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本文作者 |?Valerio?Carta，蜂窩通信高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理
01.物聯(lián)網(wǎng)(IoT)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀
當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)正處在變革關(guān)頭。大多數(shù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商(MNO)已宣布計(jì)劃停用傳統(tǒng)2G和3G蜂窩通信技術(shù)，將相應(yīng)頻率的服務(wù)遷移到4G或5G網(wǎng)絡(luò)，甚至已將這些舉措付諸實(shí)施。
物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者也必須順勢(shì)而為，采用新的蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)。5G網(wǎng)絡(luò)的部署工作已經(jīng)鋪開，但其實(shí)際應(yīng)用仍然不乏挑戰(zhàn)。
目前的5G網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋范圍問題，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)的大多數(shù)要求，比如功耗、成本和設(shè)計(jì)復(fù)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(huán)境下，就目前及至少未來五年而言，4G LTE技術(shù)將獨(dú)擔(dān)全球蜂窩通信覆蓋的重任。
2016年，3GPP Rel 13標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了適用于物聯(lián)網(wǎng)的4G蜂窩通信新標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是與包括SigFox或LoRaWAN在內(nèi)的非蜂窩通信低功耗廣域(LPWA)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。
為此，3GPP頒布了多項(xiàng)新蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，包括NB-IoT（即LTE Cat-NB）、LTE-M（即LTE Cat-M）和LTE Cat 1bis（LTE Cat 1標(biāo)準(zhǔn)在3GPP Rel 8中規(guī)定）。
3GPP Rel 13出臺(tái)之后，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)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?yàn)樵诤饬坎煌?guī)范的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，LTE Cat 1bis的表現(xiàn)不如另外兩者。
圍繞新提出的蜂窩通信LPWA技術(shù)，業(yè)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(guó)對(duì)所部署的技術(shù)、支持的頻段和漫游協(xié)議意見一致。
也就是說，這是一個(gè)全球趨同的技術(shù)領(lǐng)域，僅有少數(shù)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(xù)融合到UMTS/HSPA。
但近來，世界開始從趨同走向分化。亞太地區(qū)與大部分EMEA地區(qū)選擇實(shí)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(guó)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(chǎng)的主流蜂窩通信技術(shù)。歐洲、中東和非洲地區(qū)的情況則比較特殊。他們最初選擇部署的是NB-IoT，但西歐國(guó)家的大多數(shù)MNO后續(xù)又增加了LTE-M支持。
LTE-M的特性符合物聯(lián)網(wǎng)的大多數(shù)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(shù)據(jù)傳輸速率存在局限。此外，NB-IoT基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)對(duì)于移動(dòng)性的支持不盡人意（不支持基站之間的切換），也不支持高質(zhì)量語(yǔ)音業(yè)務(wù)。
就目前而言，我們發(fā)現(xiàn)有些地區(qū)（如北美地區(qū)）出色的LTE-M覆蓋范圍為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了有益的支持，但另外一些地區(qū)的相應(yīng)覆蓋則存在缺失。在LTE-M覆蓋不足時(shí)，NB-IoT由于上述局限性無法滿足多數(shù)使用場(chǎng)景的要求。
在歐洲，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用依然連接到傳統(tǒng)2G網(wǎng)絡(luò)（如果仍有2G網(wǎng)絡(luò)）。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(chǎng)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(shù)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(yuǎn)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(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要額外的元器件，這大幅推高了總成本。
這樣的現(xiàn)狀促使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者和MNO尋求高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全球通信、移動(dòng)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(jiǎn)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(qū)別之外，其他所有設(shè)備特性都沒有區(qū)別，包括上行(UL)/下行(DL)數(shù)據(jù)傳輸速率和協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)LTE Cat 1 (3GPP Rel 8)支持Rx天線分集，需要兩個(gè)Rx導(dǎo)通孔。
Rx天線分集能改進(jìn)射頻接收能力，在小區(qū)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(fù)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(yīng)用需要精細(xì)度更高、尺寸更大的PCB，以及額外的元器件和兩個(gè)天線。所有這些特點(diǎn)都推高了成本：LTE Cat 1解決方案的成本可達(dá)到對(duì)應(yīng)LTE-M解決方案的兩倍。
另一方面，如果從LTE Cat 1bis標(biāo)準(zhǔn)中剔除Rx天線分集功能，就能簡(jiǎn)化芯片組設(shè)計(jì)，優(yōu)化其成本。開發(fā)者可以借鑒這種思路，設(shè)計(jì)出比標(biāo)準(zhǔn)LTE Cat 1應(yīng)用更簡(jiǎn)單、更省空間、更經(jīng)濟(jì)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
03.為什么要考慮將LTE Cat 1bis作為L(zhǎng)PWA的另一種可選方案？
相較于LTE Cat 1bis，LTE-M具有幾項(xiàng)比較明顯的優(yōu)勢(shì)，使之成為大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)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(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)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(huì)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(hào)較差的環(huán)境下更好地保持通信不中斷，比如嚴(yán)苛的城市環(huán)境、車庫(kù)或小區(qū)邊緣。此外，如果主要應(yīng)用場(chǎng)景是網(wǎng)絡(luò)通信不夠穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，LTE-M要更加穩(wěn)健。
解決方案總成本：LTE-M應(yīng)用的成本相當(dāng)于同等LTE Cat 1應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)已屬于5G范疇。未來的5G網(wǎng)絡(luò)將提供相應(yīng)支持，因此這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)更順應(yīng)未來發(fā)展。LTE Cat 1和LTE Cat 1bis未來將隨著4G網(wǎng)絡(luò)一同淡出歷史舞臺(tái)。
從延遲和數(shù)據(jù)傳輸速率等特性的角度考量，LTE Cat 1bis優(yōu)于LTE-M，但大多數(shù)使用場(chǎng)景并不需要這寥寥數(shù)Mbps的優(yōu)勢(shì)。
總而言之，LTE-M能滿足以往采用2G和3G技術(shù)的大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)使用場(chǎng)景的要求，包括中等帶寬、低功耗和低成本等。LTE-M還能優(yōu)化MCL，確保深入覆蓋建筑物內(nèi)部。
為什么要在此時(shí)此刻考慮將LTE Cat 1bis作為L(zhǎng)PWA的另一種可選方案？哪些因素會(huì)促使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者考慮將LTE Cat 1bis用作LPWA應(yīng)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(chǎng)景、價(jià)格差距和LPWA全球部署現(xiàn)狀。在選擇合適的通信技術(shù)時(shí)，需要考慮四個(gè)重要因素。這里提供了一份簡(jiǎn)要匯總列表，但并非詳盡無遺：
傳輸數(shù)據(jù)量及對(duì)電池續(xù)航時(shí)間的影響
網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和可用性
使用壽命
設(shè)備尺寸
傳輸數(shù)據(jù)量及對(duì)電池續(xù)航時(shí)間的影響
LTE-M提供375kb/1Mb的下行/上行傳輸速率、簡(jiǎn)化的調(diào)制方案和更好的MCL，非常適合需要中低數(shù)據(jù)傳輸速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。其創(chuàng)新的節(jié)能模式eDRX和PSM可提供LTE Cat 1/1bis無法比擬的續(xù)航時(shí)間優(yōu)勢(shì)。
但我們必須考慮到，還有其他許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如視頻監(jiān)控、帶視頻的警報(bào)系統(tǒng)或電子醫(yī)療）會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量。LTE Cat 1bis的帶寬優(yōu)勢(shì)比較適合此類使用場(chǎng)景。
更大的帶寬能夠加快設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的速度。這等同于更短的信號(hào)發(fā)射時(shí)間，以及更少的電池耗電量。根據(jù)所傳輸數(shù)據(jù)量的不同，更快的傳輸速度能夠縮短信號(hào)發(fā)射時(shí)間，進(jìn)而優(yōu)化電源效率。不過這有一個(gè)前提，就是在給定數(shù)據(jù)量下，可用帶寬成為瓶頸所在。
如果應(yīng)用不依賴電池或可以輕松/經(jīng)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(yōu)勢(shì)包括更小的價(jià)格差距和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。
網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和可用性
一些國(guó)家和地區(qū)正在停用舊版蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，這讓傳統(tǒng)2G和3G技術(shù)的全球可用性優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在。LPWA部署狀態(tài)不一造就了特殊的全球格局。
亞太地區(qū)和大多數(shù)東歐國(guó)家/地區(qū)僅部署了NB-IoT，而美洲、澳大利亞和少數(shù)歐洲國(guó)家/地區(qū)同時(shí)部署了NB-IoT和LTE-M，在同時(shí)部署這兩類標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家/地區(qū)中，仍然存在覆蓋范圍方面的問題。大多數(shù)非洲國(guó)家/地區(qū)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(guó)目前使用的是NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)。
在西歐，這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目前處于并存狀態(tài)，他們先實(shí)施了NB-IoT，后續(xù)又實(shí)施了LTE-M，情況相對(duì)較為復(fù)雜。下面我們以意大利為例進(jìn)行說明，不過類似的情況也適用于西歐的其他國(guó)家/地區(qū)。
與大多數(shù)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(dá)豐意大利公司增加了對(duì)LTE-M的支持。即便先實(shí)施的NB-IoT也并未實(shí)現(xiàn)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(nèi)任何地點(diǎn)都能使用LTM-M服務(wù)，也不確定何時(shí)才能實(shí)現(xiàn)這樣的全境覆蓋。
諸如此類的因素會(huì)促使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者考慮將LTE Cat 1bis用作LPWA的有效可選方案。因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)只是暫時(shí)能夠依靠，到2025年以后能否繼續(xù)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(gè)顯著優(yōu)勢(shì)就是屬于5G規(guī)范。LTE-M兼容未來的5G網(wǎng)絡(luò)，這代表部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在部署到現(xiàn)場(chǎng)之后，可以安心延用多年。這些應(yīng)用可能會(huì)部署到偏遠(yuǎn)地點(diǎn)，也可能部署到不易檢修的位置（比如室內(nèi)儀表中）。
針對(duì)這些使用場(chǎng)景，LTE-M是唯一未來無憂的選擇。相比之下，只要4G網(wǎng)絡(luò)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(nèi)，LTE Cat 1bis可以提供正常通信保障。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者應(yīng)考慮將這項(xiàng)技術(shù)用于使用壽命較短或中等的應(yīng)用（對(duì)照基準(zhǔn)是4G網(wǎng)絡(luò)停止使用的期限），借此來避免一次性增加太多的成本。
但應(yīng)該密切留意LTE-M的下一代設(shè)計(jì)，等待其全面部署后擇機(jī)遷移。如果移動(dòng)應(yīng)用需要覆蓋部署不同LPWA技術(shù)的國(guó)家/地區(qū)（比如西歐與東歐），那么LTE Cat 1bis就是唯一的選擇。
設(shè)備尺寸
開發(fā)者發(fā)現(xiàn)，即便在當(dāng)前電子元器件小型化的趨勢(shì)下，仍有一些使用場(chǎng)景難以實(shí)現(xiàn)。此類較為棘手的情況對(duì)LTE Cat 1的影響要超過LTE-M，因?yàn)榍罢咧С諶x天線分集，需要雙天線設(shè)計(jì)。
例如，LTE Cat 1非常適合可穿戴設(shè)備市場(chǎng)。LTE Cat 1相對(duì)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(shè)備的需求。
小巧是可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)宗旨，設(shè)計(jì)師必須合理權(quán)衡性能與尺寸。因此他們往往不會(huì)實(shí)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(jiǎn)化的天線設(shè)計(jì)、更少的部件和更高的經(jīng)濟(jì)效益，也可以取代前者。該技術(shù)非常適合有尺寸限制的應(yīng)用，成本結(jié)構(gòu)更合理，而且性能與前者相差不大。
04.結(jié)論
在大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)，2G和3G的停用已經(jīng)啟動(dòng)（或已完成），專家表示，LTE-M有望成為最適合物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩通信LPWA技術(shù)。
考慮到NB-IoT的種種限制，專家對(duì)于亞太地區(qū)和歐盟的LTE Cat 1bis需求增長(zhǎng)并不意外。矛盾的點(diǎn)在于，這些地區(qū)最初部署的是NB-IoT。
他們后來發(fā)現(xiàn)，只要情況允許，大多數(shù)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都會(huì)使用傳統(tǒng)2G/3G網(wǎng)絡(luò)，從而確保穩(wěn)定的通信、移動(dòng)性與漫游能力。中國(guó)是唯一的例外，因?yàn)橹袊?guó)法規(guī)推動(dòng)了遷移。
u-blox提供廣泛的產(chǎn)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(gè)獲得認(rèn)證的LTE-M模塊系列SARA-R4樹立了穩(wěn)固的市場(chǎng)領(lǐng)先地位，還開發(fā)了LTE-M芯片組UBX-R5。此芯片組是u-blox SARA-R5安全系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)，擁有內(nèi)嵌的安全單元。
u-blox為L(zhǎng)TE Cat 1提供了支持完整Rx分集的LARA-R6模塊，為L(zhǎng)TE Cat 1bis提供了LENA-R8系列。LENA-R8還有組合型號(hào)：LTE Cat 1bis+GNSS技術(shù)平臺(tái)。GNSS的核心是全新u-blox M10 GNSS技術(shù)平臺(tái)。LENA-R8組合型號(hào)(LENA-R8M10)配備雙電源，支持客戶靈活管理電源，進(jìn)而優(yōu)化整體性能。
u-blox認(rèn)為，在蜂窩通信LPWA生態(tài)系統(tǒng)中，LTE Cat 1bis并不是LTE-M的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，而是后者的補(bǔ)充。對(duì)于已部署LTE-M網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)而言，這項(xiàng)技術(shù)能滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)使用場(chǎng)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(wǎng)監(jiān)
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