LTE Cat 1 bis：低功耗、廣域IoT連線的實用選擇

隨著物聯網(IoT)的快速成長，根據一些分析師估計，到2030年全球將有約290億台物聯網裝置投入使用。這一成長中近一半是由低功耗設備市場推動，應用場景包括智慧家庭、家庭安防、樓宇自動化、工業物聯網(IIoT)、智慧家電、醫療保健、穿戴式裝置等。近年來，為了支持這個不斷擴大的產業，各種低功耗無線技術相繼湧現。對於那些需要廣域覆蓋的應用，可用的蜂巢式協議包括LTE-M、NB-IoT、LTE Cat 1，以及LTE Cat 1 bis。

本文將探討LTE Cat 1 bis的具體優勢，並介紹可供開發人員使用的晶片組、模組、射頻(RF)工具及支援生態系統。

什麼是低功耗物聯網應用？

典型的低功耗物聯網應用包括資產追蹤、智慧電錶、POS終端、工業自動化、穿戴式裝置，以及各種智慧城市解決方案。這些應用有幾個共同的關鍵特徵：需要長時間使用電池或替代電源運行、資料傳輸速率低且通常是間歇性的、覆蓋範圍廣，以及成本效益高(圖1)。

圖1：電池供電的物聯網裝置旨在實現高效現場運作。

因此，支援這些應用的設備必須能夠以最低的功耗運行，而無線通訊技術的選擇對其能效有著重要影響。隨著低功耗物聯網市場的發展，多種本地和廣域無線通訊協定應運而生，涵蓋授權和非授權頻譜。儘管某些非授權的低功耗廣域(LPWA)網路可以為開發者提供始終開啟(always-on)、無所不在的覆蓋優勢，但事實證明，蜂巢網路是廣域覆蓋最受歡迎的選擇。

低功耗蜂巢通訊簡史

2010年代中期，蜂巢行動通訊產業意識到LTE變體在支援低功耗物聯網連接方面的潛力。2016年，3GPP Release 13針對物聯網應用制定了三種新的4G蜂巢標準：NB-IoT (LTE Cat-NB)、LTE-M (LTE Cat-M)和LTE Cat 1 bis。由於NB-IoT和LTE-M具有更高的功率效率、更低的成本和複雜性，市場最初對其青睞有加。行動網路營運商(MNO)紛紛推出網路功能，製造商也紛紛開發晶片組。然而，這兩項技術的全球部署較為分散，一些地區優先考慮LTE-M，而其他地區則優先考慮NB-IoT。

圖2：LTE-M和NB-IoT的全球部署較為分散。

(來源：GSMA)

儘管LTE-M和NB-IoT對許多物聯網項目來說可能是頗具吸引力的選擇，但這種情況也帶來了諸多複雜性：

．這兩種技術都要求MNO對其LTE網路進行額外投資，而許多營運商尚未進行此類投資。

．LTE-M和NB-IoT的漫遊協議並非統一適用，因此鎖定多個區域的設備需要雙模解決方案，這會增加成本和複雜性。

．雙模解決方案也耗電，並且不支援延長電池續航。

另一方面，自2006年3GPP Release 8開始提供的傳統LTE Cat 1可在任何現有的4G LTE網路上運做，使其成為迄今為止成本最低且覆蓋全球的4G蜂巢式技術。與LTE-M和NB-IoT相比，LTE Cat 1 bis的這一覆蓋優勢被其更高的功耗、成本和複雜性所抵消，因此LTE Cat 1 bis已成為兩種標準之間的橋樑。Cat 1和Cat 1 bis在峰值資料速率、頻寬、傳輸功率和功能方面實際上完全相同，但Cat 1 bis僅採用單接收天線和單射頻路徑，而LTE Cat 1則採用雙射頻鏈路。因此，LTE Cat 1 bis的複雜度降低意味著其功耗大致相同，其晶片組和模組尺寸也與LTE-M和NB-IoT模組相似。由於接收分集的損失，LTE Cat 1 bis的最大耦合損耗比Cat 1大3dB，但接收訊號強度仍然遠高於NB-IoT和LTE-M。

LTE Cat 1 bis詳解：橋接覆蓋與效率

與LTE Cat 1一樣，只要有4G LTE網路的地方，例如全球大多數人口密集地區，Cat 1 bis即可使用，並且廣泛支持漫遊，這使得LTE Cat 1 bis特別適用遠端資訊處理和資產追蹤等行動應用。

表1比較了LTE Cat 1、LTE Cat 1 bis、LTE-M和NB-IoT的主要特性，突顯出LTE Cat 1 bis的功耗與LTE-M和NB-IoT相似。表中還顯示，LTE Cat 1 bis的資料速率優於LTE-M和NB-IoT，與LTE Cat 1的性能相當，下行速率高達10MB/s，上行速率高達5MB/s。雖然這些速率通常超出物聯網應用的要求，但非常適合視訊監控、具備視訊的報警系統和電子健康等資料量較大的物聯網應用。

表1：LTE Cat 1/Cat 1 bis、LTE-M、NB-IoT特性比較。

此外，與LTE-M類似，LTE Cat 1 bis解決方案的成本約為基於LTE Cat 1的同類解決方案的一半，並且兩種技術均支援低功耗模式，例如省電模式(PSM)和擴展不連續接收(eDRX)。這些功能可延長電池續航時間，而電池續航時間對許多物聯網應用而言至關重要。

選擇無線技術時，還需考慮技術過時的風險。3GPP Release 15中的一項選項可降低這一風險，該選項允許升級後的LTE設備(eLTE)連接到配備升級版eLTE NB (eNB)的5GC網路。此外，當前的5G解決方案無法滿足大多數物聯網需求。5G Redcap和eRedcap雖然可以解決這一問題，但距離商用部署仍需數年時間。這意味著至少在未來5年甚至更長的時間內，4G LTE仍將是唯一能夠提供全球覆蓋的蜂巢技術。

因此，物聯網開發人員使用LTE Cat 1 bis的風險顯著降低，對於希望支援蜂巢式物聯網應用的開發人員來說，該技術是一個可靠的選擇。

LTE Cat 1 bis設計

LTE Cat 1 bis開發人員可以使用各種晶片組和模組。這些晶片組和模組通常整合了無線電和處理元件，並支援PSM和eDRX等低功耗模式。模組進一步將這些元件與其他元件(例如記憶體、電源管理和射頻介面)相結合。雖然模組能讓開發者利用模組製造商已掌握的專業知識和已完成的整合工作，但其成本也相應高於晶片組。

使用晶片組雖然成本較低，但很快就會被所需額外的設計和整合工作所抵消，而且對專業知識和資源的需求也會延長開發週期。尤其是射頻系統的設計與認證，過程複雜且耗時。最終決策需綜合考慮預期產量和現有內部資源等因素。初期小批量生產可採用模組方案，後續大規模量產時再轉向基於晶片組的設計。

天線選擇和整合的關鍵考慮因素

射頻前端的性能對於任何LTE Cat 1解決方案的品質都至關重要，而天線作為前端的關鍵元件，其設計對開發人員來說可能極具挑戰。目前，專業製造商提供的即用型(OTS)天線種類日益豐富。

在開發早期就確定天線方案至關重要，可避免後期昂貴且耗時的返工。將天線整合到Cat 1 bis設計中時，需綜合考慮PCB佈局、接地層長度、阻抗匹配和雜訊管理等多種因素。

射頻認證同樣是開發週期中的難處，且因部署地區不同而要求各異。不同協定、營運商、監管機構和產業組織可能各有認證標準。透過採用預整合模組和OTS天線，並諮詢專業天線製造商，可有效簡化認證流程。

使用LTE Cat 1 bis實現持續的物聯網連接

對於需要全球覆蓋的低功耗物聯網解決方案開發者而言，LTE Cat 1 bis比傳統Cat 1在成本和複雜性方面更具優勢，相比LTE-M和NB-IoT則具備更廣泛的網路覆蓋。此外，LTE Cat 1 bis還為大量基於2G和3G網路建構的物聯網應用提供了切實可行的遷移路徑，尤其在這些舊網路逐步關閉的背景下。

(參考原文：LTE Cat 1 bis: A Practical Choice for Low-Power, Wide-Area IoT Connectivity，by Baha Badran，EE Times China Franklin編譯)

本文原刊登於EE Times China 2025年9月雜誌

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