LTE Cat 1bis是什么？有什么用？一文帶你看懂TA
物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個革命性的階段。大多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)運營商 (MNO) 都已宣布甚至實施了關(guān)閉傳統(tǒng)2G和3G手機的計劃, 將相關(guān)頻率遷移到4G或5G網(wǎng)絡(luò)。因此，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員也必須采用新的蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
雖然5G已經(jīng)開始部署，但其使用還面臨著一些挑戰(zhàn)。除了全球覆蓋范圍的限制外，目前的5G解決方案還不能滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)的要求,例如功耗高、成本高、尺寸大、設(shè)計復(fù)雜是其中的一些缺點。預(yù)計5G RedCap和MMTC將在未來解決這些問題。就目前而言，4G LTE是唯一能提供全球覆蓋的蜂窩技術(shù)，并且至少能在未來五年內(nèi)仍是這樣。
兩極格局
2016年，3GPP Rel 13為物聯(lián)網(wǎng)規(guī)定了新的4G蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。其目的是與非蜂窩低功耗廣域（LPWA）技術(shù)（如SigFox或LoRaWAN）競爭。3GPP推出的新蜂窩標(biāo)準(zhǔn)包括NB-IoT（又名LTE Cat-NB）、LTE-M（又名LTE Cat-M）和LTE Cat 1bis（3GPP Rel 8已指定 LTE Cat 1標(biāo)準(zhǔn)）。
繼3GPP Rel 13之后，移動網(wǎng)絡(luò)運營商和芯片制造商將重點放在了NB-IoT和LTE-M，而將LTE Cat 1bis擱置一邊。做出這一決定的原因是，Cat 1bis在規(guī)格上不如其他兩種技術(shù)。
圍繞新提出的物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 LPWA技術(shù)展開了激烈的爭論。一方主張使用NB-IoT，而另一方則主張使用LTE-M，因為在過去，各國可以獨立商定部署的技術(shù)、支持的頻段和漫游協(xié)議。
但是，除了IMT-2000在日本的早期推廣或CDMA/EV-DO在北美的初期部署（之后向UMTS/HSPA融合）等少數(shù)例外情況外，全球一直處于融合狀態(tài)。
而最近，這種融合被排除在外。亞太地區(qū)和歐洲、中東和非洲大部分地區(qū)選擇了NB-IoT 實施方案，而美洲、日本、韓國和澳大利亞則選擇了LTE-M。
這種分歧造成了一個兩極世界。中國大力推動NB-IoT；事實上，中國是唯一大規(guī)模部署NB-IoT的國家。而北美則迅速部署了LTE-M。如今，LTE-M主導(dǎo)著這一市場的大部分，盡管一些MNO在過去幾年中增加了對NB-IoT的支持。歐洲、中東和非洲地區(qū)的情況比較特殊。最初，它選擇了NB-IoT。但后來，西歐國家的大多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)運營商也增加了對LTE-M的支持。
雖然LTE-M的特性符合大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)要求，但NB-IoT卻并非如此。即使NB-IoT的 MCL（最大耦合損耗）優(yōu)于LTE-M，其數(shù)據(jù)傳輸速率也是有限的。此外，NB-IoT基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計不支持移動性（切換）和語音。
在當(dāng)前情況下，我們發(fā)現(xiàn)在一些地區(qū)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用受益于出色的LTE-M覆蓋（如北美），而在其他地區(qū)，則部分或完全沒有LTE-M覆蓋。在后一種情況下，由于上述限制，NB-IoT無法滿足大多數(shù)用例。
在歐洲，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍然連接到傳統(tǒng)2G（如果有的話）。由于LTE-M的覆蓋不可靠，在最糟糕的情況下甚至沒有覆蓋，因此客戶要求使用帶有2G回退功能的LPWA模塊。NB-IoT功能無法滿足用例需求。
直到最近，LTE Cat 1仍是成本最低、覆蓋全球的4G蜂窩技術(shù)。LTE Cat 1的缺點是其芯片組成本遠(yuǎn)高于NB-IoT或LTE-M。此外，與LTE-M和NB-IoT相比，LTE Cat 1的設(shè)計更加復(fù)雜，需要額外的組件，這對總體成本產(chǎn)生了重大影響。
這種情況促使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)商和移動網(wǎng)絡(luò)運營商尋找具有成本效益的替代方案，從而保證物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的LPWA全球連接性、移動性和漫游性，這也重新激發(fā)了人們對LTE Cat 1bis的興趣。
Cat 1bis究竟是什么？
簡而言之，LTE Cat 1bis就是帶有單接收（Rx）天線的LTE Cat 1。所有其他設(shè)備特性（如上行鏈路 (UL) / 下行鏈路 (DL) 數(shù)據(jù)速率和協(xié)議）保持不變。相反，標(biāo)準(zhǔn)LTE Cat 1（3GPP Rel 8）支持Rx分集，需要兩個Rx路徑。
射頻分集可提高射頻接收能力，尤其是在小區(qū)邊緣。但要支持射頻分集，LTE Cat 1芯片組需要兩個射頻輸入，并配備復(fù)雜的射頻前端和特定軟件。在某種程度上，這就是LTE Cat 1芯片組的成本高于LTE-M和NB-IoT芯片組的原因，也是LTE Cat 1應(yīng)用需要更復(fù)雜、更大規(guī)模的PCB、額外的組件和兩根天線的原因。所有這些特性都導(dǎo)致了更高的成本：LTE Cat 1解決方案的成本可能是LTE-M解決方案的兩倍。
從LTE Cat 1bis標(biāo)準(zhǔn)中移除接收分集功能可使芯片組設(shè)計更簡單、成本更優(yōu)化。開發(fā)人員正利用這一優(yōu)勢，設(shè)計出比LTE Cat 1標(biāo)準(zhǔn)更簡單、更小巧、更便宜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
為何將LTE Cat 1bis作為LPWA額外選項？
LTE-M和LTE Cat 1bis都適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具體取決于地區(qū)和使用案例。原因有以下幾點：
功耗：LTE-M和LTE Cat 1bis都支持PSM和eDRX等低功耗模式。這些模式可延長電池壽命，這對許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說是一項重要功能。
解決方案總成本：LTE-M和LTE Cat 1bis的成本僅為基于LTE Cat 1的同等解決方案的一半，可節(jié)省大量成本。
5G 兼容性：LTE Cat 1bis是一種連接到4G演進分組核心網(wǎng)（EPC）的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。理論上，LTE-M和NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)可以連接到5G核心網(wǎng)。然而，移動網(wǎng)絡(luò)運營商尚未實現(xiàn)這一功能，也沒有一家宣布有此計劃。
數(shù)據(jù)速率/延遲：LTE Cat 1bis 在延遲和數(shù)據(jù)速率方面優(yōu)于LTE-M，與LTE Cat 1的性能相當(dāng)，下行鏈路速率高達(dá)10 Mb/s，上行鏈路速率高達(dá)5 MB/s。這通常超過了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求。LTE-M下行鏈路限制為375 kb/s，上行鏈路限制為1 Mb/s。
總之，LTE Cat 1bis和LTE-M都能滿足以前由2G和3G技術(shù)提供服務(wù)的大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)用例的要求：中等帶寬、低功耗和低成本等。
為什么現(xiàn)在要考慮將LTE Cat 1bis作為LPWA的替代技術(shù)？哪些驅(qū)動因素會促使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員考慮將LTE Cat 1bis作為LPWA選項？要回答這些問題，我們必須考慮具體的使用案例、價格差距以及LPWA全球部署的現(xiàn)狀。在選擇合適的通信技術(shù)時，有五個方面需要考慮。以下是一份簡短的清單：
傳輸數(shù)據(jù)量和對電池的影響
網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可用性
服務(wù)時限
鏈路預(yù)算
設(shè)備尺寸
01 傳輸數(shù)據(jù)量和對電池的影響
我們必須考慮到，視頻監(jiān)控、帶視頻的報警系統(tǒng)或電子醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用會產(chǎn)生相當(dāng)大的數(shù)據(jù)量。這些用例可以利用LTE Cat 1bis運營商的20 MHz帶寬，而LTE-M的帶寬僅為1.4 MHz。
有了更大的帶寬，設(shè)備就能更快地傳輸數(shù)據(jù)。這就減少了空中傳輸時間，從而降低了電池使用量。根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小，更快的傳輸速度意味著更短的空中傳輸時間，從而實現(xiàn)更高的能效。
02 網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可用性
傳統(tǒng)2G和3G技術(shù)所提供的全球便攜性即將終結(jié)，而LTE-M和NB-IoT等LPWA技術(shù)的部署還缺乏協(xié)調(diào)，這就造成了一種特殊的全球局面。亞太地區(qū)和大多數(shù)東歐國家只覆蓋了 NB-IoT，而美洲、澳大利亞和少數(shù)歐洲國家則同時覆蓋了NB-IoT和LTE-M。而在大多數(shù)非洲國家，NB-IoT和LTE-M均未部署，但4G LTE已出現(xiàn)在這些國家。南非是個例外，該國目前正在積極部署NB-IoT。
還應(yīng)考慮漫游協(xié)議。漫游協(xié)議很少，即使兩地都有足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，也不能保證在國家間旅行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠接入網(wǎng)絡(luò)。
以意大利為例，盡管這也適用于其他西歐國家。與大多數(shù)歐洲移動網(wǎng)絡(luò)運營商一樣，意大利的移動網(wǎng)絡(luò)運營商最初也部署了NB-IoT。但最近，沃達(dá)豐意大利分公司增加了對LTE-M的支持（2022年）。這并不一定意味著LTE-M在所有地方都能使用，尤其是考慮到NB-IoT的覆蓋范圍并不全面。因此，即使LTE-M可以使用，意大利境內(nèi)也無法實現(xiàn)全面覆蓋，而且無法確定何時才能實現(xiàn)。
另一個例子是美國，LTE-M已在該國大部分地區(qū)廣泛部署，并實現(xiàn)了良好的覆蓋，從而形成了龐大的LTE-M物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝基礎(chǔ)。然而，NB-IoT的優(yōu)先級較低。雖然美國的移動網(wǎng)絡(luò)運營商已經(jīng)部署了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，但與LTE-M相比，裝機量要小得多。
只要有4G LTE網(wǎng)絡(luò)的地方，就可以使用LTE Cat 1bis網(wǎng)絡(luò)，世界上大多數(shù)人口稠密的地區(qū)都是這種情況。根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議，4G網(wǎng)絡(luò)之間基本上可以漫游，因此LTE Cat 1bis特別適合遠(yuǎn)程信息處理和資產(chǎn)跟蹤等移動應(yīng)用。這樣的例子可以鼓勵物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員考慮將LTE Cat 1bis作為一種可行的 LPWA 選項。
03 服務(wù)時限
目前，很難說LTE Cat 1bis和LTE-M哪種技術(shù)的使用壽命更長。移動網(wǎng)絡(luò)運營商尚未宣布這兩種技術(shù)的任何 “日落 ”計劃，而且時間可能因地區(qū)而異。
一些市場，如美國和一些亞太國家，可能會更快地過渡到5G。這可能會激勵網(wǎng)絡(luò)運營商從當(dāng)前的4G頻譜轉(zhuǎn)向5G。需要考慮的因素可能包括網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量、每種技術(shù)所消耗的帶寬以及哪些頻段將優(yōu)先用于過渡。不過，其他市場的發(fā)展速度要慢得多，可能會使這兩種技術(shù)一直延續(xù)到2030年代末。
04 鏈路預(yù)算
LTE-M的最大耦合損耗（MCL）為-154 dBm，而LTE Cat 1為-149 dBm。由于沒有Rx分集天線，LTE Cat 1bis比Cat 1多了3-4 dB的損耗。這意味著LTE Cat 1bis的MCL比LTE-M低8-9 dBm。LTE-M更高的MCL可確保在惡劣的城市環(huán)境、車庫或小區(qū)邊緣等具有挑戰(zhàn)性的信號條件下實現(xiàn)更好的連接。不過，與標(biāo)準(zhǔn)4G LTE相比，LTE-M的小區(qū)密度較低，部分抵消了LTE-M信號穿透力更強的優(yōu)勢。
05 設(shè)備尺寸
LTE Cat 1滿足了可穿戴設(shè)備等需要小尺寸和中等數(shù)據(jù)傳輸速率的用例的許多要求，在帶寬、覆蓋范圍和功耗方面具有優(yōu)勢。不過，由于需要雙天線設(shè)計，小型化仍具有挑戰(zhàn)性。
事實上，設(shè)計人員的目標(biāo)是小型解決方案，這迫使他們在性能和尺寸之間尋找平衡。因此，目前許多小型LTE Cat 1設(shè)計都省略了Rx分集功能，也不包括第二根天線。
與LTE Cat 1相比，LTE Cat 1bis具有簡化的天線、更短的部件清單和更低的價格，因此在許多使用案例中也可以取代LTE Cat 1。
最后的結(jié)論是什么？
LTE Cat 1bis和LTE-M都是LPWA應(yīng)用的合適技術(shù)選擇。因此，在做出選擇之前，必須考慮技術(shù)特性和地區(qū)部署情況。u-blox可根據(jù)具體的使用案例和移動網(wǎng)絡(luò)運營商協(xié)助進行此類選擇。
u-blox提供廣泛的產(chǎn)品組合，包括LTE-M、LTE Cat 1和LTE Cat 1bis模塊。u-blox憑借首個通過認(rèn)證的LTE-M模塊系列SARA-R4，在LTE-M領(lǐng)域確立了早期的市場領(lǐng)導(dǎo)地位，該模塊還提供2G回退功能。u-blox還開發(fā)了自己的LTE-M芯片組UBX-R5，并以此為基礎(chǔ)推出了u-blox SARA-R5模塊系列。這兩個系列已進一步小型化，有LEXI-R4和LEXI-R5兩種外形尺寸。
對于LTE Cat 1bis，u-blox提供LENA-R8和LEXI-R10系列。LENA-R8還提供組合產(chǎn)品：LTE Cat 1bis+GNSS型號。其中GNSS是全新的u-blox M10 GNSS平臺。LENA-R8組合（LENA-R8M10）有兩個電源，為客戶提供了出色的電源管理靈活性，從而優(yōu)化了整體性能。LEXI-R10是u-blox最小的LTE Cat 1bis模塊，支持Wi-Fi掃描和用于室內(nèi)定位的CellLocate。u-blox LARA-R6 LTE Cat 1模塊支持全Rx分集，最適合高性能應(yīng)用。
作者:Valerio Carta
u-blox蜂窩通信產(chǎn)品高級營銷經(jīng)理
