蜂窝物联网技术一览Cat-0,Cat-1,Cat-M1,NB-IoT alo本文将对蜂窝物联网的几个关键规范做一个概述，可以作为一个敲门砖，抛砖引玉。
1. 物联网通讯和LTE的蜂窝物联网技术
用在物联网应用中的技术解决方案非常多，各种各样的行业、技术标准组织都在制定对应的物联网技术方案，有的在制定中，有的还在原型测试，有的具有独立知识产权的技术方案已经在市场中应用。表-1-是目前比较流行的物联网方案的对比表，从中可以看到各种物联网通讯技术的技术特点。
表-1- 主流物联网通讯技术对比表物联网设备其实主要具备如下6大特点：（1） 设计简单： 系统复杂度低能保证IoT设备在恶劣环境下正常工作， （2） 成本低廉： IoT设备一般都是成本低，量很大，
（3） 大覆盖范围： 要保证一些在地下室的仪表、设备的数据能传输出去，灌浆剂
（4） 低功耗：大部分应用场景都需要使用电池功能，而且需要能工作好几年， （5） 低速率：比如一些抄表的应用中，一天也只需要传输几十个字节就足够了，
（6） 海量设备接入：你可以想象一下一个小区里面的各种仪表和机器的数量是上万的。尽管用于物联网的通讯技术很多，但到目前为止也没看到哪个技术有一统江湖的趋势。不过这个局面可能很快就要被打破了，3GPP终于开始在物联网方面采取了行动，在LTE增强版中制定了Release12和Release13的标准，用来应对各种不同机器设备之间的通讯（MTC）和物联网（IoT）需求。对于3GPP针对物联网的技术标准，相关的信息总是很零碎，所以我在这里做一次汇总，希望大家能对蜂窝物联网技术有个基本的了解。画面拼接
为什么单纯的LTE网络对于物联网是不理想的？ LTE设计时是为了解决一个最主要的需求： 它必须足够快。尽管该技术可以满足移动宽带通讯的需求，但是它无法用在别的一些 应用产品中得到很好的运用，比如穿戴式设备，工业传感器，家用电器等等。这种设备的特点是尺寸小，电池供电，而且经常会被放在诸如地下室等网络覆盖不好或者甚至无信号的地方。在大多数情况下，家里的IoT设备会利用本地局域网或者一个附近的IoT集中器，将IoT设备的数据通过WiFi，有线，DSL和光纤转发出去。但有些情况这种方法不适用，比如，对于地下室安装的功率计或者工业用的功率计，所以，最好是能使用现成的蜂窝网络作为骨干网。
LTE和物联网
尽管GSM曾经是，现在仍旧是很多物联网通讯使用的技术，但是这个技术太陈旧，而且很多网络运行商迟早会关掉它。这样未来只能在LTE网络中增加物联网通讯的特功能，但是，LTE当初的设计并没有考虑到要在一个扇区里面处理成千上万的机器设备，或者支持那些只传输很少数据的低复杂度的便宜玩意。在过去的几年，3GPP对LTE技术增加了几个增强型的标准，一些做了简化，一些是完全新的，用来实现连接IoT设备，这些新制定的标准能够满足如下几个条件：
(1) 设备的射频模块成本很低，低于5美金，
(2) 室内深入覆盖，以及比现有的LTE更大的覆盖范围，
(3) 每个扇区支持最大50,000个设备，这些设备一天只会传很少的字节，
(4) 超低功耗，对于一天只需要传几个字节的设备，电池寿命要最大到10年,
(5) 支持设备在低速率下工作，比如说，最大吞吐量只有几百K每秒，实现设计简单和低成本，而且可以极大的提高射频的灵敏度（实现室内的深度覆盖）。
很明显，单独一种IoT射频标准是不能满足所有的物联网应用场景的。一些IoT设备想比较频繁的传输数据，比如采用每秒几百K的速率进行传输，尽管这样会牺牲一些功耗，降低室内的覆盖范围。一些IoT设备可能只需要在一天里面传输50个字节数据就够了，但是这些设备可能距离的距离非常远，或者安装在一些很深的地下室，以至于10或者20MHz带宽的LTE网络是不能覆盖的。为了满足这两种极端情况，3GPP制定了一些增强型的标准：
(1) LTE Category 1 这种设备可以速率达到10Mbps
(2) LTE Category 0 这种设备速率可以达到1Mbps
(3) LTE Category M1 这种设备速率可以达到1Mbps，并且在降低功耗方面上做了优化。
(4) LTE Category M2 也被称为Narrow-Band IoT，这种设备速率只有几百Kbps，但是在功
耗上做了很大的优化，并且可以扩大室内覆盖范围。
上面四个类型设备的共同点是，他们都能和现在部署好的LTE网络通讯，只需要对和核心网的软件进行升级即可。有个很重要的一点就是，可以同时处理传统的LTE网络、LTE-Advanced移动宽带网络、以及上述的增强型物联网网络。简言之，就是不需要为IoT物联网通讯专门设计一个特有网络。
2. LTE Cat-1和Cat-0设备
我们先介绍两个早期的针对3GPP针对物联网应用的通讯规格，以及他们的应用场景。
LTE Cat-1 设备 实际上在3GPP LTE很早期的标准里，EUTRAN规范（3GPP Release 8）里面就包含了一种设备叫Category 1（Cat-1）,这种设备的设计很简单并且很省电，它的速率最大只能达到10Mbps。为了降低复杂度，Cat-1是在2008年唯一种可以使用单天线的设备类型，也就是说它不支持MIMO(多进多出)。这些都是理论描述，但是在过去的8年时间里,这种类型的设备不是很受欢迎,以至于在市面上从来没有见过这种类型的设备。
LTE Cat-0 设备 and PSM 又过了很多年，3GPP在Release12中更进了一步,定义了LTE Category 0(Cat-0)设备。该设备的速率被进一步裁剪到1Mbps。采用半双工机制,尽管是可选特性,但是却大大降低了成本,复杂度和功耗，原因是用一个天线收发切换开关(switch)代
替了全双工滤波器,这种机制使得设备不能同时收发。
另外，该标准还定义了省电模式，该模式扩展了LTE规范，增加了一个射频接口状态。以前的设备连接模式是这样的，一种情况是和网络建立一个射频连接，另一种情况是实际上没有建立连接，但是可以通过保持它的IP地址建立一种逻辑上的连接。就算没有连接，设备仍旧能收到来自发送的寻呼（paging）包，并被唤醒工作。PSM扩展了这个机制，PSM规定设备可以继续保持IP地址，并且可以在一个非常长的时间内都不需要接收paging请求，这个时间最大可以设置成12.1天。在PSM状态下，设备甚至不需要定期发送Tracking Area Updates。这样做的缺点是，当在PSM状态时，设备是无法通讯的。因为不同的应用需要不同的PSM时间，设备需要设置一个定时器值，用来控制在进入PSM之前需要保持多长时间可通讯状态。第二个定时器值是在LTE Attach Message里面发送出去的，表示PSM的持续时间。网络可以在Attach Accept Message里面确认和修改这些值。
尽管PSM不需要对射频接口的物理层进行修改，但是需要修改NAS，这样才能，当有数据来的时候，核心网知道哪些设备是可以通讯的，哪些是不可以的。Cat-1设备可以工作上现在的所有LTE网络中，但是CAT-0设备只在3GPP 的Release12中规定，所以在网络侧需要进行软件更新才能支持该标准。
3. Cat-M1设备
线型灯
标准LTE设备的20MHz带宽是增加LTE产品复杂度和功耗的一个主要原因，所有LTE设备类型的LTE设备被要求能检测控制信道或者在某个信道接收数据，这些信道的带宽最大能到20MHz这么宽。对于IoT设备来说，速率是次要的。LTE Category M1设备 Cat-M1设备，是在3GPP Release 13标准中制定的，他的最大工作带宽只有1.4MHz，所能支持的最大速率是1Mbps。这需要对LTE的物理层进行修改，因为标准的LTE控制信道一般都是工作在标准的LTE信道带宽（比如说20MHz）。为了满足Cat-M1设备的需求，LTE标准新增了几个控制信道，这些控制信道对标准LTE设备是不可见的，并且带宽只有1.4MHz。要注意的是，LTE总的占用频谱宽度仍旧是20MHz，但是CAT-M1设备只占用其中的1.4MHz带宽。为了能扩展扇区覆盖范围或者为了进一步改善室内覆盖，信号信息和用户数据可以重复传输，但是这样做会增加额外的冗余。跟CAT-0设备一样，CAT-M1类型设备一样也要对网络进行软件升级。如果不升级，CAT-M1设备甚至不能搜索到网络，因为针对CAT-M1的新的信号频道都没有广播数据出来。很多资料提到了CAT-M设备，那么CAT-M和CAT-M1之间有什么区别呢？我觉得他们指的是一个东西。有些人的观点是CAT-M被改名成了CAT-M1，因为3GPP IoT工作组在Releas e 13规定中引入了新的窄带物联网标准，现在这个标准叫NB-IOT，也叫CAT-M2。
吸咪头4. NB-IoT/Cat-M2设备
事实上，前面的三种类型设备只是对现有3GPP LTE标准的细枝末节的修改，NT-IOT工作组致力于提出了一个更加激进的技术方案。在3GPP内部，针对NO-IOT的技术方案有几个在学习研究中，在3GPP TR45.820里面，里面有500多页详细介绍了这些技术方案。在2015年9月，3GPP终于达成了一致， 从中选择了一种解决方案。关于这个决策的细节现在归档在NB-IOT工作组的描述文档中，可以参考RP-151620。
可以用在任何地方的超窄带，物联网模块的成本要很低，必须低于5美金一块，速率可以非常低，这样可以降低功耗，增强室内覆盖范围，NB-IoT对于曾经针对移动宽带应用的LTE技术来说，是一个革命性的突破：NB-IOT的工作带宽只有180KHz。这个带宽跟移动宽带LTE的20MHz带宽来说是太小了，更别用说那些三倍于20MHz带宽的载波聚合设备，现在的载波聚合设备可以绑定3个下行信道。不仅如此，NB-IOT信道也是用和LTE物理层一样的正交频分复用技术，采用相同的子载波空间，OFDM符号周期，时隙格式，时隙长度和子帧时长，而且还是用相同的LTE的RLC，RRC和MAC协议。
部署灵活和后向兼容 NB-IOT的180KHz带宽还有一个很显著的特点是，它的部署可以有3
种不同的方案，如图-1-所示。一个方案是在LTE带宽内部署一个或几个NB-IOT信道。第二种方案是使用LTE全信道的保护信道.第三种方案是直接将一个GSM信道替换成NB-IOT信道。所有这三种部署都是后向兼容的，也就是说那些不具备NB-IOT特性的LTE设备将不会在LTE主信道中看到NB-IOT信道，或者在保护带宽里面也看不到。传统的GSM设备也不会在GSM的180KHz载波信号里面检测出NB-IoT载波信号。这些设备只会把NB-IoT信号识别成噪音。
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