作者：Valerio Carta，u-blox蜂窝通信产品高级营销经理
物联网生态系统正在经历一个革命性的阶段。大多数移动网络运营商 (MNO) 都已宣布甚至实施了关闭传统2G和3G手机的计划, 将相关频率迁移到4G或5G网络。因此，物联网开发人员也必须采用新的蜂窝网络标准。
虽然5G已经开始部署，但其使用还面临着一些挑战。除了全球覆盖范围的限制外，目前的5G解决方案还不能满足大多数物联网的要求,例如功耗高、成本高、尺寸大、设计复杂是其中的一些缺点。预计5G RedCap和MMTC将在未来解决这些问题。就目前而言，4G LTE是唯一能提供全球覆盖的蜂窝技术，并且至少能在未来五年内仍是这样。
两极格局
2016年，3GPP Rel 13为物联网规定了新的4G蜂窝标准。其目的是与非蜂窝低功耗广域（LPWA）技术（如SigFox或LoRaWAN）竞争。3GPP推出的新蜂窝标准包括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标准）。
继3GPP Rel 13之后，移动网络运营商和芯片制造商将重点放在了NB-IoT和LTE-M，而将LTE Cat 1bis搁置一边。做出这一决定的原因是，Cat 1bis在规格上不如其他两种技术。
围绕新提出的物联网蜂窝 LPWA技术展开了激烈的争论。一方主张使用NB-IoT，而另一方则主张使用LTE-M，因为在过去，各国可以独立商定部署的技术、支持的频段和漫游协议。
但是，除了IMT-2000在日本的早期推广或CDMA/EV-DO在北美的初期部署（之后向UMTS/HSPA融合）等少数例外情况外，全球一直处于融合状态。
而最近，这种融合被排除在外。亚太地区和欧洲、中东和非洲大部分地区选择了NB-IoT 实施方案，而美洲、日本、韩国和澳大利亚则选择了LTE-M。
这种分歧造成了一个两极世界。中国大力推动NB-IoT；事实上，中国是唯一大规模部署NB-IoT的国家。而北美则迅速部署了LTE-M。如今，LTE-M主导着这一市场的大部分，尽管一些MNO在过去几年中增加了对NB-IoT的支持。欧洲、中东和非洲地区的情况比较特殊。最初，它选择了NB-IoT。但后来，西欧国家的大多数移动网络运营商也增加了对LTE-M的支持。
虽然LTE-M的特性符合大多数物联网要求，但NB-IoT却并非如此。即使NB-IoT的 MCL（最大耦合损耗）优于LTE-M，其数据传输速率也是有限的。此外，NB-IoT基础设施的设计不支持移动性（切换）和语音。
在当前情况下，我们发现在一些地区，物联网应用受益于出色的LTE-M覆盖（如北美），而在其他地区，则部分或完全没有LTE-M覆盖。在后一种情况下，由于上述限制，NB-IoT无法满足大多数用例。
在欧洲，许多物联网应用仍然连接到传统2G（如果有的话）。由于LTE-M的覆盖不可靠，在最糟糕的情况下甚至没有覆盖，因此客户要求使用带有2G回退功能的LPWA模块。NB-IoT功能无法满足用例需求。
直到最近，LTE Cat 1仍是成本最低、覆盖全球的4G蜂窝技术。LTE Cat 1的缺点是其芯片组成本远高于NB-IoT或LTE-M。此外，与LTE-M和NB-IoT相比，LTE Cat 1的设计更加复杂，需要额外的组件，这对总体成本产生了重大影响。
这种情况促使物联网开发商和移动网络运营商寻找具有成本效益的替代方案，从而保证物联网生态系统的LPWA全球连接性、移动性和漫游性，这也重新激发了人们对LTE Cat 1bis的兴趣。
Cat 1bis究竟是什么？
简而言之，LTE Cat 1bis就是带有单接收（Rx）天线的LTE Cat 1。所有其他设备特性（如上行链路 (UL) / 下行链路 (DL) 数据速率和协议）保持不变。相反，标准LTE Cat 1（3GPP Rel 8）支持Rx分集，需要两个Rx路径。
射频分集可提高射频接收能力，尤其是在小区边缘。但要支持射频分集，LTE Cat 1芯片组需要两个射频输入，并配备复杂的射频前端和特定软件。在某种程度上，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，也是LTE Cat 1应用需要更复杂、更大规模的PCB、额外的组件和两根天线的原因。所有这些特性都导致了更高的成本：LTE Cat 1解决方案的成本可能是LTE-M解决方案的两倍。
从LTE Cat 1bis标准中移除接收分集功能可使芯片组设计更简单、成本更优化。开发人员正利用这一优势，设计出比LTE Cat 1标准更简单、更小巧、更便宜的物联网应用。
LTE-M和LTE Cat 1bis都适用于物联网应用，具体取决于地区和使用案例。原因有以下几点：
功耗：LTE-M和LTE Cat 1bis都支持PSM和eDRX等低功耗模式。这些模式可延长电池寿命，这对许多物联网应用来说是一项重要功能。
解决方案总成本：LTE-M和LTE Cat 1bis的成本仅为基于LTE Cat 1的同等解决方案的一半，可节省大量成本。
5G 兼容性：LTE Cat 1bis是一种连接到4G演进分组核心网（EPC）的4G网络技术。理论上，LTE-M和NB-IoT标准可以连接到5G核心网。然而，移动网络运营商尚未实现这一功能，也没有一家宣布有此计划。
数据速率/延迟：LTE Cat 1bis 在延迟和数据速率方面优于LTE-M，与LTE Cat 1的性能相当，下行链路速率高达10 Mb/s，上行链路速率高达5 MB/s。这通常超过了物联网应用的要求。LTE-M下行链路限制为375 kb/s，上行链路限制为1 Mb/s。
总之，LTE Cat 1bis和LTE-M都能满足以前由2G和3G技术提供服务的大多数物联网用例的要求：中等带宽、低功耗和低成本等。
为什么现在要考虑将LTE Cat 1bis作为LPWA的替代技术？哪些驱动因素会促使物联网开发人员考虑将LTE Cat 1bis作为LPWA选项？要回答这些问题，我们必须考虑具体的使用案例、价格差距以及LPWA全球部署的现状。在选择合适的通信技术时，有五个方面需要考虑。以下是一份简短的清单：
传输数据量和对电池的影响
网络覆盖和可用性
服务时限
链路预算
设备尺寸
传输数据量和对电池的影响
我们必须考虑到，视频监控、带视频的报警系统或电子医疗等物联网应用会产生相当大的数据量。这些用例可以利用LTE Cat 1bis运营商的20 MHz带宽，而LTE-M的带宽仅为1.4 MHz。
有了更大的带宽，设备就能更快地传输数据。这就减少了空中传输时间，从而降低了电池使用量。根据数据量的大小，更快的传输速度意味着更短的空中传输时间，从而实现更高的能效。
网络覆盖和可用性
传统2G和3G技术所提供的全球便携性即将终结，而LTE-M和NB-IoT等LPWA技术的部署还缺乏协调，这就造成了一种特殊的全球局面。亚太地区和大多数东欧国家只覆盖了 NB-IoT，而美洲、澳大利亚和少数欧洲国家则同时覆盖了NB-IoT和LTE-M。而在大多数非洲国家，NB-IoT和LTE-M均未部署，但4G LTE已出现在这些国家。南非是个例外，该国目前正在积极部署NB-IoT。
还应考虑漫游协议。漫游协议很少，即使两地都有足够的网络覆盖，也不能保证在国家间旅行的物联网设备能够接入网络。
以意大利为例，尽管这也适用于其他西欧国家。与大多数欧洲移动网络运营商一样，意大利的移动网络运营商最初也部署了NB-IoT。但最近，沃达丰意大利分公司增加了对LTE-M的支持（2022年）。这并不一定意味着LTE-M在所有地方都能使用，尤其是考虑到NB-IoT的覆盖范围并不全面。因此，即使LTE-M可以使用，意大利境内也无法实现全面覆盖，而且无法确定何时才能实现。
另一个例子是美国，LTE-M已在该国大部分地区广泛部署，并实现了良好的覆盖，从而形成了庞大的LTE-M物联网设备安装基础。然而，NB-IoT的优先级较低。虽然美国的移动网络运营商已经部署了NB-IoT网络，但与LTE-M相比，装机量要小得多。
只要有4G LTE网络的地方，就可以使用LTE Cat 1bis网络，世界上大多数人口稠密的地区都是这种情况。根据现有协议，4G网络之间基本上可以漫游，因此LTE Cat 1bis特别适合远程信息处理和资产跟踪等移动应用。这样的例子可以鼓励物联网开发人员考虑将LTE Cat 1bis作为一种可行的 LPWA 选项。
服务时限
目前，很难说LTE Cat 1bis和LTE-M哪种技术的使用寿命更长。移动网络运营商尚未宣布这两种技术的任何 “日落 ”计划，而且时间可能因地区而异。
一些市场，如美国和一些亚太国家，可能会更快地过渡到5G。这可能会激励网络运营商从当前的4G频谱转向5G。需要考虑的因素可能包括网络中传统设备的数量、每种技术所消耗的带宽以及哪些频段将优先用于过渡。不过，其他市场的发展速度要慢得多，可能会使这两种技术一直延续到2030年代末。
链路预算
LTE-M的最大耦合损耗（MCL）为-154 dBm，而LTE Cat 1为-149 dBm。由于没有Rx分集天线，LTE Cat 1bis比Cat 1多了3-4 dB的损耗。这意味着LTE Cat 1bis的MCL比LTE-M低8-9 dBm。LTE-M更高的MCL可确保在恶劣的城市环境、车库或小区边缘等具有挑战性的信号条件下实现更好的连接。不过，与标准4G LTE相比，LTE-M的小区密度较低，部分抵消了LTE-M信号穿透力更强的优势。
设备尺寸
LTE Cat 1满足了可穿戴设备等需要小尺寸和中等数据传输速率的用例的许多要求，在带宽、覆盖范围和功耗方面具有优势。不过，由于需要双天线设计，小型化仍具有挑战性。
事实上，设计人员的目标是小型解决方案，这迫使他们在性能和尺寸之间寻找平衡。因此，目前许多小型LTE Cat 1设计都省略了Rx分集功能，也不包括第二根天线。
与LTE Cat 1相比，LTE Cat 1bis具有简化的天线、更短的部件清单和更低的价格，因此在许多使用案例中也可以取代LTE Cat 1。
最后的结论是什么？
LTE Cat 1bis和LTE-M都是LPWA应用的合适技术选择。因此，在做出选择之前，必须考虑技术特性和地区部署情况。u-blox可根据具体的使用案例和移动网络运营商协助进行此类选择。
u-blox提供广泛的产品组合，包括LTE-M、LTE Cat 1和LTE Cat 1bis模块。u-blox凭借首个通过认证的LTE-M模块系列SARA-R4，在LTE-M领域确立了早期的市场领导地位，该模块还提供2G回退功能。u-blox还开发了自己的LTE-M芯片组UBX-R5，并以此为基础推出了u-blox SARA-R5模块系列。这两个系列已进一步小型化，有LEXI-R4和LEXI-R5两种外形尺寸。
对于LTE Cat 1bis，u-blox提供LENA-R8和LEXI-R10系列。LENA-R8还提供组合产品：LTE Cat 1bis+GNSS型号。其中GNSS是全新的u-blox M10 GNSS平台。LENA-R8组合（LENA-R8M10）有两个电源，为客户提供了出色的电源管理灵活性，从而优化了整体性能。LEXI-R10是u-blox最小的LTE Cat 1bis模块，支持Wi-Fi扫描和用于室内定位的CellLocate。u-blox LARA-R6 LTE Cat 1模块支持全Rx分集，最适合高性能应用。