【通信观系列】三十二、Cat.X

2020-03-19
Cat.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QoS（Quality 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eMTC（enhanced 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-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）。

eMTC还有一个名字，叫做LTE-M，LTE-Machine-to-Machine，LTE-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.M1（eMTC）和Cat.NB-1（NB-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.1

2020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-IoT，LTE 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。
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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。