LTE Cat 1bis：低功耗广域(LPWA)应用的可选方案

本文作者 | Valerio Carta，蜂窝通信高级产品营销经理

01.物联网(IoT)生态系统现状

当今的物联网生态系统正处在变革关头。大多数移动网络运营商(MNO)已宣布计划停用传统2G和3G蜂窝通信技术，将相应频率的服务迁移到4G或5G网络，甚至已将这些举措付诸实施。

物联网开发者也必须顺势而为，采用新的蜂窝通信标准。5G网络的部署工作已经铺开，但其实际应用仍然不乏挑战。

目前的5G网络存在覆盖范围问题，无法满足物联网的大多数要求，比如功耗、成本和设计复杂性要求，这些都是5G RC和MMTC未来亟待解决的问题。在这样的环境下，就目前及至少未来五年而言，4G LTE技术将独担全球蜂窝通信覆盖的重任。

2016年，3GPP Rel 13标准规范了适用于物联网的4G蜂窝通信新标准，目标是与包括SigFox或LoRaWAN在内的非蜂窝通信低功耗广域(LPWA)技术竞争。

为此，3GPP颁布了多项新蜂窝通信标准，包括NB-IoT（即LTE Cat-NB）、LTE-M（即LTE Cat-M）和LTE Cat 1bis（LTE Cat 1标准在3GPP Rel 8中规定）。

3GPP Rel 13出台之后，移动互联网公司和芯片制造商将精力集中在NB-IoT和LTE-M上，暂未考虑LTE Cat 1bis，这是因为在衡量不同规范的优缺点时，LTE Cat 1bis的表现不如另外两者。

围绕新提出的蜂窝通信LPWA技术，业界展开了激烈的辩论，一方推崇NB-IoT，另一方则推崇LTE-M。过去，各国对所部署的技术、支持的频段和漫游协议意见一致。

也就是说，这是一个全球趋同的技术领域，仅有少数例外情况，比如IMT-2000早期在日本推出，再比如CDMA/EV-DO最初在北美部署，后续融合到UMTS/HSPA。

但近来，世界开始从趋同走向分化。亚太地区与大部分EMEA地区选择实施NB-IoT，美洲和澳大利亚则选择了LTE-M。

这形成了两极分化的格局。中国大力推行NB-IoT。另一方面，北美迅速部署了LTE-M。近年来有些MNO添加了NB-IoT支持，但LTE-M仍是北美市场的主流蜂窝通信技术。欧洲、中东和非洲地区的情况则比较特殊。他们最初选择部署的是NB-IoT，但西欧国家的大多数MNO后续又增加了LTE-M支持。

LTE-M的特性符合物联网的大多数需要，NB-IoT则并非如此。相较于LTE-M，NB-IoT的最大耦合损耗(MCL)更低，但其数据传输速率存在局限。此外，NB-IoT基础设施的设计对于移动性的支持不尽人意（不支持基站之间的切换），也不支持高质量语音业务。

就目前而言，我们发现有些地区（如北美地区）出色的LTE-M覆盖范围为物联网应用提供了有益的支持，但另外一些地区的相应覆盖则存在缺失。在LTE-M覆盖不足时，NB-IoT由于上述局限性无法满足多数使用场景的要求。

在欧洲，许多物联网应用依然连接到传统2G网络（如果仍有2G网络）。由于LTE-M覆盖范围不够可靠乃至完全缺失，客户急需支持2G回退的LPWA模块。而NB-IoT的能力无法满足此使用场景的要求。

直到最近，在具备全球覆盖能力的4G蜂窝通信技术中，成本最低的依然是LTE Cat 1。但LTE Cat 1也有着自己的不足，其芯片组的成本远高于NB-IoT或LTE-M芯片组。此外，相较于LTE-M和NB-IoT，LTE Cat 1的设计更加复杂，需要额外的元器件，这大幅推高了总成本。

这样的现状促使物联网开发者和MNO寻求高成本效益的替代方案，从而保证物联网生态系统的LPWA全球通信、移动性和漫游能力——为此，他们将目光再度投向了LTE Cat 1bis。

02.LTE Cat 1bis是什么？

简而言之，LTE Cat 1bis是采用单一接收(Rx)天线的LTE Cat 1。除了这一区别之外，其他所有设备特性都没有区别，包括上行(UL)/下行(DL)数据传输速率和协议。标准LTE Cat 1 (3GPP Rel 8)支持Rx天线分集，需要两个Rx导通孔。

Rx天线分集能改进射频接收能力，在小区边缘位置尤其明显。但为了支持Rx天线分集，LTE Cat 1芯片组需要两路射频输入，以及复杂的射频前端和专用软件。从某种意义上而言，这就是LTE Cat 1芯片组的成本高于LTE-M和NB-IoT芯片组的原因。

因此，LTE Cat 1应用需要精细度更高、尺寸更大的PCB，以及额外的元器件和两个天线。所有这些特点都推高了成本：LTE Cat 1解决方案的成本可达到对应LTE-M解决方案的两倍。

另一方面，如果从LTE Cat 1bis标准中剔除Rx天线分集功能，就能简化芯片组设计，优化其成本。开发者可以借鉴这种思路，设计出比标准LTE Cat 1应用更简单、更省空间、更经济的物联网应用。

03.为什么要考虑将LTE Cat 1bis作为LPWA的另一种可选方案？

相较于LTE Cat 1bis，LTE-M具有几项比较明显的优势，使之成为大多数物联网应用场景中的首选方案。其中包括：

功耗：LTE-M支持PSM和eDRX等低功耗模式，因此能延长电池续航时间。

链路功率损益：LTE-M的最大耦合损耗(MCL)为-154dBm，而LTE Cat 1为-149dBm。由于未使用Rx分集天线，相较于LTE Cat 1，LTE Cat 1bis的损耗会高3-4dB。

这造成LTE Cat 1bis的MCL略逊于LTE-M，相差大约8-9 dBm。LTE-M的MCL更高，能在信号较差的环境下更好地保持通信不中断，比如严苛的城市环境、车库或小区边缘。此外，如果主要应用场景是网络通信不够稳定的现场环境，LTE-M要更加稳健。

解决方案总成本：LTE-M应用的成本相当于同等LTE Cat 1应用的一半；LTE Cat 1bis缩小了这一差距，而在某些情况下，其差距几乎可以忽略。

5G兼容性：LTE-M和NB-IoT标准已属于5G范畴。未来的5G网络将提供相应支持，因此这两项标准更顺应未来发展。LTE Cat 1和LTE Cat 1bis未来将随着4G网络一同淡出历史舞台。

从延迟和数据传输速率等特性的角度考量，LTE Cat 1bis优于LTE-M，但大多数使用场景并不需要这寥寥数Mbps的优势。

总而言之，LTE-M能满足以往采用2G和3G技术的大多数物联网使用场景的要求，包括中等带宽、低功耗和低成本等。LTE-M还能优化MCL，确保深入覆盖建筑物内部。

为什么要在此时此刻考虑将LTE Cat 1bis作为LPWA的另一种可选方案？哪些因素会促使物联网开发者考虑将LTE Cat 1bis用作LPWA应用的可选方案？要回答这些问题。

我们必须考虑具体的使用场景、价格差距和LPWA全球部署现状。在选择合适的通信技术时，需要考虑四个重要因素。这里提供了一份简要汇总列表，但并非详尽无遗：

传输数据量及对电池续航时间的影响

网络覆盖范围和可用性

使用寿命

设备尺寸

传输数据量及对电池续航时间的影响

LTE-M提供375kb/1Mb的下行/上行传输速率、简化的调制方案和更好的MCL，非常适合需要中低数据传输速率的物联网应用。其创新的节能模式eDRX和PSM可提供LTE Cat 1/1bis无法比拟的续航时间优势。

但我们必须考虑到，还有其他许多物联网应用（如视频监控、带视频的警报系统或电子医疗）会产生庞大的数据量。LTE Cat 1bis的带宽优势比较适合此类使用场景。

更大的带宽能够加快设备传输数据的速度。这等同于更短的信号发射时间，以及更少的电池耗电量。根据所传输数据量的不同，更快的传输速度能够缩短信号发射时间，进而优化电源效率。不过这有一个前提，就是在给定数据量下，可用带宽成为瓶颈所在。

如果应用不依赖电池或可以轻松/经常接入电源，LTE Cat 1bis较高的功耗或许可以接受。LTE Cat 1bis相较于LTE-M的优势包括更小的价格差距和更快的数据传输速率。

网络覆盖范围和可用性

一些国家和地区正在停用旧版蜂窝通信标准，这让传统2G和3G技术的全球可用性优势不复存在。LPWA部署状态不一造就了特殊的全球格局。

亚太地区和大多数东欧国家/地区仅部署了NB-IoT，而美洲、澳大利亚和少数欧洲国家/地区同时部署了NB-IoT和LTE-M，在同时部署这两类标准的国家/地区中，仍然存在覆盖范围方面的问题。大多数非洲国家/地区目前使用的都是4G LTE，并未部署NB-IoT和LTE-M。唯一例外的就是南非，该国目前使用的是NB-IoT标准。

在西欧，这两项标准目前处于并存状态，他们先实施了NB-IoT，后续又实施了LTE-M，情况相对较为复杂。下面我们以意大利为例进行说明，不过类似的情况也适用于西欧的其他国家/地区。

与大多数欧洲MNO一样，意大利MNO最初部署的也是NB-IoT。但近期（2022年），沃达丰意大利公司增加了对LTE-M的支持。即便先实施的NB-IoT也并未实现意大利全境覆盖，LTE-M亦是如此，也就是说，尽管提供了LTE-M支持，但并非在意大利境内任何地点都能使用LTM-M服务，也不确定何时才能实现这样的全境覆盖。

诸如此类的因素会促使物联网开发者考虑将LTE Cat 1bis用作LPWA的有效可选方案。因为2G网络只是暂时能够依靠，到2025年以后能否继续使用并无保障。

使用寿命

与LTE Cat 1和LTE Cat 1bis相比，LTE-M的一个显著优势就是属于5G规范。LTE-M兼容未来的5G网络，这代表部分物联网应用在部署到现场之后，可以安心延用多年。这些应用可能会部署到偏远地点，也可能部署到不易检修的位置（比如室内仪表中）。

针对这些使用场景，LTE-M是唯一未来无忧的选择。相比之下，只要4G网络依然存在（至少到2030年），LTE Cat 1bis就能获得支持。

因此在未来几年内，LTE Cat 1bis可以提供正常通信保障。物联网开发者应考虑将这项技术用于使用寿命较短或中等的应用（对照基准是4G网络停止使用的期限），借此来避免一次性增加太多的成本。

但应该密切留意LTE-M的下一代设计，等待其全面部署后择机迁移。如果移动应用需要覆盖部署不同LPWA技术的国家/地区（比如西欧与东欧），那么LTE Cat 1bis就是唯一的选择。

设备尺寸

开发者发现，即便在当前电子元器件小型化的趋势下，仍有一些使用场景难以实现。此类较为棘手的情况对LTE Cat 1的影响要超过LTE-M，因为前者支持Rx天线分集，需要双天线设计。

例如，LTE Cat 1非常适合可穿戴设备市场。LTE Cat 1相对平衡，有着“够用”的带宽、合适的覆盖范围和功耗，能够满足这些设备的需求。

小巧是可穿戴设备的设计宗旨，设计师必须合理权衡性能与尺寸。因此他们往往不会实施Rx分集线路，而是直接移除第二根天线。

相较于LTE Cat 1，LTE Cat 1bis有着简化的天线设计、更少的部件和更高的经济效益，也可以取代前者。该技术非常适合有尺寸限制的应用，成本结构更合理，而且性能与前者相差不大。

04.结论

在大多数国家/地区，2G和3G的停用已经启动（或已完成），专家表示，LTE-M有望成为最适合物联网的蜂窝通信LPWA技术。

考虑到NB-IoT的种种限制，专家对于亚太地区和欧盟的LTE Cat 1bis需求增长并不意外。矛盾的点在于，这些地区最初部署的是NB-IoT。

他们后来发现，只要情况允许，大多数移动物联网应用都会使用传统2G/3G网络，从而确保稳定的通信、移动性与漫游能力。中国是唯一的例外，因为中国法规推动了迁移。

u-blox提供广泛的产品组合，包括LTE-M、LTE Cat 4、LTE Cat 1和LTE Cat 1bis模块。u-blox依托首个获得认证的LTE-M模块系列SARA-R4树立了稳固的市场领先地位，还开发了LTE-M芯片组UBX-R5。此芯片组是u-blox SARA-R5安全系列产品的基础，拥有内嵌的安全单元。

u-blox为LTE Cat 1提供了支持完整Rx分集的LARA-R6模块，为LTE Cat 1bis提供了LENA-R8系列。LENA-R8还有组合型号：LTE Cat 1bis+GNSS技术平台。GNSS的核心是全新u-blox M10 GNSS技术平台。LENA-R8组合型号(LENA-R8M10)配备双电源，支持客户灵活管理电源，进而优化整体性能。

u-blox认为，在蜂窝通信LPWA生态系统中，LTE Cat 1bis并不是LTE-M的竞争技术，而是后者的补充。对于已部署LTE-M网络的地区而言，这项技术能满足大多数物联网使用场景的需求。但如果需要更高的带宽/速度，LTE Cat 1bis或LTE Cat 1/Cat 4是更为理想的解决方案。

审核编辑：汤梓红