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本文作者 |?Valerio?Carta，蜂窩通信高級產品營銷經理
當今的物聯網生態系統正處在變革關頭。大多數移動網絡運營商(MNO)已宣布計劃停用傳統2G和3G蜂窩通信技術，將相應頻率的服務遷移到4G或5G網絡，甚至已將這些舉措付諸實施。
物聯網開發者也必須順勢而為，采用新的蜂窩通信標準。5G網絡的部署工作已經鋪開，但其實際應用仍然不乏挑戰。
目前的5G網絡存在覆蓋范圍問題，無法滿足物聯網的大多數要求，比如功耗、成本和設計復雜性要求，這些都是5G RC和MMTC未來亟待解決的問題。在這樣的環境下，就目前及至少未來五年而言，4G LTE技術將獨擔全球蜂窩通信覆蓋的重任。
2016年，3GPP Rel 13標準規范了適用于物聯網的4G蜂窩通信新標準，目標是與包括SigFox或LoRaWAN在內的非蜂窩通信低功耗廣域(LPWA)技術競爭。
為此，3GPP頒布了多項新蜂窩通信標準，包括NB-IoT（即LTE Cat-NB）、LTE-M（即LTE Cat-M）和LTE Cat 1bis（LTE Cat 1標準在3GPP Rel 8中規定）。
3GPP Rel 13出臺之后，移動互聯網公司和芯片制造商將精力集中在NB-IoT和LTE-M上，暫未考慮LTE Cat 1bis，這是因為在衡量不同規范的優缺點時，LTE Cat 1bis的表現不如另外兩者。
圍繞新提出的蜂窩通信LPWA技術，業界展開了激烈的辯論，一方推崇NB-IoT，另一方則推崇LTE-M。過去，各國對所部署的技術、支持的頻段和漫游協議意見一致。
也就是說，這是一個全球趨同的技術領域，僅有少數例外情況，比如IMT-2000早期在日本推出，再比如CDMA/EV-DO最初在北美部署，后續融合到UMTS/HSPA。
但近來，世界開始從趨同走向分化。亞太地區與大部分EMEA地區選擇實施NB-IoT，美洲和澳大利亞則選擇了LTE-M。
這形成了兩極分化的格局。中國大力推行NB-IoT。另一方面，北美迅速部署了LTE-M。近年來有些MNO添加了NB-IoT支持，但LTE-M仍是北美市場的主流蜂窩通信技術。歐洲、中東和非洲地區的情況則比較特殊。他們最初選擇部署的是NB-IoT，但西歐國家的大多數MNO后續又增加了LTE-M支持。
LTE-M的特性符合物聯網的大多數需要，NB-IoT則并非如此。相較于LTE-M，NB-IoT的最大耦合損耗(MCL)更低，但其數據傳輸速率存在局限。此外，NB-IoT基礎設施的設計對于移動性的支持不盡人意（不支持基站之間的切換），也不支持高質量語音業務。
就目前而言，我們發現有些地區（如北美地區）出色的LTE-M覆蓋范圍為物聯網應用提供了有益的支持，但另外一些地區的相應覆蓋則存在缺失。在LTE-M覆蓋不足時，NB-IoT由于上述局限性無法滿足多數使用場景的要求。
在歐洲，許多物聯網應用依然連接到傳統2G網絡（如果仍有2G網絡）。由于LTE-M覆蓋范圍不夠可靠乃至完全缺失，客戶急需支持2G回退的LPWA模塊。而NB-IoT的能力無法滿足此使用場景的要求。
直到最近，在具備全球覆蓋能力的4G蜂窩通信技術中，成本最低的依然是LTE Cat 1。但LTE Cat 1也有著自己的不足，其芯片組的成本遠高于NB-IoT或LTE-M芯片組。此外，相較于LTE-M和NB-IoT，LTE Cat 1的設計更加復雜，需要額外的元器件，這大幅推高了總成本。
這樣的現狀促使物聯網開發者和MNO尋求高成本效益的替代方案，從而保證物聯網生態系統的LPWA全球通信、移動性和漫游能力——為此，他們將目光再度投向了LTE Cat 1bis。
02.LTE Cat 1bis是什么？
簡而言之，LTE Cat 1bis是采用單一接收(Rx)天線的LTE Cat 1。除了這一區別之外，其他所有設備特性都沒有區別，包括上行(UL)/下行(DL)數據傳輸速率和協議。標準LTE Cat 1 (3GPP Rel 8)支持Rx天線分集，需要兩個Rx導通孔。
Rx天線分集能改進射頻接收能力，在小區邊緣位置尤其明顯。但為了支持Rx天線分集，LTE Cat 1芯片組需要兩路射頻輸入，以及復雜的射頻前端和專用軟件。從某種意義上而言，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。
因此，LTE Cat 1應用需要精細度更高、尺寸更大的PCB，以及額外的元器件和兩個天線。所有這些特點都推高了成本：LTE Cat 1解決方案的成本可達到對應LTE-M解決方案的兩倍。
另一方面，如果從LTE Cat 1bis標準中剔除Rx天線分集功能，就能簡化芯片組設計，優化其成本。開發者可以借鑒這種思路，設計出比標準LTE Cat 1應用更簡單、更省空間、更經濟的物聯網應用。
03.為什么要考慮將LTE Cat 1bis作為LPWA的另一種可選方案？
相較于LTE Cat 1bis，LTE-M具有幾項比較明顯的優勢，使之成為大多數物聯網應用場景中的首選方案。其中包括：
功耗：LTE-M支持PSM和eDRX等低功耗模式，因此能延長電池續航時間。
鏈路功率損益：LTE-M的最大耦合損耗(MCL)為-154dBm，而LTE Cat 1為-149dBm。由于未使用Rx分集天線，相較于LTE Cat 1，LTE Cat 1bis的損耗會高3-4dB。
這造成LTE Cat 1bis的MCL略遜于LTE-M，相差大約8-9 dBm。LTE-M的MCL更高，能在信號較差的環境下更好地保持通信不中斷，比如嚴苛的城市環境、車庫或小區邊緣。此外，如果主要應用場景是網絡通信不夠穩定的現場環境，LTE-M要更加穩健。
解決方案總成本：LTE-M應用的成本相當于同等LTE Cat 1應用的一半；LTE Cat 1bis縮小了這一差距，而在某些情況下，其差距幾乎可以忽略。
5G兼容性：LTE-M和NB-IoT標準已屬于5G范疇。未來的5G網絡將提供相應支持，因此這兩項標準更順應未來發展。LTE Cat 1和LTE Cat 1bis未來將隨著4G網絡一同淡出歷史舞臺。
從延遲和數據傳輸速率等特性的角度考量，LTE Cat 1bis優于LTE-M，但大多數使用場景并不需要這寥寥數Mbps的優勢。
總而言之，LTE-M能滿足以往采用2G和3G技術的大多數物聯網使用場景的要求，包括中等帶寬、低功耗和低成本等。LTE-M還能優化MCL，確保深入覆蓋建筑物內部。
為什么要在此時此刻考慮將LTE Cat 1bis作為LPWA的另一種可選方案？哪些因素會促使物聯網開發者考慮將LTE Cat 1bis用作LPWA應用的可選方案？要回答這些問題。
我們必須考慮具體的使用場景、價格差距和LPWA全球部署現狀。在選擇合適的通信技術時，需要考慮四個重要因素。這里提供了一份簡要匯總列表，但并非詳盡無遺：
傳輸數據量及對電池續航時間的影響
網絡覆蓋范圍和可用性
使用壽命
設備尺寸
傳輸數據量及對電池續航時間的影響
LTE-M提供375kb/1Mb的下行/上行傳輸速率、簡化的調制方案和更好的MCL，非常適合需要中低數據傳輸速率的物聯網應用。其創新的節能模式eDRX和PSM可提供LTE Cat 1/1bis無法比擬的續航時間優勢。
但我們必須考慮到，還有其他許多物聯網應用（如視頻監控、帶視頻的警報系統或電子醫療）會產生龐大的數據量。LTE Cat 1bis的帶寬優勢比較適合此類使用場景。
更大的帶寬能夠加快設備傳輸數據的速度。這等同于更短的信號發射時間，以及更少的電池耗電量。根據所傳輸數據量的不同，更快的傳輸速度能夠縮短信號發射時間，進而優化電源效率。不過這有一個前提，就是在給定數據量下，可用帶寬成為瓶頸所在。
如果應用不依賴電池或可以輕松/經常接入電源，LTE Cat 1bis較高的功耗或許可以接受。LTE Cat 1bis相較于LTE-M的優勢包括更小的價格差距和更快的數據傳輸速率。
網絡覆蓋范圍和可用性
一些國家和地區正在停用舊版蜂窩通信標準，這讓傳統2G和3G技術的全球可用性優勢不復存在。LPWA部署狀態不一造就了特殊的全球格局。
亞太地區和大多數東歐國家/地區僅部署了NB-IoT，而美洲、澳大利亞和少數歐洲國家/地區同時部署了NB-IoT和LTE-M，在同時部署這兩類標準的國家/地區中，仍然存在覆蓋范圍方面的問題。大多數非洲國家/地區目前使用的都是4G LTE，并未部署NB-IoT和LTE-M。唯一例外的就是南非，該國目前使用的是NB-IoT標準。
在西歐，這兩項標準目前處于并存狀態，他們先實施了NB-IoT，后續又實施了LTE-M，情況相對較為復雜。下面我們以意大利為例進行說明，不過類似的情況也適用于西歐的其他國家/地區。
與大多數歐洲MNO一樣，意大利MNO最初部署的也是NB-IoT。但近期（2022年），沃達豐意大利公司增加了對LTE-M的支持。即便先實施的NB-IoT也并未實現意大利全境覆蓋，LTE-M亦是如此，也就是說，盡管提供了LTE-M支持，但并非在意大利境內任何地點都能使用LTM-M服務，也不確定何時才能實現這樣的全境覆蓋。
諸如此類的因素會促使物聯網開發者考慮將LTE Cat 1bis用作LPWA的有效可選方案。因為2G網絡只是暫時能夠依靠，到2025年以后能否繼續使用并無保障。
使用壽命
與LTE Cat 1和LTE Cat 1bis相比，LTE-M的一個顯著優勢就是屬于5G規范。LTE-M兼容未來的5G網絡，這代表部分物聯網應用在部署到現場之后，可以安心延用多年。這些應用可能會部署到偏遠地點，也可能部署到不易檢修的位置（比如室內儀表中）。
針對這些使用場景，LTE-M是唯一未來無憂的選擇。相比之下，只要4G網絡依然存在（至少到2030年），LTE Cat 1bis就能獲得支持。
因此在未來幾年內，LTE Cat 1bis可以提供正常通信保障。物聯網開發者應考慮將這項技術用于使用壽命較短或中等的應用（對照基準是4G網絡停止使用的期限），借此來避免一次性增加太多的成本。
但應該密切留意LTE-M的下一代設計，等待其全面部署后擇機遷移。如果移動應用需要覆蓋部署不同LPWA技術的國家/地區（比如西歐與東歐），那么LTE Cat 1bis就是唯一的選擇。
設備尺寸
開發者發現，即便在當前電子元器件小型化的趨勢下，仍有一些使用場景難以實現。此類較為棘手的情況對LTE Cat 1的影響要超過LTE-M，因為前者支持Rx天線分集，需要雙天線設計。
例如，LTE Cat 1非常適合可穿戴設備市場。LTE Cat 1相對平衡，有著“夠用”的帶寬、合適的覆蓋范圍和功耗，能夠滿足這些設備的需求。
小巧是可穿戴設備的設計宗旨，設計師必須合理權衡性能與尺寸。因此他們往往不會實施Rx分集線路，而是直接移除第二根天線。
相較于LTE Cat 1，LTE Cat 1bis有著簡化的天線設計、更少的部件和更高的經濟效益，也可以取代前者。該技術非常適合有尺寸限制的應用，成本結構更合理，而且性能與前者相差不大。
04.結論
在大多數國家/地區，2G和3G的停用已經啟動（或已完成），專家表示，LTE-M有望成為最適合物聯網的蜂窩通信LPWA技術。
考慮到NB-IoT的種種限制，專家對于亞太地區和歐盟的LTE Cat 1bis需求增長并不意外。矛盾的點在于，這些地區最初部署的是NB-IoT。
他們后來發現，只要情況允許，大多數移動物聯網應用都會使用傳統2G/3G網絡，從而確保穩定的通信、移動性與漫游能力。中國是唯一的例外，因為中國法規推動了遷移。
u-blox提供廣泛的產品組合，包括LTE-M、LTE Cat 4、LTE Cat 1和LTE Cat 1bis模塊。u-blox依托首個獲得認證的LTE-M模塊系列SARA-R4樹立了穩固的市場領先地位，還開發了LTE-M芯片組UBX-R5。此芯片組是u-blox SARA-R5安全系列產品的基礎，擁有內嵌的安全單元。
u-blox為LTE Cat 1提供了支持完整Rx分集的LARA-R6模塊，為LTE Cat 1bis提供了LENA-R8系列。LENA-R8還有組合型號：LTE Cat 1bis+GNSS技術平臺。GNSS的核心是全新u-blox M10 GNSS技術平臺。LENA-R8組合型號(LENA-R8M10)配備雙電源，支持客戶靈活管理電源，進而優化整體性能。
u-blox認為，在蜂窩通信LPWA生態系統中，LTE Cat 1bis并不是LTE-M的競爭技術，而是后者的補充。對于已部署LTE-M網絡的地區而言，這項技術能滿足大多數物聯網使用場景的需求。但如果需要更高的帶寬/速度，LTE Cat 1bis或LTE Cat 1/Cat 4是更為理想的解決方案。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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