Cat.XCat初步解析为什么LTE要对终端分类呢为什么Cat.1现在地位越来越高Cat.1LTE Cat.1发展历程Cat.1bis逆袭Cat.1bis技术革新结语2020-03-19Cat.1好像突然火了。近期众多大佬纷纷为其站台背书网上也是议论纷纷、一致看好。究竟什么是Cat.1它和我们经常听说的NB-IoT、eMTC有什么关系呢我们还经常说Cat.M1和Cat.NB-1它们是同一样东西吗Cat初步解析首先我们来说说Cat。这个Cat不是它也不是它而是英文单词Category的缩写。Category的意思是类别、种类。准确来说“Cat.X”是指LTE UE-Category。LTE就不用解释了吧UE是指User Equipment用户终端。所以“Cat.X”是指LTE网络下的用户终端类别。为什么LTE要对终端分类呢话说当年3GPP组织制定LTE标准的时候有一个初衷就是希望LTE能为不同用户提供不同等级的网络服务能力。所以他们在LTE里提出了重要的QoSQuality of Service服务质量概念。不同的业务对于不同的QoS网络提供不同的带宽和接入优先级。除了网络之外3GPP还打算给用户终端包括手机、可穿戴设备、物联网设备等也做个分类。于是2009年3月3GPP发布Release8版本、正式提出LTE的时候同步推出了LTE Cat.1、Cat.2、Cat.3、Cat.4、Cat.5一共5个终端类别。后来又在R10版本定义了Cat.6、Cat.7、Cat.8。在R11定义了Cat.9、Cat.10、Cat.11、Cat.12。在R12定义了Cat.13、Cat.14、Cat.15。如下图所示不对眼尖的童鞋发现了上表不是有16个Category吗怎么多了一个Cat.0没错确实有个Cat.0。当年出R8的时候3GPP这帮人多了一个心眼。他们觉得LTE只给手机用是不够的。物联网市场一定是未来的趋势所以应该先“留一手”搞个物联网专业终端等级。于是就有了上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat.1专供物联网行业。在LTE发展初期Cat.1并没有被业界所关注。随着可穿戴设备的逐渐普及Cat.1才逐渐被业界重视。但是Cat.1终端需要使用2根天线对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然“要求过高”一般只配备1根天线。所以在R12/R13中3GPP多次针对物联网进行优化。首先是在R12中增加了新终端等级Cat.0放弃了对MIMO多天线的支持简化为半双工峰值速率降低为1Mbit/s终端复杂度降低为普通LTE终端的40%。这样一来初步达到了物联网的成本要求。但是虽然Cat.0终端的信道带宽降至1.4MHz但射频的接收带宽仍为20MHz太大。于是3GPP在R13中又新增Cat.M1等级的终端信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz终端复杂度进一步降低。而Cat.M1也就是我们之前常说的eMTCenhanced Machine-Type Communication增强型机器类型通信。此外3GPP在R13中同时新增了一个Cat.NB-1它的接收带宽仅180kHz。这个Cat.NB-1就是我们的NB-IoTNarrow Band Internet of Things窄带物联网。eMTC还有一个名字叫做LTE-MLTE-Machine-to-MachineLTE-机器到机器。也就是说是机器之间用LTE通信非常直白了适用于物联的LTE网络。搭车说一下Machine-to-Machine通常简写为M2M大家可能也听说过。看明白了吧Cat.1、Cat.M1eMTC和Cat.NB-1NB-IoT这三兄弟都是3GPP这一个妈生的全都是用于物联网的。三兄弟里面NB-IoT的速率是最慢的eMTC次之Cat.1最快也就5Mbps。它们和其它Cat的定位通过下图一目了然为什么Cat.1现在地位越来越高简单来说当初行业是这么打算的像智能抄表这类极低速率要求的应用NB-IoT上像摄像头或一些需要较大速率的物联网应用eMTC上。结果eMTC的发展不尽如人意。运营商不太愿意投钱产业生态也没跟上国内案例太少。大家想想干脆找个替代品得了于是乎就把现成的Cat.1给推上了前台。Cat.1基于现有的LTE网络完全复用现有LTE资源不需要增加额外投资。而且Cat.1芯片及模组的成熟度更高成本非常便宜能够在短时间内形成规模效应。随着2G/3G的加速退网运营商们开始积极引导行业用户使用NB-IoT和Cat.1终端模组也是目前Cat.1日益火热的原因之一。Cat.12020年是5G商用元年。但是如果我们在物联网行业内搞一场“2020年最热门通信技术”的评选5G很可能无法独占冠军。因为有一匹黑马在这一年迅速崛起吸引了整个行业的关注也成为大众热议的话题。没错这匹黑马就是今天这篇文章的主角——LTE Cat.1。根据数据统计2020年全球LTE Cat.1新增连接数为1500万个。乍一看并不是很多但它的增长速度极快。行业资讯机构TSR预测未来几年LTE Cat.1模组会保持3000万台以上的年均出货量。更有专家大胆预测今年2021年就能达到5000万。LTE Cat.1为什么会迅速蹿红它和其它蜂窝物联网技术相比有哪些优势我们现在常说的Cat.1和Cat.1bis又有什么区别别急让我们从头开始说起。LTE Cat.1发展历程2009年3月标准组织3GPP发布了Release 8 版本正式把LTE推到了世人面前。当时3GPP一共定义了5个终端类别分别是LTE Cat.1、Cat.2、Cat.3、Cat.4、Cat.5。所谓的Cat是英文单词“Category”的缩写意思是“类别、种类”。之所以要搞出这么多UE Category终端类别是因为3GPP非常看好物联网市场的发展前景希望设计出不同速率等级的终端类型满足物联网不同落地场景的需求。从上图可以看出LTE Cat.1的上行速率只有大约5Mbps专门面向对速率要求不高的物联网应用。LTE Cat.1推出之后并没有获得太多关注。当时蜂窝物联网的使用场景还不多用户比较陌生市场也没有打开。几年后随着LTE网络覆盖迅速形成规模厂商们开始重新将视线放到了LTE Cat.1的身上。刚开始的时候有手机终端厂商针对LTE Cat.1“简配”、低成本的特点将其用于4G老人智能机。后来蜂窝物联网应用场景快速增加LTE Cat.1迎来了机会。2015年4月第一代智能手表产品正式发售拉开了价值千亿的可穿戴电子产品市场竞争帷幕。在激烈的市场争夺过程中可穿戴设备厂商发现LTE Cat.1并没有办法用于可穿戴设备。原因在于Cat.1和传统LTE终端一样设计有两根天线。而可穿戴设备对体积要求很高必须小而又小所以无法接受双天线。即便是强行塞入分集接收效果也会大打折扣。当时官方具备1Rx单接收天线接收规格的终端能力等级只有Cat.0/Cat.M1/Cat.NB1。但是这些技术最高只能实现1Mbps的极限吞吐速率无法满足可穿戴场景的用户体验。于是设计一种新的适用于可穿戴品类的单天线终端能力等级就被提上了议事日程。2016年6月至2017年3月3GPP RAN#73~#75标准全会就该单天线终端能力新等级做了讨论与定义。最终在2017年3月9日3GPP Release 13 LTE Cat.1bis核心部分正式冻结LTE Cat.1bis诞生。除了天线数量之外LTE Cat.1bis和LTE Cat.1并无太大区别两者都是上行速率5Mbps下行10Mbps链路预算基本一致。LTE Cat.1bis既能满足中速人联/物联品类的数据吞吐量需求又能提供相比传统LTE更优的成本与更小的尺寸。更关键的是它可以在现有4G接入网几乎零改造的前提下进行快速部署大幅削减落地成本。然而如此完美的LTE Cat.1bis技术在推出之后的前两年不仅没有爆发反而更加沉寂几乎没有产生实质产业效益。这是为什么呢原因大概有两个。一方面是因为LTE Cat.1bis的标准化速度太慢。2018年9月LTE Cat.1bis才完成合规认证所必要的测试部分Testing part冻结根本没赶上2017年7月的全球首款蜂窝版可穿戴产品上市这波行情。另一方面R13 Cat.1bis推出之后业界根本没来得及准备合适的芯片平台。没有芯片咋推出产品阴差阳错之下Cat.1bis最终缺席了原本属于它的可穿戴/中速物联广阔舞台。Cat.1bis逆袭到了2019年底情况发生了根本性的变化。之前没有的终端芯片平台现在有了2019年11月16日在第7届中国移动全球合作伙伴大会上紫光展锐重磅发布了新一代物联网芯片平台——展锐8910DM这是全球首颗LTE Cat.1bis物联网芯片平台。从功能上来看展锐8910DM又不仅是一颗LTE Cat.1bis芯片。它采用28nm工艺具备显著的低功耗优势支持LTE Cat.1bis和GSM双模上下行速率分别是5Mbps和10Mbps拥有高集成度同时集成了蓝牙通讯和Wi-Fi室内定位可实现更稳定的连接支持VoLTE。展锐8910DM的推出解决了用户在物联网连接中通信、运算、存储、定位等多方面的需求和痛点引领了行业标准制定和行业生态构建填补了低功耗窄带物联网与传统宽带物联网之间的蜂窝通信芯片方案空白。芯片平台诞生之后外部环境也发生了微妙变化为LTE Cat.1bis的爆发创造了非常有利的条件。什么变化当然是5G的商用。5G商用意味着运营商又多了一张网络需要维护势必增加其网络运维压力。为了减少压力集中资源建设新网络运营商会加速2G/3G的退网。2G/3G想要顺利退网就必须有合适的替代技术承接海量的中低速物联网终端。NB-IoT是窄带物联网速度极低仅可承载部分2G网络物联网终端。“中速率、语音通话、移动连接”的业务需求自然而然就落在了LTE Cat.1bis 的身上。2020年5月工信部发布了《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》其中明确指出“推动2G/3G物联网业务迁移转网引导新增物联网终端不再使用2G/3G网络推动存量2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G含Cat.1/5G网络迁移建立协同发展的移动物联网综合生态体系。”针对这个协同发展的体系行业已经形成了普遍共识那就是物联网连接的“631”结构。所谓“631”即指60%的连接通过低速率网络实现30%的连接通过中速率网络实现10%的连接通过高速率网络实现。LTE Cat.1bis主要承载的是30%的中速率物联网连接领域。相比于NB-IoTLTE Cat.1bis速率更高可以支持标清摄像头、广告屏等应用也多了移动性的可以支持共享单车、物流追踪等对移动性有要求的应用。它还支持基本的语音业务可以用于集群对讲、电话手表等业务。从技术替代趋势来看NB-IoT将实现对80%以上2G终端的替代而绝大部分的3G和少部分的2G将迁移到Cat.1。Cat.1bis技术革新为了更好地完成自身使命LTE Cat.1bis一直在进行着技术革新和功能演进。我们还是以紫光展锐的8910DM芯片平台为例。2020年11月紫光展锐联合中国联通基于采用8910DM芯片平台的联通雁飞Cat1模组开展了业界首次Cat.1bisPSM低功耗特性现网规模测试。此前人们一直以为eDRX/PSM是NB-IoT/eMTC独有的特性。这次测试表明紫光展锐的Cat.1bis芯片也能够支持扩展非连续接收eDRX和深度睡眠PSM。如此一来Cat.1bis的功耗表现实现从传统的mA级升级到uA级大大拓宽了应用领域可以满足例如智能表计、智能门锁、烟感报警等使用电池供电、对功耗要求苛刻的场景。在覆盖增强方面8910DM芯片平台也有突破。它已成功实现对R13 coverage enhancement特性的支持可提供最高15dB的增益。这将非常有利于将Cat.1bis部署于地下车库、地下室、密集城区阴影区等覆盖困难的场所扩大应用领域。除了性能进一步提升之外紫光展锐8910DM芯片平台还根据用户使用场景进行了很多场景专属优化。举例来说8910DM芯片原本就已支持BLE蓝牙低功耗功能可进行近程设备升级维护和参数配置。如此8910DM又新增支持了A2DP和HFP等蓝牙媒体协议让物联网设备也能够进行音乐播放。比如可以让支付云喇叭同时“变身”成蓝牙音箱、让公网对讲机还能连接蓝牙耳机、让共享两轮出行的路上也能有音乐陪伴。再举个例子基于8910DM作为主芯片平台的公网对讲机方案能够完全满足运营商对于公网对讲产品的要求。展锐针对公网对讲机的实网时延和通话音质进行了大量优化网络方面包括支持双卡双待以及实现IP数据包在4G/2G实网下的时延优化音质方面通过充分利用芯片的语音处理能力, 对于噪音/回声/啸叫等对讲常见问题进行专项处理。[图片]上述这一系列的提升和优化充分说明了LTE Cat.1bis可以实现功耗、成本、覆盖、功能方面的更完美平衡给用户带来极致的使用体验。当然这背后也离不开紫光展锐这样的民族芯片企业在自主创新技术方面长期坚持不懈的投入。基于这些投入紫光展锐已经成为国内集成电路设计产业的龙头全球少数全面掌握2G/3G/4G/5G、Wi-Fi、蓝牙、电视调频、卫星通信等全场景通信技术的企业之一。根据数据显示紫光展锐目前拥有近5000名员工其中90%是研发人员在全球拥有17个技术研发中心。目前紫光展锐的Cat.1芯片已经实现千万级出货全国市场占有率超过70%。数十款搭载展锐8910DM芯片的Cat.1bis模组正在广泛应用于共享经济、金融支付、公网对讲、能源、工业控制等行业场景。结语2021年LTE Cat.1bis还将继续火热下去。针对LTE Cat.1bis的生态将会变得更加成熟。相关的物联网应用也会越来越多地出现在我们身边。我们有理由相信随着蜂窝物联网终端连接数的不断增加“万物智联”的时代将加速向我们走来。整个社会的运作模式将发生根本性的变化我们的工作效率和生活质量也将迎来难以想象的飞跃。