細數(shù)八大優(yōu)勢！LTE Cat 1bis 如何取代 NB-IoT/LTE-M 成為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)王者？

作者：Sophia物聯(lián)網(wǎng)智庫 原創(chuàng)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要多樣化的數(shù)據(jù)速率。比如，一些簡單應(yīng)用需要每秒幾千比特 (kpbs) 的數(shù)據(jù)速率，一些常見應(yīng)用需要 1 到 10 Mbps 的數(shù)據(jù)吞吐量，還有一些高端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備則需要 100 到 150 Mbps 的數(shù)據(jù)吞吐量。下表總結(jié)了不同物聯(lián)網(wǎng)標準的對應(yīng)特性，以及相應(yīng)的典型應(yīng)用。

圖 不同物聯(lián)網(wǎng)標準的特征（來源：高通）

其中，LTE Cat 1bis 是在 LTE Cat 1 基礎(chǔ)上進行改進的新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標準。Cat.1bis 保持了與 Cat.1 相同的低功耗特性，但在傳輸速率和帶寬方面有所提升。

此前，市場研究機構(gòu)Counterpoint發(fā)布的最新版的全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模組和芯片追蹤報告顯示——2023 年全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模組出貨量同比下降 2%，這是全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模組出貨量首次出現(xiàn)年度下滑。

雖然蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊整體出貨量出現(xiàn)了下滑，但部分制式的技術(shù)卻逆勢增長。在各種蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)類型中，LTE (4G) Cat 1 bis 在 2023 年增長最快，占總出貨量的 22% 以上。

在中國，LTE Cat 1 bis 現(xiàn)已成為 POS、智能電表、遠程信息處理和資產(chǎn)跟蹤的主要蜂窩標準——由于其經(jīng)濟性和能源效率，市場正在慢慢從 LTE Cat 1 和 NB-IoT 過渡到更高效的 LTE Cat 1 bis。

近日，高通發(fā)布了一份介紹 LTE Cat 1bis 優(yōu)勢的白皮書，將 LTE Cat 1 bis 與 LTE-M 和 NB-IoT 進行了全方位的比較， 干貨內(nèi)容滿滿。筆者通讀之后，對其中的精華內(nèi)容進行了編譯，與大家共享。

白皮書報告原文：https://www.qualcomm.com/content/dam/qcomm-martech/dm-assets/documents/whitepaper_understanding_the_benefits_of_lte_cat_1bis_technology.pdf

① 網(wǎng)絡(luò)部署

采用 NB-IoT 和 LTE-M 的障礙之一是，這兩種技術(shù)需要運營商升級其網(wǎng)絡(luò)上的軟件，這意味著額外的資本支出（CapEx），以及更高的運營支出（OpEx）來運行網(wǎng)絡(luò)。此外，對于 LTE-M 的部署，運營商需要劃撥六個資源塊；在許多情況下，這可能占到低頻區(qū)域可用帶寬的 10％ 之多。

如果 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)負載不足，專用于 LTE-M 的容量將被低效利用，LTE 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實施所導(dǎo)致的限制。有一些方式可以通過在 LTE 和 LTE-M 之間動態(tài)共享頻譜來最大限度的減少損失，但這需要額外的軟件許可證和網(wǎng)絡(luò)升級。

相比之下，Cat 1bis 設(shè)備在常規(guī) LTE 網(wǎng)絡(luò)上運行——這與我們的手機所運行的 LTE 網(wǎng)絡(luò)相同。與 LTE-M 和 NB-IoT 不同，運營商無需對其無線接入網(wǎng) (RAN) 或核心網(wǎng)絡(luò)進行任何升級，諸如準入控制、擁塞控制、移動管理和調(diào)度等 eNB 功能在 Cat 1bis 和常規(guī) Cat 1 之間是共通的。LTE 網(wǎng)絡(luò)將 Cat 1bis 設(shè)備與 Cat 1 設(shè)備“一視同仁”，但只需一個接收 (Rx) 天線。不需要為 Cat 1bis 設(shè)備分配專用帶寬，它們與常規(guī) LTE Cat 1、Cat 4 和智能手機共存于同一網(wǎng)絡(luò)和頻譜中。

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(wǎng)絡(luò)，這些技術(shù)的部署比較零散，所以利用 LTE-M 和 NB-IoT 進行全球數(shù)據(jù)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(xiàn)商業(yè)化——這兩種技術(shù)在歐洲、北美和澳大利亞的大部分地區(qū)以及亞洲部分地區(qū)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(guān)系。圖 3 和 圖 4 分別描述了兩家大型移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商 (MVNOs) 的連接范圍以及漫游合作關(guān)系。這些地圖說明，由單一服務(wù)提供商提供的 LTE-M 服務(wù)可以使用的國家數(shù)量和范圍會急劇減少。

從物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商的角度來看，必須考慮 LTE-M 不可用的情況，類似的情況也適用于 NB-IoT 數(shù)據(jù)連接和漫游。例如，全球部署的資產(chǎn)追蹤器等用例需要全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)連接，因此設(shè)備制造商必須采用多模設(shè)備。

隨著手機的普及，移動網(wǎng)絡(luò)運營商之間建立了全面的全球漫游合作關(guān)系，以支持其旅行客戶群。今天，運營商通過龐大的漫游關(guān)系網(wǎng)絡(luò)在幾乎每個國家提供 LTE 數(shù)據(jù)連接，為 IP 數(shù)據(jù)提供本地分支選項。與手機在同一網(wǎng)絡(luò)上運行的 IoT LTE Cat 1bis 設(shè)備受益于為手機設(shè)置的漫游協(xié)議。因此，它們可以像消費者設(shè)備那樣從單個服務(wù)提供商那里獲得無處不在的數(shù)據(jù)連接。

③ 功耗

為了使設(shè)備能夠保持較長的睡眠狀態(tài)并節(jié)省功耗，3GPP 引入了諸如擴展不連續(xù)接收 (eDRX) 機制和節(jié)能模式 (PSM) 等功能。像智能能量計和追蹤器這樣的應(yīng)用通常具有固定、可預(yù)測的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模式，它們可以利用 eDRX 和 PSM 來實現(xiàn)更長的 DRX 睡眠周期。這兩個功能通常用于 NB-IoT 和 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)，也適用于 Cat 1bis 設(shè)備。一項對運營商的調(diào)查顯示，美國、歐洲和亞洲的一些主要運營商已經(jīng)為他們的 Cat 1 和 Cat 1bis 設(shè)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(shè)備相同的延長睡眠周期。

資產(chǎn)追蹤中的一些用例允許設(shè)備在斷電模式下運行，在這種模式下，設(shè)備定期喚醒以報告數(shù)據(jù)。其余時間，它是關(guān)機的，無法訪問。

與 LTE-M 和 NB-IoT 設(shè)備類似，Cat 1bis 設(shè)備只有一條接收 RF 鏈，這是傳統(tǒng) Cat 1 設(shè)備的架構(gòu)優(yōu)勢。單鏈意味著更低的成本，在一定程度上節(jié)省了功耗，并且在外形尺寸受限的設(shè)備中具有設(shè)計靈活性。

與設(shè)備電池壽命相關(guān)的另一個重要指標是 ON 時間:設(shè)備必須處于活動模式以完成數(shù)據(jù)事務(wù)的時間。對設(shè)備開機時間的探討引出了對數(shù)據(jù)速率的討論。

在半雙工模式下，NB-IoT NB2 和 LTE Cat-M1 的峰值上行數(shù)據(jù)速率分別為 160 Kbps 和 375 Kbps。然而，實際中實現(xiàn)的典型數(shù)據(jù)速率要低得多。來自 ATT 和 Orange5 的公開統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，實地 LTE-M 數(shù)據(jù)速率的平均值約為 100 Kbps，而覆蓋范圍擴展場景中的數(shù)據(jù)速率為幾十 Kbps。

最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，拉丁美洲運營商的平均 NB2 數(shù)據(jù)速率僅為 3 Kbps，NB2 設(shè)備的典型數(shù)據(jù)速率約為 10 Kbps。下圖顯示了基于 NB2、Cat-M1 和 Cat 1 設(shè)備的典型數(shù)據(jù)速率上傳 500 字節(jié)有效載荷的設(shè)備 ON 時間。

如圖所示，要在 NB-IoT 和 LTE-M 上上傳或接收 500 字節(jié)的數(shù)據(jù)，設(shè)備的 ON 時間分別為 400 毫秒和 40 毫秒；相比之下，Cat 1bis 設(shè)備可以在 8 毫秒內(nèi)完成相同的數(shù)據(jù)交易（吞吐量=500 Kbps）。

功耗在很大程度上取決于設(shè)備的操作模式以及設(shè)備的實現(xiàn)方式。對于容忍延遲和/或低工作周期的應(yīng)用程序，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴于降低功耗的狀態(tài)，如 eDRX 和 PSM——這兩種狀態(tài)適用于 LPWAN 和 Cat 1bis——以極大地延長電池壽命。值得注意的是，設(shè)備功耗越來越多地由于與蜂窩調(diào)制解調(diào)器無關(guān)的任務(wù)而主導(dǎo)，例如跟蹤位置和處理傳感器數(shù)據(jù)。

即使如此，LTE Cat 1bis 調(diào)制解調(diào)器的功耗現(xiàn)在與 LTE-M 調(diào)制解調(diào)器相當(dāng)或更好，見下表。

表 Cat 1bis 和 LTE-M 調(diào)制解調(diào)器功耗

④ 數(shù)據(jù)速率

設(shè)備制造商的一個關(guān)注點是無法通過 NB-IoT 甚至有時是通過 LTE-M 執(zhí)行固件無線 (FOTA) 更新。在 LPWAN 數(shù)據(jù)速率下，向設(shè)備發(fā)送幾兆字節(jié)大小的 FOTA 鏡像需要很長時間。增量 FOTA 只向設(shè)備發(fā)送增量更改，它可以減少設(shè)備的 ON 時間，但需要設(shè)備制造商實施增量 FOTA 框架。

同樣，隨著智能邊緣連接應(yīng)用程序的日益普及，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將發(fā)送和接收更多數(shù)據(jù)，但 LPWAN 數(shù)據(jù)速率可能不足以支持這種轉(zhuǎn)型。例如，智能能量計不僅可以收集能源使用數(shù)據(jù)，還可以監(jiān)視電網(wǎng)上的實際負載、消費模式的變化以及電壓等指標的波動。然后，它們將這些參數(shù)傳送到公用事業(yè)云，以從電網(wǎng)快速做出補救響應(yīng)。這些創(chuàng)新將需要更高的數(shù)據(jù)速率。

⑤ 覆蓋范圍

LTE-M 和 NB 技術(shù)最重要的優(yōu)勢在于覆蓋范圍。

與傳統(tǒng) LTE 相比，這兩種技術(shù)都使用了第一層數(shù)據(jù)包重復(fù)（包括控制信道和數(shù)據(jù)信道），以提供更廣泛的覆蓋范圍。理論上，LTE-M 或增強型機器型通信 (eMTC) 相比 LTE 提供了額外的 12 dB 的鏈路余量，而 NB 則提供了 20 dB 的余量。這種擴展的射頻覆蓋范圍是以降低的頻譜效率（降低的數(shù)據(jù)速率）為代價的，因為運營商必須為數(shù)據(jù)包重復(fù)分配更多資源，增加延遲。由于天線數(shù)量的減少，與傳統(tǒng)的 LTE Cat 1 相比，LTE Cat 1bis 帶來了額外的 2.5 到 3db 的損失

擴展的覆蓋范圍適用于處于具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中的設(shè)備，例如地下室、電梯和深層室內(nèi)位置。擴展的鏈路余量通常不適用于資產(chǎn)追蹤器等移動設(shè)備，或者像停車收費器或能量計這樣的設(shè)備，它們可以作為樞紐來匯總來自周圍儀表的數(shù)據(jù)。

⑥ 定位

通常而言，基于云的定位技術(shù)依賴于用戶設(shè)備 (UE) 來檢測附近的 LTE 小區(qū)，定位精度隨著檢測到的小區(qū)數(shù)量的增加而提高。隨著信道帶寬的增加，相關(guān)增益也會增加，使設(shè)備能夠檢測到更多 LTE 小區(qū)的同步信道并解碼系統(tǒng)信息。

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(qū)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。

下圖顯示了在 10 MHz 信道上運行的 LTE Cat 1 設(shè)備檢測到的小區(qū)站點（左圖）與 Cat-M 設(shè)備檢測到的小區(qū)站點（右圖）的數(shù)量。有了對更高信道帶寬的支持，Cat 1 設(shè)備可以相當(dāng)一致地檢測到 5 到 10 個小區(qū)站點，從而提高了定位精度。

⑦ 成本

LTE Cat 1bis 模塊和設(shè)備在成本上具有優(yōu)勢，比 Cat 1 設(shè)備更經(jīng)濟實惠。與 LPWAN 模塊類似，Cat 1bis 模塊和設(shè)備只需一個天線和一個接收 RF 鏈，而 Cat 1 設(shè)備則需要兩個天線。LTE-M 和 NB 提供了一小部分的成本優(yōu)勢：由于通信的半雙工性質(zhì)，RF 前端不需要聲表面波濾波器（即無SAW），因此成本結(jié)構(gòu)與 LPWAN 相當(dāng)。

下圖顯示了全球模塊的平均銷售價格（ASP）數(shù)據(jù)。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(jīng)下降（這與 Cat 1bis 在亞洲市場銷量大幅增長密切相關(guān)。）

⑧ 標準演進

LTE Cat 1bis 設(shè)備可以在 5G 核心 (5GC) 網(wǎng)絡(luò)上使用。

在 Rel-15 中，3GPP 定義了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選項5，允許升級的LTE (eLTE) 設(shè)備通過升級的 eLTE NB (eNB) 連接到 5GC 網(wǎng)絡(luò)。允許 LTE Cat 1bis 設(shè)備注冊到 5GC 將使其能夠處于低功耗但就緒狀態(tài)，例如無線資源控制 (RRC) 非活動狀態(tài)。這也將確保這些設(shè)備在運營商逐步淘汰 4G 核心網(wǎng)絡(luò)時的業(yè)務(wù)連續(xù)性。LTE Cat 1bis 設(shè)備還可以連接到一個結(jié)合了演進分組核心 (Evolved Packet Core) 和 5GC 核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)。Cat 1bis UE 可以通過動態(tài)擴頻（DSS）與 5G 設(shè)備 (5G NR UE) 共享時間或頻譜。這將確保在運營商將 LTE 頻譜重新分配給其他先進技術(shù)時，Cat 1bis 設(shè)備的持續(xù)服務(wù)。

3GPP 已經(jīng)為 Cat 1 技術(shù)的演進制定了明確的路徑，如下圖：

圖 Cat 1 演進

在其最初的規(guī)范中，3GPP 定義了 UE 類別 Cat 1，允許在最高 20 MHz 的信道帶寬下分別上傳和下載數(shù)據(jù)速率為 5 和 10 Mbps。隨著 2016 年 Cat 1bis 的引入，盡管減少到一個 RF 接收鏈，但 RF 和吞吐能力得以保持，并且功耗得到改善。

在 2023 年底之前，3GPP 將凍結(jié) Rel-18 標準，其中包括 NR eRedCap。eRedCap 專為資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)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(gòu)提供約 10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。這為需要簡單射頻設(shè)計和 Cat 1 類似數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用提供了明確的連續(xù)路徑。當(dāng) eRedCap 設(shè)備推出時，LTE 將成為它們的備用技術(shù)，從而使其能夠在 LTE 上以 Cat 1bis 模式運行。

總而言之，Cat 1bis 的優(yōu)勢在于能夠緩解物聯(lián)網(wǎng)部署的痛點。其更廣泛的全球漫游覆蓋范圍、支持節(jié)能功能以及低功耗，能讓制造商制造出易于部署且電池壽命長的設(shè)備。LTE-M 提供了覆蓋優(yōu)勢，但它們可能不適用于全球部署的資產(chǎn)跟蹤器等靜態(tài)場景的用例。與 LPWAN 模塊相比，Cat 1bis 調(diào)制解調(diào)器和模塊具有價格競爭力。它們在3GPP標準中具有明確定義的演進路徑，未來將以基于 eRedCap 的產(chǎn)品形式出現(xiàn)。

參考資料：
《Understanding the benefits of LTE Cat 1bis technology》，Qualcomm
《Eight ways LTE Cat 1bis has usurped NB-IoT/LTE-M as the king tech in cellular IoT》，RCRWireless News