LTE Cat.0为万亿级物联网市场带来福音

在介绍Cat.0之前，我们来看一下移动通信技术遵循的发展规律：每10年经历一次跨越。

伴随着移动通讯技术发展的是不断壮大的物联网市场，思科去年就发布调研报告称，到2020年，将有500亿设备接入互联网，市场规模将达到19万亿美元；IDC报告则指出，到2020年，全球的物联网市场将有300亿设备接入互联网。

各家的预测数字虽有所不同，但一致的是大都持着乐观的态度，看好物联网市场。盖茨他老人家不是也说了吗：“谁把物联网吃透了就是下一个世界首富。”

我们先来做个计算题，假设思科的预测准确，500亿接入设备中，刨去100亿连接手机和PC，剩下的400亿去直接连接互（物）联网，按照目前的技术水平，在理想情况下，全球的蜂窝网络估计也只能容纳2%（约8亿）的物联网设备接入。

8亿？截至2015年12月底，我国手机用户数达13.06亿户，也就是说一个中国的手机用户数就能把全球所有预留给物联网设备的蜂窝网冲垮了……

有人可能会觉得思科的500亿的预测太过于理想化，万一未来像IDC预测的那样呢？刨去100亿也有200亿的冲击力。另外，M2M设备通信领域深耕多年的宏电首席技术官还给出了两个重要因素。第一，撇开蜂窝网技术，支持物联网无线通讯接入的技术还有很多，比如大家熟悉的蓝牙、zigbee、802.11ac等，可见，物联网设备给予互联网的压力巨大。所以，光指着蜂窝网络显然是捉襟见肘的，或者说用现有的Cat.1-10规范是不切实际的。第二，资源利用率的问题，一台低流量的物联网设备通过Cat.1-10的带宽上网，就好比一辆自行车走在高速公路上，实在有点大材小用。

如此一来，就需要一个新的UE-Category规范。它需要完全打翻现有追求高无线性能的向上堆叠，而是向下做有针对性的耦合，独立于Cat.1-10（准确来讲应该是Cat.2-10），那么，Cat.1再往下就是Cat.0了。

那么，什么是Cat.0？

Cat.即UE-Category，主要定义了UE终端能支持的上下行速率。根据3GPP的定义，UE-Category分为1~10共10个等级，其中Cat.1-5为R8定义，Cat.6-8为R10定义，Cat.9-10为R11定义。

由图可见，Cat.1-8上下行速率依次递增。Cat.0将是比cat.1上下行速率更低的等级。

据宏电透露，目前物联网市场上LTE MTC技术处于起步阶段，绝大多数的厂家采用了规避方案实现Cat.1的产品，即使用Cat.4降速支持Cat.1，但该方案对于功耗和成本问题均没有实现彻底解决。尽管如此，在巨大市场蛋糕的诱惑下，真正的Cat.0问世也只是时间问题，这个时间不会太久，它一定会赶在真正的市场需求爆发之前出来。

Cat.0实现更低功耗、更低成本物联网设备连接到LTE网络

为了达到这个目标，LTE-M(M2M)必须对LTE网络进行几个方面的优化：

1)设备成本

尽管大量设备接入带来巨大价值，但是，连接设备的成本却是一个大问题。 连接蜂窝网络的设备需要芯片支持，为了支持高清视频、在线游戏，目前LTE芯片主要支持几十到几百Mpbs的高速高性能LTE网络。芯片支持的速率越高，硬件就越复杂，成本也就越高。物联网M2M应用并不需要这么高的速率，甚至有些设备间连接只需要几百bps就够了。因此，为了减小设备成本，就得简化芯片来满足物联网M2M应用需求。

为了减少设备成本，R12就制定了Cat.0终端等级，实际上，Cat.0指的就是低成本的M2M设备。为了降低设备复杂性和减小设备成本，Cat.0定义了一系列的简化方案，主要包括：

1. 半双工FDD模式(Half duplex FDD).

半双工FDD模式允许在FDD模式下时分复用。

2.减小设备接收带宽到1.4MHz，当然，也可以扩到20MHz。

3.单接收通路，取消RX分集双通路。

4.低速数据速率。不仅降低速率需求，处理器计算能力和存储能力也相对降低。

在R13版本还会有进一步的优化，比如取消发射分集，不再支持MIMO，支持小于1.4MHz更低的带宽，支持更低的数据速率。

关于Cat.0、Cat.1、Cat.4和R13版本的Cat.的特征比较如下图：

为了面向物联网，降低设备成本，除了定义Cat.0终端设备等级外，还需要对电池使用时长和覆盖进行优化。

2)电池寿命

物联网设备遍布各行各业的各个角落，不可能像我们的手机一样每天为其充电，甚至每个月充一次电的维护成本也是不敢想象的。一些设备需要长期保持运行状态，一旦电池耗尽，通信中断，可能会导致重大损失。比如，应用于山洪预警的设备直接将信号传送至预警控制中心。超长的电池使用时间，就显得尤为重要。

为了省电，R12采用一种叫power saving mode (PSM，省电模式) 的方案。如果设备支持PSM，在附着或TAU(Tracking Area Update)过程中，PSM向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲状态后，该定时器开始运行。当定时器终止，设备进入省电模式。当设备进入省电模式，设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。设备将一直保持这种省电模式，直到设备需要主动向网络发送信息(比如周期性TAU，发送上行数据等)。

据说，采用这种方案，两节5号电池可以用10年以上。

如上图，如果DRX不连续接收循环为10分钟，设备每周上传一次数据，这样，两节5号电池可以用132月(11年)之久。

3)增强覆盖

对于物联网M2M应用，覆盖同样非常重要。一个简单的例子，智能水表都安装在地下室或建筑物内隐蔽的地方。由于信号衰减，通常这些地方信号偏弱。所以，需要提升增强网络覆盖来应对物联网。

在增强覆盖方面，LTE-M采用的技术包括：放大数据和参考信号发射功率、重传、和降低性能需求，比如，允许更长时延和更高的误码率。采用这些技术，覆盖性能可以提升20dB。

宏电最后还提到，当我们在要求手机或者平板上网速度更快，再给点力点时，物联网却不停在喊，慢点，再慢点。万亿级物联网市场扑面而来，低速率、低功耗的cat.0模块产品显然会成为香馍馍。也许将来3GPP还会定义一个比Cat.0更低的等级，Cat.-1？