LTE Cat 1bis 如何取代 NB-IoT/LTE-M 成為蜂窩物聯網王者？

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 的數據吞吐量。下表總結了不同物聯網標準的對應特性，以及相應的典型應用。

其中，LTE Cat 1bis 是在 LTE Cat 1 基礎上進行改進的新一代物聯網通信技術標準。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 年全球蜂窩物聯網模組出貨量同比下降 2%，這是全球蜂窩物聯網模組出貨量首次出現年度下滑。

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。

在中國，LTE Cat 1 bis 現已成為 POS、智能電表、遠程信息處理和資產跟蹤的主要蜂窩標準——由于其經濟性和能源效率，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，高通發布了一份介紹 LTE Cat 1bis 優勢的白皮書，將 LTE Cat 1 bis 與 LTE-M 和 NB-IoT 進行了全方位的比較， 干貨內容滿滿。筆者通讀之后，對其中的精華內容進行了編譯，與大家共享。

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，這意味著額外的資本支出（CapEx），以及更高的運營支出（OpEx）來運行網絡。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，這可能占到低頻區域可用帶寬的 10％ 之多。

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的限制。有一些方式可以通過在 LTE 和 LTE-M 之間動態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 NB-IoT 不同，運營商無需對其無線接入網 (RAN) 或核心網絡進行任何升級，諸如準入控制、擁塞控制、移動管理和調度等 eNB 功能在 Cat 1bis 和常規 Cat 1 之間是共通的。LTE 網絡將 Cat 1bis 設備與 Cat 1 設備“一視同仁”，但只需一個接收 (Rx) 天線。不需要為 Cat 1bis 設備分配專用帶寬，它們與常規 LTE Cat 1、Cat 4 和智能手機共存于同一網絡和頻譜中。

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 數據連接和漫游。例如，全球部署的資產追蹤器等用例需要全球范圍內的數據連接，因此設備制造商必須采用多模設備。

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設備在斷電模式下運行，在這種模式下，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 設備類似，Cat 1bis 設備只有一條接收 RF 鏈，這是傳統 Cat 1 設備的架構優勢。單鏈意味著更低的成本，在一定程度上節省了功耗，并且在外形尺寸受限的設備中具有設計靈活性。

與設備電池壽命相關的另一個重要指標是 ON 時間:設備必須處于活動模式以完成數據事務的時間。對設備開機時間的探討引出了對數據速率的討論。

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

最近的一項研究發現，拉丁美洲運營商的平均 NB2 數據速率僅為 3 Kbps，NB2 設備的典型數據速率約為 10 Kbps。下圖顯示了基于 NB2、Cat-M1 和 Cat 1 設備的典型數據速率上傳 500 字節有效載荷的設備 ON 時間。

圖 NB2、Cat- m1和 Cat- 1 設備的設備開機時間

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

功耗在很大程度上取決于設備的操作模式以及設備的實現方式。對于容忍延遲和/或低工作周期的應用程序，物聯網設備依賴于降低功耗的狀態，如 eDRX 和 PSM——這兩種狀態適用于 LPWAN 和 Cat 1bis——以極大地延長電池壽命。值得注意的是，設備功耗越來越多地由于與蜂窩調制解調器無關的任務而主導，例如跟蹤位置和處理傳感器數據。

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 LTE-M 調制解調器功耗

④ 數據速率

設備制造商的一個關注點是無法通過 NB-IoT 甚至有時是通過 LTE-M 執行固件無線 (FOTA) 更新。在 LPWAN 數據速率下，向設備發送幾兆字節大小的 FOTA 鏡像需要很長時間。增量 FOTA 只向設備發送增量更改，它可以減少設備的 ON 時間，但需要設備制造商實施增量 FOTA 框架。

同樣，隨著智能邊緣連接應用程序的日益普及，物聯網設備將發送和接收更多數據，但 LPWAN 數據速率可能不足以支持這種轉型。例如，智能能量計不僅可以收集能源使用數據，還可以監視電網上的實際負載、消費模式的變化以及電壓等指標的波動。然后，它們將這些參數傳送到公用事業云，以從電網快速做出補救響應。這些創新將需要更高的數據速率。

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 LTE 相比，這兩種技術都使用了第一層數據包重復（包括控制信道和數據信道），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（降低的數據速率）為代價的，因為運營商必須為數據包重復分配更多資源，增加延遲。由于天線數量的減少，與傳統的 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性的射頻環境中的設備，例如地下室、電梯和深層室內位置。擴展的鏈路余量通常不適用于資產追蹤器等移動設備，或者像停車收費器或能量計這樣的設備，它們可以作為樞紐來匯總來自周圍儀表的數據。

⑥ 定位

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

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 設備檢測到的小區站點（左圖）與 Cat-M 設備檢測到的小區站點（右圖）的數量。有了對更高信道帶寬的支持，Cat 1 設備可以相當一致地檢測到 5 到 10 個小區站點，從而提高了定位精度。

圖 檢測到的基站數量，10mhz 通道與 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 模塊和設備只需一個天線和一個接收 RF 鏈，而 Cat 1 設備則需要兩個天線。LTE-M 和 NB 提供了一小部分的成本優勢：由于通信的半雙工性質，RF 前端不需要聲表面波濾波器（即無SAW），因此成本結構與 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 無線模塊的平均售價 (ASP)，美元
(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 設備還可以連接到一個結合了演進分組核心 (Evolved Packet Core) 和 5GC 核心網絡的網絡。Cat 1bis UE 可以通過動態擴頻（DSS）與 5G 設備 (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時，Cat 1bis 設備的持續服務。

3GPP 已經為 Cat 1 技術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據速率為 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 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 的優勢在于能夠緩解物聯網部署的痛點。其更廣泛的全球漫游覆蓋范圍、支持節能功能以及低功耗，能讓制造商制造出易于部署且電池壽命長的設備。LTE-M 提供了覆蓋優勢，但它們可能不適用于全球部署的資產跟蹤器等靜態場景的用例。與 LPWAN 模塊相比，Cat 1bis 調制解調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 的產品形式出現。