蜂窝物联网：LTE CAT 1bis有哪些优势？

April 15, 2024

Aimee Smith

蜂窝物联网的全球趋势：LTE CAT 1bis的重要性日益凸显

作者：JJ DeLisle，贸泽电子专稿

发布于2024-04-15

无线网络技术正不断适应消费者和专业应用日益增长的需求。从智能家居到工业，再到军事/航空航天应用，许多应用都专注于实现或支持物联网 (IoT) 设备和功能，包括部署并采用智能家居互操作性标准（如Matter）和新一代汽车标准（如超宽带 (UWB)），以及进一步开发适用于物联网的LTE变体和非蜂窝低功耗广域网 (LPWA/LPWAN) 技术。无线网络标准（如Wi-Fi^®、蓝牙、Thread）以及Sigfox和LoRaWAN等专有标准对本地应用和支持专有无线基础设施的领域而言非常合适，但蜂窝LPWA/LPWAN标准的落地就比较复杂。

本文将深入探讨蜂窝LPWA/LPWAN技术的多个方面、物联网网络连接技术的全球趋势，以及影响蜂窝物联网的其他因素。此外，本文还将讨论LTE CAT 1bis在蜂窝物联网应用中的价值，以及它为何可以在许多应用中成为窄带物联网 (NB-IoT) 和LTE-M的可行替代方案。

LPWA/LPWAN技术：不同地区各有所好

LPWA/LPWAN标准正迅速成为移动性和分散式物联网应用的支柱，并将继续在物联网的应用和发展中发挥重要作用。然而，全球因素的不断变化，使我们难以认清建立LPWA/LPWAN物联网技术的最佳方法。在过去几年中，围绕蜂窝LPWA/LPWAN标准，尤其是NB-IoT和LTE-M标准的孰是孰非，出现了激烈的争论和不和谐的声音。现实中，亚太地区 (APAC) 和欧洲、中东及非洲地区 (EMEA) 大多选择了NB-IoT实施方案，而美洲和大洋洲则选择了LTE-M。这两种相互竞争的技术在各自区域都得到了快速部署，并且在早期只有少数地区对两者都提供支持（图1）。3GPP Rel 13发布后的几年中，这种分歧导致这些LPWA/LPWAN的支持和服务覆盖范围出现了一些变化。

图1：全球LTE-M和NB-IoT实施情况图。（图源：GSMA IoT^[1]）

更为复杂的是，大多数国家和地区正在逐步清退2G和3G网络，因而物联网开发人员需要迅速转向4G LTE和5G技术，以取代传统系统并抓住新的市场机遇。此外，NB-IoT和LTE-M具有明显不同的特性。LTE-M的数据传输速率略高于NB-IoT，并支持移动切换和语音，而NB-IoT则在最大耦合损耗方面有更好的表现。LTE-M适用于大多数物联网用例，而NB-IoT则有一些限制。因而在亚太地区和欧洲、中东和非洲地区，蜂窝LPWA/LPWAN对各种物联网用例的支持也会存在限制。特别是在欧洲，许多物联网开发商都依赖2G回退功能来为其名义上基于LTE-M的设备提供支持。

解决这一问题的传统方案是LTE CAT 1，它是全球可覆盖的低成本4G蜂窝方案之一。不过，LTE CAT 1芯片组要比NB-IoT或LTE-M芯片组昂贵不少。此外，LTE CAT 1设备需要配备接收 (Rx) 分集、两根天线和相关的射频硬件，因而复杂度更高，需要的元器件数量也更多，这正是LTE CAT 1在总成本上超过NB-IoT和LTE-M的主要原因。自2008年3GPP Release 8发布以来，LTE CAT 1已成为许多需要更高带宽和吞吐量的物联网应用的可行选择，而且这项技术还可以实现更高的功率。

LTE CAT 1bis与NB-IoT/LTE-M对比

NB-IoT的下行峰值速率限制在200kbps，上行峰值速率限制在250kbps，因此NB-IoT是为固定部署而设计的。但在实际应用中，其上下行速率分别只能达到26kbps和66kbps左右。LTE-M可以处理最大1Mbps的上下行移动链路（表1）。LTE CAT 1的设计峰值下行速率为10Mbps，峰值上行速率为5Mbps，因此LTE CAT 1更适合高吞吐量物联网应用，如安防、监控、自动化控制、复杂传感应用以及高保真和高数据速率传感。而且，LTE CAT 1可以在任何有4G LTE网络的地方使用，基本上可以覆盖全球。不过，它可能仍然无法覆盖到只有2G/3G网络的偏远地区（不过这种情况很快就会消失）。

表1：LTE CAT 1/LTE CAT 1bis、LTE-M和NB-IoT的比较

LTE CAT 1最初是为当时的新兴物联网应用而设计的，而LTE-M和NB-IoT则旨在解决LTE CAT 1在复杂度、功耗和成本方面的不足（但这个问题直到多年后才显现出来）。也就是说，与LTE CAT 1相比，LTE-M和NB-IoT模块更省电，可显著延长电池续航时间，而且与LTE CAT 1模块相比，这些蜂窝物联网模块的复杂度更低，因而往往更加紧凑。更小的电池、更少的散热需求，以及更小的芯片组或模块，意味着LTE-M和NB-IoT设备可以更加紧凑。这种紧凑性和更高的能效，意味着LTE-M和NB-IoT设备更适用于对数据传输速率要求不高，但需要部署较多数量的分布式机器对机器网络。这种设备密度和能效水平在2000年代末的应用中并不像2010年代中期那么普遍。

然而，LTE-M和NB-IoT在许多地区的部署存在很大差异，而且部署得比较分散，这意味着除了要考虑其他蜂窝物联网设备技术问题外，还要考虑覆盖范围的差距。LTE-M和NB-IoT还要求网络运营商为这些标准开发并部署软件支持，而LTE CAT 1很早就实现了支持。

好在，LTE-M和NB-IoT之间，有一项可以作为桥梁的技术：LTE CAT 1bis，在复杂性、功耗和尺寸方面有着比较好的表现。从大致上看，LTE CAT 1和LTE CAT 1bis是完全相同的标准；它们具有相同的峰值数据速率、带宽、双工模式、传输功率、语音支持和省电功能（如扩展不连续接收/省电模式 (eDRX/PSM)）。随着3GPP Release 13 (Rel-13) 的发布，LTE CAT 1bis被详细规定为只需要单个接收天线和射频路径，这是LTE CAT 1和LTE CAT 1bis之间的主要区别。这意味着，与LTE CAT 1不同，LTE CAT 1bis对射频硬件的要求与LTE-M和NB-IoT大致相同。此外，只需要单根天线和射频路径，意味着LTE CAT 1bis模块的尺寸可以做到与LTE-M和NB-IoT模块类似。

此外，LTE CAT 1bis芯片组和模块的成本低于LTE CAT 1芯片组和模块，更接近LTE-M和NB-IoT模块。这是因为在LTE CAT 1bis中，Rx信号链的半双工架构通常不需要在射频前端进行额外的滤波，这有助于提高LTE CAT 1bis芯片组/模块的成本竞争力，并使LTE-M和NB-IoT覆盖不足的地区也能使用LTE CAT 1bis芯片组/模块。

只有单个天线和射频路径，意味着LTE CAT 1bis牺牲了接收分集，与LTE CAT 1相比损失了3dB或更多的最大耦合损耗。这种损耗导致接收信号强度略低于LTE CAT 1，但仍然比NB-IoT和LTE-M好得多。这意味着LTE CAT 1bis的工作距离理论上会短于其他当代蜂窝物联网标准。

2G/3G设备面临过时淘汰的问题，而随着5G部署的推进，LTE设备也会面临同样的问题。不过，LTE CAT 1bis设备不用担心这一点，因为3GPP Release 15定义了一个选项，允许升级的LTE设备 (eLTE) 连接到带有升级的eLTE NB (eNB) 的5GC网络。这有助于确保即使在4G核心网络逐步淘汰的情况下，LTE CAT 1bis设备仍能继续提供服务。此举还可降低使用LTE CAT 1bis的蜂窝物联网开发人员和物联网网络部署人员的风险。

通常，LTE CAT 1bis具有以下优势：

峰值下载速率约为10Mbps，上传速率为5Mbps——与LTE CAT 1相同，高于LTE-M/NB-IoT
功耗低于LTE CAT 1（但高于LTE-M/NB-IoT）
复杂度低于LTE CAT 1（但高于LTE-M/NB-IoT）
适用于移动应用
与eLTE一样被“嵌入”到5G标准中，基本不用担心被淘汰
填补了许多应用的需求，这些应用需要结构紧凑、成本低廉、数据传输速率高于LTE-M/NB-IoT的模块
无需对4G LTE系统进行大量软件升级即可运行，因而能够在不支持LTE-M/NB-IoT的地区工作

LTE CAT 1bis实际应用

与LTE-M和NB-IoT相比，LTE CAT 1bis具有更高的数据传输速率，这意味着它是各种现代应用和用例的理想选择。LTE CAT 1bis可能是重要的智能商业楼宇和工业设施蜂窝物联网的唯一选择。这包括具有大量自动化和连续或近乎连续监控自动化系统的楼宇，如自动化生产/加工、发货/收货/物流系统，甚至自主移动机器人 (AMR) 系统。

具有数据密集型智能功能的智能城市应用，如交互式信息亭、自动取款机、数字标牌、电动自行车/电动摩托车（城市交通）系统和车对基础设施 (V2I) 系统，是LTE CAT 1bis技术的另一个明确机遇。包括运输和远程信息处理功能在内的车队管理系统是物联网发展最快的领域之一，LTE CAT 1bis技术也能为其提供服务。