NB-IoT/Cat-M1 vs Cat-1：哪一个是你的菜？

本文作者：大喵

随着技术迭代升级，物联网产业对无线通信质量要求越来越高。在2G、3G逐步退网，4G网络建设不断成熟和完善的背景下，全球范围内有不少公司计划升级现有的2G和3G蜂窝网络，或者直接部署新的物联网通信网络，那究竟部署哪一种通信标准方为上上策呢？

图片来源于移远通信

2019年全国4G基站总数为544万个，而这一年新建4G基站为172万个，占4G基站总数近32%，远远超过往年。2019年正值5G商用元年，4G基站的投入却并未减少。

2019年10月22日，工业与信息化部新闻发言人、信息通信发展司司长闻库明确表示工信部鼓励运营企业积极引导用户迁移转网，将有限的频率资源和网络资源用到5G、4G移动通信网络发展中，降低运营成本，为用户降费创造条件，提高国家通信网络运营效率。

2020年3月10日，工信部发布了《关于深入推进移动物联网全面发展的通知（征求意见稿）》，明确了2/3G转网的相关要求。比如基本原则中就提到，“鼓励2G/3G用户尽快迁移转网”；建设目标中提到，“通过Cat.1配合满足中等速率物联网需求和语音需求”。

综上所述，这些信息有理由让笔者相信，2G、3G在退网后其连接功能将由4G和5G网络承担，鉴于目前5G网络建设并不完善，笔者这里主要谈谈基于4G的几种通信标准。

首先，NB-IoT和Cat-M1（也被称为LTE-M），两者均是为物联网而设计的。这两种标准已经在市场引起了广泛的关注，并被奉为是驱动下一代蜂窝物联网部署的关键技术，运营商已开始部署这两种标准。

此外，还有最近在通信市场中狂刷了一把存在感，盛传是最适合于现今物联网部署的一个名为Cat-1的LTE标准。

图片来源于iotforall

那么，这三种标准的技术原理是什么，它们各自的优点和局限性又是什么，为什么要说Cat-1是最适合于物联网设备的标准？

提问

什么是NB-IoT？

NB-IoT是由第三代伙伴关系项目(3GPP)开发的标准，是LTE标准的第13版中的一部分。它是一种低功耗广域网技术，运行在授权的频谱上，是专为低带宽需求的物联网设备设计的。

与其他现有蜂窝标准相比，它成本低廉，拥有更好的室内覆盖范围，消耗的功率更低，因此电池寿命更长一些。

NB-IoT的上行链路速度为66 kbps，下载速度为26 kbps，采用半双工模式，这意味着数据一次向一个方向传送。它的延迟时间是1.6到10秒。

NB-IoT在非常窄的带宽（180 kHz）中运行，可以部署在LTE网络的保护带部分，该部分位于频谱未使用部分的信道之间。因此，它适合于需要少量，间歇性数据传输且对延迟要求不高的简单IoT设备。

蜂窝技术具备远程支持和强大的信号穿透能力，因此非常适合长距离传输以及室内或地下等应用场景。但是，NB-IoT无法进行蜂窝塔式切换，因此只能用于固定式IoT应用。比如智能燃气表、水表和电表、智能城市应用(如智慧路灯和智慧停车)以及其他频次低的发送小量数据的遥感应用程序。

提问

什么是Cat-M1？

Cat-M1，又称LTE-M，也是3 GPP开发的低成本LPWAN 技术LTE标准第13版的一部分，这是一项对NB-IoT进行补充的技术，它速度更快，上传和下载速度是1 Mbps，延迟也更低一些，只有10到15毫秒。

Cat-M1提供了足够的带宽，可以替代当前诸多的2G和3G物联网应用。它在其他几个特性方面与NB-IoT不同：Cat-M1支持蜂窝塔切换，因此它可适用于移动应用程序，如资产跟踪和车队管理。它还支持物联网应用中的语音功能，例如医疗警报设备和家庭警报系统，在这些系统中，物联网设备具备语音沟通功能是非常重要的。

该标准使用1.4 MHz带宽，也有足够的吞吐量将固件、软件和其他安全更新传输到物联网设备，包括一个成熟的linux操作系统，而这是NB-IoT无法做到的。此外，Cat-M1支持全双工和半双工，这意味着公司可以通过选择半双工来降低功耗和提高电池寿命。

Cat-M1的应用案例包括可穿戴设备，如智能手环和智能手表，以及资产跟踪、健康监视器和警报。其应用还与NB-IoT有一些交叉，可以与智能仪表和工业监视器兼容。

提问

什么是Cat-1？

图片来源于紫光展锐

Cat-1是专为中低带宽需求的物联网设备而设计的。它是3 GPP标准第8版中的一部分，所以就时间而言，它是一项较老的技术，但就市场发展而言，它仍然是一种新兴技术。

Cat-1在世界各地都得到了广泛的采用，它提供了5 Mbps的上传带宽和10 Mbps的下载带宽，延迟为50到100毫秒。它在全双工模式下使用高达20 MHz的带宽，并支持塔式切换。

其结果是：Cat-1可以支持NB-IoT和Cat-M1支持的低功耗应用程序，同时它也可以支持更高的带宽需求，因为它提供了更好的性能和更低的延迟。另一方面，与NB-IoT和Cat-M1相比，Cat-1消耗的功率更多，信号范围略短。

Cat-1还支持语音和移动物联网应用程序，也为资产跟踪，智能电表和其他远程传感器等2G和3G应用程序提供了良好的迁移路径。

其他典型的用例包括可穿戴设备、销售点终端、ATM机、自动贩卖机、视频监控、远程医疗、消费电子设备以及一些车辆远程信息处理数据。它还支持共享出行用例，例如自行车和踏板车租赁，以及复杂的IoT设备，例如数字标牌和无人机。

Cat-1的速度还不足以满足自动驾驶汽车的需求。为了满足更高的带宽需求，Cat-4 LTE标准达到了50 Mbps上传速度和150 Mbps下载速度，并且可以更好地处理视频监视和其他实时视频应用程序以及车内热点和车载信息娱乐系统。

当然，Cat-1的不足5G蜂窝网络可以弥补，5G将支持自动车辆、医疗保健领域的远程手术以及未来其他高带宽应用所需的高速、低延迟通信。

NB-IoT和Cat-M1(LTE-M)的现状与局限性

研究人员预计，随着越来越多的运营商在未来几年实施这两项技术，连接到NB-IoT和Cat-M1网络上的物联网设备将逐步增多。

事实上，根据2019年11月的《爱立信移动报告》，到2025年底，NB-IoT和Cat-M1预计将占所有蜂窝IoT连接的52％。类似地，在另一项研究中，分析公司ABI Research预测到2026年，NB-IoT和Cat-M1将占36亿LPWAN连接的60％。

虽说NB-IoT和Cat-M1具备诸多的优势，但是这两种技术当前仍存在一些局限性，即它们虽是新兴技术，但在全球范围内覆盖范围仍然有限。

北美、欧洲和亚洲的运营商已经开始采用这两种技术中的一种，由于NB-IoT和Cat-M1是互补技术，一些运营商选择同时支持这两种技术。根据《爱立信移动性报告》，截至2019年11月，在已部署NB-IoT或Cat-M1的114家服务提供商中，近25％同时支持这两种技术。

虽然运营商在采用NB-IoT或Cat-M1方面取得了进展，但它们尚未在全球广泛部署。这反过来又限制了漫游功能。如果有一个特定的物联网用例需要在Cat-M1网络上漫游，由于采用率仍然有限，可能无法实现。

真的是低功耗吗？事实上，NB-IoT或Cat-M1确实比Cat-1、2G和3G网络等以前的蜂窝技术消耗更少的能耗。新标准还具备节能功能，可以进一步降低功耗和延长物联网设备的电池寿命。然而，鉴于运营商可能不会完全支持，这些备受关注的功能可能没有实现预期。

更具体地说，NB-IoT或Cat-M1设备可以通过两种功能待机更长时间：节能模式(PSM)和扩展不连续接收(EDRX)。

使用PSM，NB-IoT或Cat-M1的物联网设备可以无限期地休眠，然后在预定的时间醒来发送和接收数据。

使用eDRX，物联网设备可以将运作周期从正常的1.28秒间隔增加到10.24秒。eDRX技术使物联网设备能够休眠预定数量的超帧或10.24秒的倍数，因此，NB-IoT设备可以休眠3小时，而Cat-M1设备可以休眠40分钟。

但是，由于eDRX和PSM的使用不完全由IoT设备决定，因此对eDRX和PSM节省的电量存在潜在的限制。实际上，这取决于每个特定的载波以及每个载波是否支持所有可用的低功率模式。运营商可能只采用部分低功耗模式，这意味着IoT设备可能无法充分发挥eDRX和PSM的优势。

为什么Cat-1是最佳选手

如果现在你在纠结选择哪一个物联网通信标准，鉴于NB-IoT或Cat-M1在大多数应用领域还没迎来黄金发展期，笔者在这里建议考虑Cat-1。

Cat-1现在可以使用，并且得到了全世界运营商的广泛支持。它与当前的NB-IoT或Cat-M1模块的价格相差无几。虽然确实比Cat-M1和NB-IoT消耗更多的电能，但它支持更大范围的覆盖。

节能确实很重要。但是换个角度：2G和3G并不是低功耗技术。随着2G和3G网络退出舞台，需要升级其IoT部署的公司将发现Cat-1比传统的2G和3G网络更加节能。

毫无疑问，Cat-M1和NB-IoT是未来的发展方向。事实上，3 GPP计划发展Cat-M1和NB-IoT，并将它们合并到5G标准中。

但Cat-1和LTE不会在短期内消失。运营商仍处于建设5G网络的早期阶段，因此，LTE网络至少在几年内仍将是会被使用的标准。即使在那之后，LTE网络和Cat-1也将继续存在，并在一段时间内不会被淘汰。

简而言之，鉴于Cat-M1和NB-IoT能够在全球范围内扩展并成为一项通用技术还需数年时间，对现在迫不及待需要在全球范围内部署物联网或从2G和3G网络升级的公司而言， Cat-1是当今和未来数年可行且强大的解决方案，并且可以为当前的物联网需求提供最广泛，最全面的覆盖。

Ps：忽如一夜春风来，千树万树梨花开。既然Cat-1那么优秀，那有推出Cat-1芯片和模组的厂家又有哪些呢，笔者在这里做了一下总结，供行业人士参考：

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