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則需要 100 到 150 Mbps 的(de)數據吞吐量(liang)。下表總結了(le)不同物聯(lian)網標(biao)準(zhun)的(de)對應特性，以(yi)及相(xiang)應的(de)典型應用。
圖 不同物聯網標(biao)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(gai)進的新一(yi)代物聯(lian)網通信技術(shu)標準。Cat.1bis 保持(chi)了與 Cat.1 相同的低功耗特(te)性，但在傳輸(shu)速率(lv)和帶寬方面(mian)有所提升。
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顯示——2023 年全(quan)球蜂窩(wo)物聯網模組(zu)出(chu)貨量同比(bi)下降 2%，這(zhe)是(shi)全(quan)球蜂窩(wo)物聯網模組(zu)出(chu)貨量首次(ci)出(chu)現年度(du)下滑(hua)。
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(zai)(zai)中(zhong)國，LTE Cat 1 bis 現已(yi)成為 POS、智能電(dian)表、遠程信息處理和資(zi)產跟蹤的主要(yao)蜂窩(wo)標準(zhun)——由(you)于其經濟性(xing)和能源(yuan)效(xiao)率，市場正在(zai)(zai)慢慢從 LTE Cat 1 和 NB-IoT 過渡到更高效(xiao)的 LTE Cat 1 bis。
近日，高(gao)通發布(bu)了(le)一份介紹 LTE Cat 1bis 優(you)勢的白皮書，將 LTE Cat 1 bis 與 LTE-M 和(he) NB-IoT 進行了(le)全方位的比較， 干貨(huo)內容滿滿。筆者(zhe)通讀之后(hou)，對其中的精華內容進行了(le)編(bian)譯，與大家共享。
白皮書(shu)報告原(yuan)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，這意味著額(e)外的資本支出(chu)（CapEx），以(yi)及(ji)更高的運(yun)營(ying)(ying)支出(chu)（OpEx）來運(yun)行網絡。此外，對于 LTE-M 的部署，運(yun)營(ying)(ying)商需要(yao)劃撥六(liu)個資源塊；在許多情況下(xia)，這可能占(zhan)到低頻區域可用帶寬(kuan)的 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。這不是一種標準限制，而是可能由特定網絡基礎設施實施所導致(zhi)的(de)限制。有一些方式(shi)可以通過在 LTE 和 LTE-M 之間動態共享頻譜(pu)來最大(da)限度的(de)減(jian)少損(sun)失(shi)，但這需要額外的(de)軟件許可證(zheng)和網絡升級。
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 LTE-M 和(he)(he) NB-IoT 不同，運營商無需對其(qi)無線接入網 (RAN) 或(huo)核心網絡(luo)進行任何升級，諸如準入控制(zhi)、擁(yong)塞控制(zhi)、移動管理和(he)(he)調度等 eNB 功(gong)能(neng)在 Cat 1bis 和(he)(he)常規(gui) Cat 1 之間是共通的。LTE 網絡(luo)將 Cat 1bis 設備(bei)與 Cat 1 設備(bei)“一視同仁”，但只需一個接收 (Rx) 天(tian)線。不需要為 Cat 1bis 設備(bei)分配(pei)專用帶寬(kuan)，它們(men)與常規(gui) LTE Cat 1、Cat 4 和(he)(he)智(zhi)能(neng)手機共存于同一網絡(luo)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角度來(lai)看，必(bi)須考慮(lv) LTE-M 不(bu)可用(yong)(yong)(yong)的情況，類(lei)似的情況也適用(yong)(yong)(yong)于 NB-IoT 數(shu)據連(lian)接和漫游。例如，全球(qiu)部署的資(zi)產追蹤器等用(yong)(yong)(yong)例需要全球(qiu)范圍(wei)內的數(shu)據連(lian)接，因(yin)此設備(bei)制造商必(bi)須采用(yong)(yong)(yong)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(chan)追(zhui)蹤中的(de)(de)一些用例允許設備在斷電模(mo)式下(xia)運(yun)行(xing)，在這種模(mo)式下(xia)，設備定(ding)期(qi)喚醒以報告數據。其余時間(jian)，它是關機的(de)(de)，無(wu)法訪問(wen)。
與 LTE-M 和 NB-IoT 設(she)(she)(she)備(bei)類似，Cat 1bis 設(she)(she)(she)備(bei)只有一(yi)條接(jie)收(shou) RF 鏈，這是傳統 Cat 1 設(she)(she)(she)備(bei)的(de)架構(gou)優勢。單鏈意味著更低的(de)成本，在一(yi)定程(cheng)度上節省了功(gong)耗，并且在外形尺寸受限的(de)設(she)(she)(she)備(bei)中具有設(she)(she)(she)計靈活性。
與設備(bei)電池壽(shou)命相關的(de)另一個重要指標是 ON 時間:設備(bei)必須處于活動模式以完成(cheng)數據事務(wu)的(de)時間。對設備(bei)開機時間的(de)探(tan)討引出了(le)對數據速率的(de)討論。
在半雙工(gong)模式下，NB-IoT NB2 和 LTE Cat-M1 的峰值上行數(shu)據速率分別(bie)為(wei) 160 Kbps 和 375 Kbps。然而，實(shi)(shi)際中(zhong)實(shi)(shi)現的典型數(shu)據速率要低得多。來自(zi) ATT 和 Orange5 的公開統(tong)計數(shu)據表(biao)明，實(shi)(shi)地 LTE-M 數(shu)據速率的平均值約(yue)為(wei) 100 Kbps，而覆蓋(gai)范圍擴展場(chang)景中(zhong)的數(shu)據速率為(wei)幾十(shi) Kbps。
最近的(de)一項研究發現，拉(la)丁美洲(zhou)運(yun)營商(shang)的(de)平均 NB2 數(shu)據速(su)(su)(su)率僅為 3 Kbps，NB2 設備的(de)典型數(shu)據速(su)(su)(su)率約為 10 Kbps。下圖(tu)顯示了基于 NB2、Cat-M1 和 Cat 1 設備的(de)典型數(shu)據速(su)(su)(su)率上傳 500 字節有效載荷(he)的(de)設備 ON 時(shi)間。
圖 NB2、Cat- m1和 Cat- 1 設備(bei)的設備(bei)開機時間
如圖所示，要(yao)在(zai) NB-IoT 和(he)(he) LTE-M 上(shang)上(shang)傳或接(jie)收(shou) 500 字節(jie)的數據(ju)，設備的 ON 時間分別為 400 毫秒和(he)(he) 40 毫秒；相(xiang)比之(zhi)下，Cat 1bis 設備可以在(zai) 8 毫秒內完成相(xiang)同(tong)的數據(ju)交易（吞吐(tu)量=500 Kbps）。
功耗在很大程度上取決于(yu)設(she)備的操作模式以及設(she)備的實現方式。對于(yu)容忍延遲(chi)和/或低(di)工(gong)作周期的應用程序，物(wu)聯網設(she)備依賴于(yu)降低(di)功耗的狀態，如(ru) eDRX 和 PSM——這兩種狀態適用于(yu) LPWAN 和 Cat 1bis——以極(ji)大地延長電池壽命(ming)。值(zhi)得注意的是，設(she)備功耗越來(lai)越多地由(you)于(yu)與蜂窩調制解調器(qi)無關(guan)的任(ren)務而主導(dao)，例如(ru)跟(gen)蹤位置和處理傳感器(qi)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 LTE-M 調(diao)制解調(diao)器功耗
④ 數據速率
設(she)(she)備(bei)(bei)制(zhi)造商的(de)一個關注點(dian)是無法通(tong)(tong)過(guo) NB-IoT 甚至有時(shi)是通(tong)(tong)過(guo) LTE-M 執行固件無線 (FOTA) 更(geng)新。在 LPWAN 數(shu)據(ju)速率下，向設(she)(she)備(bei)(bei)發(fa)送(song)幾(ji)兆字節(jie)大小的(de) FOTA 鏡像需要很(hen)長時(shi)間。增量(liang) FOTA 只向設(she)(she)備(bei)(bei)發(fa)送(song)增量(liang)更(geng)改，它可以(yi)減少設(she)(she)備(bei)(bei)的(de) ON 時(shi)間，但需要設(she)(she)備(bei)(bei)制(zhi)造商實施(shi)增量(liang) FOTA 框架。
同樣，隨著(zhu)智能邊緣連接(jie)應(ying)用(yong)程序的日益普及(ji)(ji)，物聯網設備將(jiang)發送(song)和接(jie)收(shou)更多(duo)數據，但 LPWAN 數據速率(lv)可能不足(zu)以(yi)支持這(zhe)(zhe)種轉型。例如，智能能量計不僅可以(yi)收(shou)集能源使(shi)用(yong)數據，還(huan)可以(yi)監視電(dian)網上的實際(ji)負載、消費模式的變化(hua)以(yi)及(ji)(ji)電(dian)壓等指標的波動。然(ran)后，它們將(jiang)這(zhe)(zhe)些參數傳送(song)到公用(yong)事業(ye)云，以(yi)從電(dian)網快(kuai)速做出(chu)補救(jiu)響應(ying)。這(zhe)(zhe)些創新將(jiang)需要(yao)更高的數據速率(lv)。
⑤ 覆蓋范圍
LTE-M 和 NB 技術最重要的優勢在于覆蓋范圍。
與(yu)傳統 LTE 相(xiang)比(bi)，這(zhe)兩(liang)種技(ji)術都使(shi)用了第一層數(shu)據(ju)(ju)包(bao)重(zhong)復（包(bao)括控制(zhi)信(xin)道和數(shu)據(ju)(ju)信(xin)道），以提(ti)供更(geng)廣泛的(de)覆蓋范(fan)圍。理論上，LTE-M 或增強型機器型通信(xin) (eMTC) 相(xiang)比(bi) LTE 提(ti)供了額(e)(e)外的(de) 12 dB 的(de)鏈路余量(liang)，而 NB 則提(ti)供了 20 dB 的(de)余量(liang)。這(zhe)種擴展的(de)射頻覆蓋范(fan)圍是以降低的(de)頻譜效率（降低的(de)數(shu)據(ju)(ju)速率）為(wei)(wei)代價的(de)，因為(wei)(wei)運營商必須(xu)為(wei)(wei)數(shu)據(ju)(ju)包(bao)重(zhong)復分配更(geng)多資(zi)源(yuan)，增加延遲(chi)。由(you)于天線數(shu)量(liang)的(de)減少(shao)，與(yu)傳統的(de) LTE Cat 1 相(xiang)比(bi)，LTE Cat 1bis 帶(dai)來(lai)了額(e)(e)外的(de) 2.5 到(dao) 3db 的(de)損失
擴(kuo)展的(de)覆蓋范圍適(shi)用于處(chu)于具有(you)挑戰(zhan)性的(de)射(she)頻(pin)環境中的(de)設備，例如地下室(shi)、電梯和深層室(shi)內位置。擴(kuo)展的(de)鏈(lian)路余量通常不適(shi)用于資產追(zhui)蹤器等移(yi)動設備，或者像停(ting)車收費器或能量計這(zhe)樣的(de)設備，它們可以(yi)作為樞紐來匯總來自周(zhou)圍儀表的(de)數據(ju)。
⑥ 定位
通(tong)常而言(yan)，基于云(yun)的(de)(de)(de)定位技術依賴(lai)于用戶設(she)備 (UE) 來檢(jian)測附近的(de)(de)(de) LTE 小(xiao)區，定位精(jing)度隨著檢(jian)測到的(de)(de)(de)小(xiao)區數量的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加而提高。隨著信(xin)道帶寬的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，相關增(zeng)(zeng)益也會增(zeng)(zeng)加，使設(she)備能夠檢(jian)測到更多 LTE 小(xiao)區的(de)(de)(de)同步信(xin)道并(bing)解碼(ma)系統信(xin)息。
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。
下圖顯示了(le)在 10 MHz 信道上運行(xing)的(de)(de) LTE Cat 1 設(she)備檢(jian)(jian)測到(dao)的(de)(de)小(xiao)區(qu)站(zhan)點（左圖）與 Cat-M 設(she)備檢(jian)(jian)測到(dao)的(de)(de)小(xiao)區(qu)站(zhan)點（右圖）的(de)(de)數量。有了(le)對(dui)更高信道帶寬(kuan)的(de)(de)支持，Cat 1 設(she)備可以(yi)相(xiang)當一致(zhi)地檢(jian)(jian)測到(dao) 5 到(dao) 10 個小(xiao)區(qu)站(zhan)點，從(cong)而提高了(le)定位(wei)精度。
圖 檢測到的(de)基站數(shu)量，10mhz 通(tong)道與 Cat-M 設備
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 LPWAN 模塊類似，Cat 1bis 模塊和(he)設(she)備只需一(yi)個天(tian)(tian)線(xian)和(he)一(yi)個接(jie)收 RF 鏈，而 Cat 1 設(she)備則(ze)需要兩個天(tian)(tian)線(xian)。LTE-M 和(he) NB 提供了一(yi)小(xiao)部分的成(cheng)本優(you)勢：由于通信的半雙工性質(zhi)，RF 前端不需要聲表面波(bo)濾波(bo)器（即(ji)無SAW），因(yin)此成(cheng)本結(jie)構(gou)與 LPWAN 相當。
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(de)平均售價 (ASP)，美(mei)元
(數據來源: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 設備還(huan)可以(yi)連接到(dao)一個結合了演進分(fen)組核(he)心 (Evolved Packet Core) 和 5GC 核(he)心網(wang)絡的網(wang)絡。Cat 1bis UE 可以(yi)通(tong)過動態擴(kuo)頻（DSS）與 5G 設備 (5G NR UE) 共享時(shi)間或頻譜(pu)。這將確保(bao)在運營商(shang)將 LTE 頻譜(pu)重新分(fen)配給其(qi)他先進技術時(shi)，Cat 1bis 設備的持續(xu)服(fu)務。
3GPP 已經(jing)為 Cat 1 技(ji)術的演進(jin)制定了明確的路徑，如下圖：
圖 Cat 1 演(yan)進(jin)
在其最(zui)初的規范中，3GPP 定義了 UE 類別(bie) Cat 1，允許在最(zui)高 20 MHz 的信道帶寬下(xia)分別(bie)上傳和(he)下(xia)載數據速率(lv)為 5 和(he) 10 Mbps。隨著 2016 年 Cat 1bis 的引入，盡管減少到一(yi)個 RF 接(jie)收鏈，但(dan) RF 和(he)吞吐(tu)能力得以保持，并且功耗得到改善。
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(zhi)，Cat 1bis 的(de)(de)(de)優勢(shi)在(zai)于(yu)能(neng)夠(gou)緩解物聯網部(bu)署(shu)的(de)(de)(de)痛點。其更廣泛的(de)(de)(de)全球(qiu)漫游覆蓋范圍、支持節能(neng)功能(neng)以(yi)(yi)及低功耗，能(neng)讓制造商制造出易于(yu)部(bu)署(shu)且(qie)電池壽命長的(de)(de)(de)設備。LTE-M 提供(gong)了(le)覆蓋優勢(shi)，但它(ta)們(men)可(ke)能(neng)不(bu)適用于(yu)全球(qiu)部(bu)署(shu)的(de)(de)(de)資(zi)產跟蹤器等(deng)靜(jing)態場景的(de)(de)(de)用例。與 LPWAN 模塊相比，Cat 1bis 調制解調器和模塊具有價格(ge)競爭力。它(ta)們(men)在(zai)3GPP標準中(zhong)具有明確(que)定義的(de)(de)(de)演進路(lu)徑，未來將以(yi)(yi)基于(yu) eRedCap 的(de)(de)(de)產品(pin)形式出現。
