40 毫(hao)秒(miao)；相(xiang)比之下，Cat 1bis 設備可以在 8 毫(hao)秒(miao)內完成相(xiang)同的(de)數據(ju)交(jiao)易（吞吐量=500 Kbps）。
功耗(hao)在很大(da)程(cheng)度上取決于(yu)設備的(de)(de)操作模式(shi)(shi)以及設備的(de)(de)實現方式(shi)(shi)。對于(yu)容忍延(yan)遲(chi)和(he)(he)(he)/或低(di)工作周期的(de)(de)應用(yong)程(cheng)序，物聯(lian)網設備依賴于(yu)降(jiang)低(di)功耗(hao)的(de)(de)狀態，如(ru) eDRX 和(he)(he)(he) PSM——這兩種狀態適用(yong)于(yu) LPWAN 和(he)(he)(he) Cat 1bis——以極大(da)地延(yan)長(chang)電池(chi)壽命。值得注(zhu)意的(de)(de)是，設備功耗(hao)越(yue)來越(yue)多(duo)地由于(yu)與蜂(feng)窩(wo)調制解調器無關的(de)(de)任務而主導，例如(ru)跟蹤位置和(he)(he)(he)處理傳感器數據。
即使如此，LTE Cat 1bis 調制解調器的功耗現在與 LTE-M 調制解調器相當或更好，見下表。
表 Cat 1bis 和(he) LTE-M 調制解調器功耗
④ 數據速率
設(she)備(bei)(bei)制造商(shang)的一個關(guan)注(zhu)點是無(wu)法通過 NB-IoT 甚(shen)至有時是通過 LTE-M 執行(xing)固件(jian)無(wu)線 (FOTA) 更(geng)新(xin)。在 LPWAN 數據速率(lv)下(xia)，向(xiang)設(she)備(bei)(bei)發送(song)幾兆字節大小的 FOTA 鏡像(xiang)需(xu)要(yao)很長(chang)時間(jian)。增量(liang) FOTA 只向(xiang)設(she)備(bei)(bei)發送(song)增量(liang)更(geng)改，它可以減少設(she)備(bei)(bei)的 ON 時間(jian)，但需(xu)要(yao)設(she)備(bei)(bei)制造商(shang)實施增量(liang) FOTA 框架。
同(tong)樣，隨(sui)著(zhu)智能(neng)邊緣連接應(ying)用程序(xu)的日益普及，物聯網(wang)設(she)備將發送(song)和接收(shou)更(geng)多數據(ju)，但(dan) LPWAN 數據(ju)速率可(ke)能(neng)不足以支持(chi)這(zhe)種轉型。例如，智能(neng)能(neng)量計不僅可(ke)以收(shou)集能(neng)源使用數據(ju)，還可(ke)以監(jian)視電網(wang)上的實際負(fu)載、消費(fei)模式(shi)的變(bian)化(hua)以及電壓等指(zhi)標的波動。然后，它們(men)將這(zhe)些(xie)參數傳送(song)到(dao)公用事業云，以從(cong)電網(wang)快速做出補救(jiu)響應(ying)。這(zhe)些(xie)創(chuang)新(xin)將需(xu)要(yao)更(geng)高的數據(ju)速率。
⑤ 覆蓋范圍
LTE-M 和 NB 技術最重要的優勢在于覆蓋范圍。
與傳統(tong)(tong) LTE 相比(bi)(bi)，這兩種技術都(dou)使用了(le)(le)(le)第(di)一層數(shu)據(ju)包(bao)(bao)重復(fu)（包(bao)(bao)括控制(zhi)信道和數(shu)據(ju)信道），以提供更廣泛的(de)(de)(de)(de)覆(fu)(fu)蓋(gai)范圍。理論(lun)上，LTE-M 或增(zeng)強型機器型通信 (eMTC) 相比(bi)(bi) LTE 提供了(le)(le)(le)額外(wai)的(de)(de)(de)(de) 12 dB 的(de)(de)(de)(de)鏈路余量(liang)，而 NB 則提供了(le)(le)(le) 20 dB 的(de)(de)(de)(de)余量(liang)。這種擴展的(de)(de)(de)(de)射頻覆(fu)(fu)蓋(gai)范圍是以降低的(de)(de)(de)(de)頻譜效率(lv)（降低的(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)速率(lv)）為代價的(de)(de)(de)(de)，因為運(yun)營商必須(xu)為數(shu)據(ju)包(bao)(bao)重復(fu)分配更多資源，增(zeng)加延遲(chi)。由于天(tian)線數(shu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)減少，與傳統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de) LTE Cat 1 相比(bi)(bi)，LTE Cat 1bis 帶來(lai)了(le)(le)(le)額外(wai)的(de)(de)(de)(de) 2.5 到 3db 的(de)(de)(de)(de)損失
擴展(zhan)(zhan)的(de)(de)覆蓋范圍適用于(yu)處于(yu)具有挑戰性的(de)(de)射(she)頻(pin)環(huan)境(jing)中的(de)(de)設備，例如(ru)地下室、電(dian)梯和深層室內位(wei)置。擴展(zhan)(zhan)的(de)(de)鏈路余量(liang)通常不適用于(yu)資產追蹤器(qi)等移動設備，或者像停車(che)收(shou)費器(qi)或能量(liang)計這樣的(de)(de)設備，它們可以作(zuo)為樞紐來(lai)匯總(zong)來(lai)自(zi)周圍儀表(biao)的(de)(de)數據(ju)。
⑥ 定位
通(tong)常而(er)言，基于(yu)云的(de)定位技術依賴(lai)于(yu)用戶設(she)備 (UE) 來檢(jian)測附近的(de) LTE 小區(qu)，定位精度隨著檢(jian)測到的(de)小區(qu)數量的(de)增(zeng)加而(er)提高。隨著信(xin)道(dao)帶寬的(de)增(zeng)加，相(xiang)關(guan)增(zeng)益也會(hui)增(zeng)加，使設(she)備能夠檢(jian)測到更多 LTE 小區(qu)的(de)同步信(xin)道(dao)并解碼(ma)系統信(xin)息(xi)。
Cat 1bis 支持的信道帶寬為 20 MHz，而 LTE Cat-M1 只有六個資源塊或 1.4 MHz。即使運營商部署了 5 或 10 MHz 的信道帶寬，Cat 1bis 檢測到 LTE 小區的機會也比 Cat-M1 更高。這是 LTE Cat 1bis 更適合追蹤器用例的另一個原因。
下圖(tu)(tu)顯示了在 10 MHz 信道(dao)上運行(xing)的(de) LTE Cat 1 設(she)備(bei)檢(jian)(jian)測到(dao)的(de)小(xiao)區站點(dian)（左圖(tu)(tu)）與(yu) Cat-M 設(she)備(bei)檢(jian)(jian)測到(dao)的(de)小(xiao)區站點(dian)（右圖(tu)(tu)）的(de)數(shu)量。有了對更高(gao)信道(dao)帶寬的(de)支(zhi)持，Cat 1 設(she)備(bei)可以(yi)相(xiang)當(dang)一致地檢(jian)(jian)測到(dao) 5 到(dao) 10 個(ge)小(xiao)區站點(dian)，從(cong)而提高(gao)了定位精度(du)。
圖 檢測到的基站數(shu)量，10mhz 通(tong)道與 Cat-M 設備(bei)
⑦ 成本
LTE Cat 1bis 模塊和設備在成本上具有優勢，比 Cat 1 設備更經濟實惠。與(yu) LPWAN 模塊(kuai)類似(si)，Cat 1bis 模塊(kuai)和設備只需(xu)一個天線和一個接收 RF 鏈(lian)，而 Cat 1 設備則需(xu)要(yao)兩(liang)個天線。LTE-M 和 NB 提(ti)供了(le)一小部分(fen)的(de)成本(ben)優勢：由于通信的(de)半雙工性質，RF 前端不(bu)需(xu)要(yao)聲(sheng)表面波(bo)濾波(bo)器（即無SAW），因(yin)此成本(ben)結構與(yu) LPWAN 相(xiang)當。
下圖顯示了全球模塊的平均銷售價格（ASP）數據。2020年，Cat 1bis 和LPWAN 模塊的 ASP 約為10美元；自那時起，Cat 1bis 模塊的價格已經下降（這與 Cat 1bis 在亞洲市場銷量大幅增長密切相關。）
圖 無線模塊的平(ping)均售價 (ASP)，美(mei)元
(數據來(lai)源:Counterpoint Technology Market Research)
⑧ 標準演進
LTE Cat 1bis 設備可以在 5G 核心 (5GC) 網絡上使用。
在 Rel-15 中，3GPP 定義了網絡架構的選項5，允許升級的LTE (eLTE) 設備通過升級的 eLTE NB (eNB) 連接到 5GC 網絡。允許 LTE Cat 1bis 設備注冊到 5GC 將使其能夠處于低功耗但就緒狀態，例如無線資源控制 (RRC) 非活動狀態。這也將確保這些設備在運營商逐步淘汰 4G 核心網絡時的業務連續性。LTE Cat 1bis 設(she)備(bei)還可以(yi)(yi)連接到一個結合了演進分(fen)組核(he)心(xin) (Evolved Packet Core) 和 5GC 核(he)心(xin)網絡(luo)的網絡(luo)。Cat 1bis UE 可以(yi)(yi)通過動態(tai)擴頻(pin)(pin)（DSS）與 5G 設(she)備(bei) (5G NR UE) 共享(xiang)時間或頻(pin)(pin)譜。這將確保在運(yun)營商將 LTE 頻(pin)(pin)譜重新(xin)分(fen)配給(gei)其他先進技術時，Cat 1bis 設(she)備(bei)的持續服務(wu)。
3GPP 已經為 Cat 1 技術的演(yan)進(jin)制定了明確的路(lu)徑，如下圖：
圖 Cat 1 演進
在其最初的規范中，3GPP 定義了 UE 類(lei)別 Cat 1，允許在最高 20 MHz 的信道帶寬下分別上傳(chuan)和下載數據速率為 5 和 10 Mbps。隨著 2016 年(nian) Cat 1bis 的引入，盡(jin)管(guan)減少到一個(ge) RF 接(jie)收鏈，但 RF 和吞吐能力得以(yi)保(bao)持，并且(qie)功耗(hao)得到改善。
在 2023 年底之前，3GPP 將凍結 Rel-18 標準，其中包括 NR eRedCap。eRedCap 專為資源受限的物聯網設備設計。NR eRedCap 將擴展支持最高 20 MHz 的類似信道帶寬，并使用與 Cat 1bis 相同的單天線架構提供約 10 Mbps的數據速率。這為需要簡單射頻設計和 Cat 1 類似數據速率的應用提供了明確的連續路徑。當 eRedCap 設備推出時，LTE 將成為它們的備用技術，從而使其能夠在 LTE 上以 Cat 1bis 模式運行。
總而言之，Cat 1bis 的(de)優勢在于(yu)能夠緩解(jie)物聯網部署的(de)痛點。其(qi)更廣泛的(de)全球(qiu)漫游覆蓋范圍、支持節能功能以(yi)及低功耗，能讓制(zhi)(zhi)造(zao)商制(zhi)(zhi)造(zao)出(chu)易(yi)于(yu)部署且電池(chi)壽命長的(de)設備。LTE-M 提供了覆蓋優勢，但它們可能不適用(yong)于(yu)全球(qiu)部署的(de)資(zi)產(chan)跟蹤器等(deng)靜態場景的(de)用(yong)例(li)。與 LPWAN 模塊(kuai)相比，Cat 1bis 調制(zhi)(zhi)解(jie)調器和模塊(kuai)具(ju)有(you)價格競爭力。它們在3GPP標準中(zhong)具(ju)有(you)明確定義的(de)演進路徑，未(wei)來將以(yi)基于(yu) eRedCap 的(de)產(chan)品形(xing)式(shi)出(chu)現。
