Cat.0實(shí)現(xiàn)更低功耗、更低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到LTE網(wǎng)絡(luò)，兩節(jié)普通5號(hào)電池可以用10年以上!
在介紹Cat.0之前，我們來看一下移動(dòng)通信技術(shù)遵循的發(fā)展規(guī)律：每10年經(jīng)歷一次跨越。
伴隨著移動(dòng)通訊技術(shù)發(fā)展的是不斷壯大的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，思科去年就發(fā)布調(diào)研報(bào)告稱，到2020年，將有500億設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到19萬億美元;IDC報(bào)告則指出，到2020年，全球的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將有300億設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。
各家的預(yù)測(cè)數(shù)字雖有所不同，但一致的是大都持著樂觀的態(tài)度，看好物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。蓋茨他老人家不是也說了嗎：“誰把物聯(lián)網(wǎng)吃透了就是下一個(gè)世界首富。”
我們先來做個(gè)計(jì)算題，假設(shè)思科的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，500億接入設(shè)備中，刨去100億連接手機(jī)和PC，剩下的400億去直接連接互(物)聯(lián)網(wǎng)，按照目前的技術(shù)水平，在理想情況下，全球的蜂窩網(wǎng)絡(luò)估計(jì)也只能容納2%(約8億)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入。
8億?截至2015年12月底，我國手機(jī)用戶數(shù)達(dá)13.06億戶，也就是說一個(gè)中國的手機(jī)用戶數(shù)就能把全球所有預(yù)留給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的蜂窩網(wǎng)沖垮了……
有人可能會(huì)覺得思科的500億的預(yù)測(cè)太過于理想化，萬一未來像IDC預(yù)測(cè)的那樣呢?刨去100億也有200億的沖擊力。另外，M2M設(shè)備通信領(lǐng)域深耕多年的宏電首席技術(shù)官還給出了兩個(gè)重要因素。第一，撇開蜂窩網(wǎng)技術(shù)，支持物聯(lián)網(wǎng)無線通訊接入的技術(shù)還有很多，比如大家熟悉的藍(lán)牙、zigbee、802.11ac等，可見，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備給予互聯(lián)網(wǎng)的壓力巨大。所以，光指著蜂窩網(wǎng)絡(luò)顯然是捉襟見肘的，或者說用現(xiàn)有的Cat.1-10規(guī)范是不切實(shí)際的。第二，資源利用率的問題，一臺(tái)低流量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過Cat.1-10的帶寬上網(wǎng)，就好比一輛自行車走在高速公路上，實(shí)在有點(diǎn)大材小用。
如此一來，就需要一個(gè)新的UE-Category規(guī)范。它需要完全打翻現(xiàn)有追求高無線性能的向上堆疊，而是向下做有針對(duì)性的耦合，獨(dú)立于Cat.1-10(準(zhǔn)確來講應(yīng)該是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，主要定義了UE終端能支持的上下行速率。根據(jù)3GPP的定義，UE-Category分為1~10共10個(gè)等級(jí)，其中Cat.1-5為R8定義，Cat.6-8為R10定義，Cat.9-10為R11定義。
由圖可見，Cat.1-8上下行速率依次遞增。Cat.0將是比cat.1上下行速率更低的等級(jí)。
據(jù)宏電透露，目前物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)上LTE MTC技術(shù)處于起步階段，絕大多數(shù)的廠家采用了規(guī)避方案實(shí)現(xiàn)Cat.1的產(chǎn)品，即使用Cat.4降速支持Cat.1，但該方案對(duì)于功耗和成本問題均沒有實(shí)現(xiàn)徹底解決。盡管如此，在巨大市場(chǎng)蛋糕的誘惑下，真正的Cat.0問世也只是時(shí)間問題，這個(gè)時(shí)間不會(huì)太久，它一定會(huì)趕在真正的市場(chǎng)需求爆發(fā)之前出來。
Cat.0實(shí)現(xiàn)更低功耗、更低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到LTE網(wǎng)絡(luò)
為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，LTE-M(M2M)必須對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幾個(gè)方面的優(yōu)化：
1)設(shè)備成本
盡管大量設(shè)備接入帶來巨大價(jià)值，但是，連接設(shè)備的成本卻是一個(gè)大問題。 連接蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備需要芯片支持，為了支持高清視頻、在線游戲，目前LTE芯片主要支持幾十到幾百M(fèi)pbs的高速高性能LTE網(wǎng)絡(luò)。芯片支持的速率越高，硬件就越復(fù)雜，成本也就越高。物聯(lián)網(wǎng)M2M應(yīng)用并不需要這么高的速率，甚至有些設(shè)備間連接只需要幾百bps就夠了。因此，為了減小設(shè)備成本，就得簡化芯片來滿足物聯(lián)網(wǎng)M2M應(yīng)用需求。
為了減少設(shè)備成本，R12就制定了Cat.0終端等級(jí)，實(shí)際上，Cat.0指的就是低成本的M2M設(shè)備。為了降低設(shè)備復(fù)雜性和減小設(shè)備成本，Cat.0定義了一系列的簡化方案，主要包括：
1. 半雙工FDD模式(Half duplex FDD).
半雙工FDD模式允許在FDD模式下時(shí)分復(fù)用。
2.減小設(shè)備接收帶寬到1.4MHz，當(dāng)然，也可以擴(kuò)到20MHz。
3.單接收通路，取消RX分集雙通路。
4.低速數(shù)據(jù)速率。不僅降低速率需求，處理器計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力也相對(duì)降低。
在R13版本還會(huì)有進(jìn)一步的優(yōu)化，比如取消發(fā)射分集，不再支持MIMO，支持小于1.4MHz更低的帶寬，支持更低的數(shù)據(jù)速率。
關(guān)于Cat.0、Cat.1、Cat.4和R13版本的Cat.的特征比較如下圖：
為了面向物聯(lián)網(wǎng)，降低設(shè)備成本，除了定義Cat.0終端設(shè)備等級(jí)外，還需要對(duì)電池使用時(shí)長和覆蓋進(jìn)行優(yōu)化。
2)電池壽命
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遍布各行各業(yè)的各個(gè)角落，不可能像我們的手機(jī)一樣每天為其充電，甚至每個(gè)月充一次電的維護(hù)成本也是不敢想象的。一些設(shè)備需要長期保持運(yùn)行狀態(tài)，一旦電池耗盡，通信中斷，可能會(huì)導(dǎo)致重大損失。比如，應(yīng)用于山洪預(yù)警的設(shè)備直接將信號(hào)傳送至預(yù)警控制中心。超長的電池使用時(shí)間，就顯得尤為重要。
為了省電，R12采用一種叫power saving mode (PSM，省電模式) 的方案。如果設(shè)備支持PSM，在附著或TAU(Tracking Area Update)過程中，PSM向網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)一個(gè)激活定時(shí)器值。當(dāng)設(shè)備從連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移到空閑狀態(tài)后，該定時(shí)器開始運(yùn)行。當(dāng)定時(shí)器終止，設(shè)備進(jìn)入省電模式。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入省電模式，設(shè)備不再接收尋呼消息，看起來設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)，但設(shè)備仍然注冊(cè)在網(wǎng)絡(luò)中。設(shè)備將一直保持這種省電模式，直到設(shè)備需要主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息(比如周期性TAU，發(fā)送上行數(shù)據(jù)等)。
據(jù)說，采用這種方案，兩節(jié)5號(hào)電池可以用10年以上。
如上圖，如果DRX不連續(xù)接收循環(huán)為10分鐘，設(shè)備每周上傳一次數(shù)據(jù)，這樣，兩節(jié)5號(hào)電池可以用132月(11年)之久。
3)增強(qiáng)覆蓋
對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)M2M應(yīng)用，覆蓋同樣非常重要。一個(gè)簡單的例子，智能水表都安裝在地下室或建筑物內(nèi)隱蔽的地方。由于信號(hào)衰減，通常這些地方信號(hào)偏弱。所以，需要提升增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋來應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)。
在增強(qiáng)覆蓋方面，LTE-M采用的技術(shù)包括：放大數(shù)據(jù)和參考信號(hào)發(fā)射功率、重傳、和降低性能需求，比如，允許更長時(shí)延和更高的誤碼率。采用這些技術(shù)，覆蓋性能可以提升20dB。
宏電最后還提到，當(dāng)我們?cè)谝笫謾C(jī)或者平板上網(wǎng)速度更快，再給點(diǎn)力點(diǎn)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)卻不停在喊，慢點(diǎn)，再慢點(diǎn)。萬億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)撲面而來，低速率、低功耗的cat.0模塊產(chǎn)品顯然會(huì)成為香饃饃。也許將來3GPP還會(huì)定義一個(gè)比Cat.0更低的等級(jí)，Cat.-1?
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