LTE Cat 1bis 如何取代 NB-IoT/LTE-M 成为蜂窝物联网王者？

　　物联网应用需要多样化的数据速率。比如，一些简单应用需要每秒几千比特 (kpbs) 的数据速率，一些常见应用需要 1 到 10 Mbps 的数据吞吐量，还有一些高端物联网设备则需要 100 到 150 Mbps 的数据吞吐量。下表总结了不同物联网标准的对应特性，以及相应的典型应用。

　　图 不同物联网标准的特征(来源：高通)

　　其中，LTE Cat 1bis 是在 LTE Cat 1 基础上进行改进的新一代物联网通信技术标准。Cat.1bis 保持了与 Cat.1 相同的低功耗特性，但在传输速率和带宽方面有所提升。

　　此前，市场研究机构Counterpoint发布的最新版的全球蜂窝物联网模组和芯片追踪报告显示——2023 年全球蜂窝物联网模组出货量同比下降 2%，这是全球蜂窝物联网模组出货量首次出现年度下滑。

　　虽然蜂窝物联网模块整体出货量出现了下滑，但部分制式的技术却逆势增长。在各种蜂窝物联网技术类型中，LTE (4G) Cat 1 bis 在 2023 年增长最快，占总出货量的 22% 以上。

　　在中国，LTE Cat 1 bis 现已成为 POS、智能电表、远程信息处理和资产跟踪的主要蜂窝标准——由于其经济性和能源效率，市场正在慢慢从 LTE Cat 1 和 NB-IoT 过渡到更高效的 LTE Cat 1 bis。

　　近日，高通发布了一份介绍 LTE Cat 1bis 优势的白皮书，将 LTE Cat 1 bis 与 LTE-M 和 NB-IoT 进行了全方位的比较， 干货内容满满。笔者通读之后，对其中的精华内容进行了编译，与大家共享。

　   ① 网络部署

　　采用 NB-IoT 和 LTE-M 的障碍之一是，这两种技术需要运营商升级其网络上的软件，这意味着额外的资本支出(CapEx)，以及更高的运营支出(OpEx)来运行网络。此外，对于 LTE-M 的部署，运营商需要划拨六个资源块;在许多情况下，这可能占到低频区域可用带宽的 10% 之多。

　　如果 LTE-M 网络负载不足，专用于 LTE-M 的容量将被低效利用，LTE 网络上的用户将无法使用这些资源。这不是一种标准限制，而是可能由特定网络基础设施实施所导致的限制。有一些方式可以通过在 LTE 和 LTE-M 之间动态共享频谱来最大限度的减少损失，但这需要额外的软件许可证和网络升级。

　　相比之下，Cat 1bis 设备在常规 LTE 网络上运行——这与我们的手机所运行的 LTE 网络相同。与 LTE-M 和 NB-IoT 不同，运营商无需对其无线接入网 (RAN) 或核心网络进行任何升级，诸如准入控制、拥塞控制、移动管理和调度等 eNB 功能在 Cat 1bis 和常规 Cat 1 之间是共通的。LTE 网络将 Cat 1bis 设备与 Cat 1 设备“一视同仁”，但只需一个接收 (Rx) 天线。不需要为 Cat 1bis 设备分配专用带宽，它们与常规 LTE Cat 1、Cat 4 和智能手机共存于同一网络和频谱中。

　　② 全球漫游

　　由于并不是所有运营商都部署了 LTE-M 或 NB-IoT 网络，这些技术的部署比较零散，所以利用 LTE-M 和 NB-IoT 进行全球数据漫游仍然是一个遥远的梦想。

　　如下图1所示，这是 GSMA 追踪的全球 LTE-M 和 NB-IoT 部署情况：NB-IoT 由 110 家运营商在大约 60 个国家部署;LTE-M 由 60 家运营商在 34 个国家实现商业化——这两种技术在欧洲、北美和澳大利亚的大部分地区以及亚洲部分地区都是可用的。

　　然而，LPWAN 国际漫游的情况则大不相同。图 2 显示了一个大型无线运营商提供的 LTE-M 连接范围，包括其漫游合作关系。图 3 和 图 4 分别描述了两家大型移动虚拟网络运营商 (MVNOs) 的连接范围以及漫游合作关系。这些地图说明，由单一服务提供商提供的 LTE-M 服务可以使用的国家数量和范围会急剧减少。

　　从物联网服务提供商的角度来看，必须考虑 LTE-M 不可用的情况，类似的情况也适用于 NB-IoT 数据连接和漫游。例如，全球部署的资产追踪器等用例需要全球范围内的数据连接，因此设备制造商必须采用多模设备。

　　随着手机的普及，移动网络运营商之间建立了全面的全球漫游合作关系，以支持其旅行客户群。今天，运营商通过庞大的漫游关系网络在几乎每个国家提供 LTE 数据连接，为 IP 数据提供本地分支选项。与手机在同一网络上运行的 IoT LTE Cat 1bis 设备受益于为手机设置的漫游协议。因此，它们可以像消费者设备那样从单个服务提供商那里获得无处不在的数据连接。

　　③ 功耗

　　为了使设备能够保持较长的睡眠状态并节省功耗，3GPP 引入了诸如扩展不连续接收 (eDRX) 机制和节能模式 (PSM) 等功能。像智能能量计和追踪器这样的应用通常具有固定、可预测的数据发送和接收模式，它们可以利用 eDRX 和 PSM 来实现更长的 DRX 睡眠周期。这两个功能通常用于 NB-IoT 和 LTE-M 网络，也适用于 Cat 1bis 设备。一项对运营商的调查显示，美国、欧洲和亚洲的一些主要运营商已经为他们的 Cat 1 和 Cat 1bis 设备启用了 eDRX 和 PSM。因此，具有 Cat 1bis 的能量计和追踪器可以享受与基于 LTE-M 的设备相同的延长睡眠周期。

　　资产追踪中的一些用例允许设备在断电模式下运行，在这种模式下，设备定期唤醒以报告数据。其余时间，它是关机的，无法访问。

　　与 LTE-M 和 NB-IoT 设备类似，Cat 1bis 设备只有一条接收 RF 链，这是传统 Cat 1 设备的架构优势。单链意味着更低的成本，在一定程度上节省了功耗，并且在外形尺寸受限的设备中具有设计灵活性。

　　与设备电池寿命相关的另一个重要指标是 ON 时间:设备必须处于活动模式以完成数据事务的时间。对设备开机时间的探讨引出了对数据速率的讨论。

　　在半双工模式下，NB-IoT NB2 和 LTE Cat-M1 的峰值上行数据速率分别为 160 Kbps 和 375 Kbps。然而，实际中实现的典型数据速率要低得多。来自 ATT 和 Orange5 的公开统计数据表明，实地 LTE-M 数据速率的平均值约为 100 Kbps，而覆盖范围扩展场景中的数据速率为几十 Kbps。

　　最近的一项研究发现，拉丁美洲运营商的平均 NB2 数据速率仅为 3 Kbps，NB2 设备的典型数据速率约为 10 Kbps。下图显示了基于 NB2、Cat-M1 和 Cat 1 设备的典型数据速率上传 500 字节有效载荷的设备 ON 时间。

　　图 NB2、Cat- m1和 Cat- 1 设备的设备开机时间

　　如图所示，要在 NB-IoT 和 LTE-M 上上传或接收 500 字节的数据，设备的 ON 时间分别为 400 毫秒和 40 毫秒;相比之下，Cat 1bis 设备可以在 8 毫秒内完成相同的数据交易(吞吐量=500 Kbps)。

　　功耗在很大程度上取决于设备的操作模式以及设备的实现方式。对于容忍延迟和/或低工作周期的应用程序，物联网设备依赖于降低功耗的状态，如 eDRX 和 PSM——这两种状态适用于 LPWAN 和 Cat 1bis——以极大地延长电池寿命。值得注意的是，设备功耗越来越多地由于与蜂窝调制解调器无关的任务而主导，例如跟踪位置和处理传感器数据。

　　即使如此，LTE Cat 1bis 调制解调器的功耗现在与 LTE-M 调制解调器相当或更好，见下表。

　　表 Cat 1bis 和 LTE-M 调制解调器功耗

　　④ 数据速率

　　设备制造商的一个关注点是无法通过 NB-IoT 甚至有时是通过 LTE-M 执行固件无线 (FOTA) 更新。在 LPWAN 数据速率下，向设备发送几兆字节大小的 FOTA 镜像需要很长时间。增量 FOTA 只向设备发送增量更改，它可以减少设备的 ON 时间，但需要设备制造商实施增量 FOTA 框架。

　　同样，随着智能边缘连接应用程序的日益普及，物联网设备将发送和接收更多数据，但 LPWAN 数据速率可能不足以支持这种转型。例如，智能能量计不仅可以收集能源使用数据，还可以监视电网上的实际负载、消费模式的变化以及电压等指标的波动。然后，它们将这些参数传送到公用事业云，以从电网快速做出补救响应。这些创新将需要更高的数据速率。

　　⑤ 覆盖范围

　　LTE-M 和 NB 技术最重要的优势在于覆盖范围。

　　与传统 LTE 相比，这两种技术都使用了第一层数据包重复(包括控制信道和数据信道)，以提供更广泛的覆盖范围。理论上，LTE-M 或增强型机器型通信 (eMTC) 相比 LTE 提供了额外的 12 dB 的链路余量，而 NB 则提供了 20 dB 的余量。这种扩展的射频覆盖范围是以降低的频谱效率(降低的数据速率)为代价的，因为运营商必须为数据包重复分配更多资源，增加延迟。由于天线数量的减少，与传统的 LTE Cat 1 相比，LTE Cat 1bis 带来了额外的 2.5 到 3db 的损失

　　扩展的覆盖范围适用于处于具有挑战性的射频环境中的设备，例如地下室、电梯和深层室内位置。扩展的链路余量通常不适用于资产追踪器等移动设备，或者像停车收费器或能量计这样的设备，它们可以作为枢纽来汇总来自周围仪表的数据。

　　⑥ 定位

　　通常而言，基于云的定位技术依赖于用户设备 (UE) 来检测附近的 LTE 小区，定位精度随着检测到的小区数量的增加而提高。随着信道带宽的增加，相关增益也会增加，使设备能够检测到更多 LTE 小区的同步信道并解码系统信息。

　　Cat 1bis 支持的信道带宽为 20 MHz，而 LTE Cat-M1 只有六个资源块或 1.4 MHz。即使运营商部署了 5 或 10 MHz 的信道带宽，Cat 1bis 检测到 LTE 小区的机会也比 Cat-M1 更高。这是 LTE Cat 1bis 更适合追踪器用例的另一个原因。

　　下图显示了在 10 MHz 信道上运行的 LTE Cat 1 设备检测到的小区站点(左图)与 Cat-M 设备检测到的小区站点(右图)的数量。有了对更高信道带宽的支持，Cat 1 设备可以相当一致地检测到 5 到 10 个小区站点，从而提高了定位精度。

　　图 检测到的基站数量，10mhz 通道与 Cat-M 设备

　　⑦ 成本

　　LTE Cat 1bis 模块和设备在成本上具有优势，比 Cat 1 设备更经济实惠。与 LPWAN 模块类似，Cat 1bis 模块和设备只需一个天线和一个接收 RF 链，而 Cat 1 设备则需要两个天线。LTE-M 和 NB 提供了一小部分的成本优势：由于通信的半双工性质，RF 前端不需要声表面波滤波器(即无SAW)，因此成本结构与 LPWAN 相当。

　　下图显示了全球模块的平均销售价格(ASP)数据。2020年，Cat 1bis 和LPWAN 模块的 ASP 约为10美元；自那时起，Cat 1bis 模块的价格已经下降（这与 Cat 1bis 在亚洲市场销量大幅增长密切相关。）

　　图 无线模块的平均售价 (ASP)，美元

　　(数据来源:Counterpoint Technology Market Research)

　　⑧ 标准演进

　　LTE Cat 1bis 设备可以在 5G 核心 (5GC) 网络上使用。

　　在 Rel-15 中，3GPP 定义了网络架构的选项5，允许升级的LTE (eLTE) 设备通过升级的 eLTE NB (eNB) 连接到 5GC 网络。允许 LTE Cat 1bis 设备注册到 5GC 将使其能够处于低功耗但就绪状态，例如无线资源控制 (RRC) 非活动状态。这也将确保这些设备在运营商逐步淘汰 4G 核心网络时的业务连续性。LTE Cat 1bis 设备还可以连接到一个结合了演进分组核心 (Evolved Packet Core) 和 5GC 核心网络的网络。Cat 1bis UE 可以通过动态扩频(DSS)与 5G 设备 (5G NR UE) 共享时间或频谱。这将确保在运营商将 LTE 频谱重新分配给其他先进技术时，Cat 1bis 设备的持续服务。

　　3GPP 已经为 Cat 1 技术的演进制定了明确的路径，如下图：

　　图 Cat 1 演进

　　在其最初的规范中，3GPP 定义了 UE 类别 Cat 1，允许在最高 20 MHz 的信道带宽下分别上传和下载数据速率为 5 和 10 Mbps。随着 2016 年 Cat 1bis 的引入，尽管减少到一个 RF 接收链，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 将冻结 Rel-18 标准，其中包括 NR eRedCap。eRedCap 专为资源受限的物联网设备设计。NR eRedCap 将扩展支持最高 20 MHz 的类似信道带宽，并使用与 Cat 1bis 相同的单天线架构提供约 10 Mbps的数据速率。这为需要简单射频设计和 Cat 1 类似数据速率的应用提供了明确的连续路径。当 eRedCap 设备推出时，LTE 将成为它们的备用技术，从而使其能够在 LTE 上以 Cat 1bis 模式运行。

　　总而言之，Cat 1bis 的优势在于能够缓解物联网部署的痛点。其更广泛的全球漫游覆盖范围、支持节能功能以及低功耗，能让制造商制造出易于部署且电池寿命长的设备。LTE-M 提供了覆盖优势，但它们可能不适用于全球部署的资产跟踪器等静态场景的用例。与 LPWAN 模块相比，Cat 1bis 调制解调器和模块具有价格竞争力。它们在3GPP标准中具有明确定义的演进路径，未来将以基于 eRedCap 的产品形式出现。

　　参考资料：

　　《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