Cat.1 vs. NB-IoT，你的選擇是？
2021-04-19
作者
路飛，EE Times China
對於物聯網標準的選擇，中國在政策的大力支持下傾向大一統，國外則百花齊放。但從全球來看，不同國家和地區無法用一個絕對的標準去衡量，需要找到適合自己的技術和部署節奏…
隨著2G/3G的退網，基於這些蜂巢網路的物聯網業務將遷至何處？
2020年5月，中國工信部發佈《關於深入推進行動物聯網全面發展的通知》，提出了行動物聯網發展的主要目標和任務，並在政策層面定調NB-IoT、4G (含LTE-Cat.1)及5G將共同建構下一代行動物聯網。
依照網路速率劃分，目前的蜂巢物聯網連接可以看作一個「1-3-6」比例的金字塔，最上層的10%是「高速率業務」，中間30%是「中速率業務」，位於底層的60%為「窄頻業務」，也就是低速率業務。
以網路傳輸速率劃分蜂巢物聯網連接。
目前產業內主要用Cat.4以上及5G承載高速率、低延遲業務，低速率大部分採用NB-IoT，中速率和語音需求則可以用Cat.1或eMTC(即Cat. M1)承載。eMTC與Cat.1有很多相似之處，曾一度被業界看好，但需要基礎設施建設和重新規劃頻率資源，基地台和核心網都需軟體升級，所以在中國市場幾乎沒有建立生態系統。
根據Strategy Analytics報告，到2025年，全球蜂巢物聯網連接數將增長到23億，以兩者相加90%的市佔而言，NB-IoT和Cat.1無疑面臨巨大的市場機會。但NB-IoT是窄頻物聯網(頻寬僅180kHz)，低速率的特性決定了它承接不了2G/3G退網後的全部業務。Cat.1在獨攬30%的中速率市場後，是否有實力搶佔NB-IoT的部分低速率市場，或是憑藉成本優勢拿下原本屬於Cat.4的下沉市場，有待觀察和市場回饋。
價格戰是NB-IoT發展初期必經之路
之前產業鏈花了多年時間佈局NB-IoT，在補貼和價格敏感型大規模採購的刺激下，很多晶片和模組廠商進來了。但競爭的加劇導致終端起量的同時，晶片和模組價格逐漸觸底，廠商毛利率很低。
首批進入NB-IoT市場的晶片原廠之一聯發科技(MediaTek)，幾年下來NB-IoT晶片已經出貨數千萬顆。在接受《電子工程專輯》中國版採訪時，他們認為在參與各大標案時最大的感受，是近年來營運商招標採購規模的逐年上升。該公司表示，「市場在整合資費方案的大型採購案模式下，確實能發揮激勵的作用，使得特定應用市場能夠快速發展，對於NB-IoT具有相當正面的鼓勵帶動作用。」
公開資料顯示，2017年中國電信NB-IoT模組集採(編按：集體購買相同品牌產品)，招標規模為50萬片，得標價格為人民幣36元；2018年中國聯通展開NB-IoT模組集採，招標規模為300萬片，得標價格為人民幣25~32元；2019年中國行動NB-IoT模組集採，招標規模500萬片，得標價格為人民幣19~30元；2020年，在天翼電信終端江蘇分公司NB-IoT物聯網模組集採中，得標價格下探至人民幣15元以內。
目前，NB-IoT模組的價格已基本和2G模組齊平。模組得標價格的不斷下降，雖然在某些層面能推動NB-IoT產業的規模化發展，但其中確實有不少廠商因為種種原因，以極低的價格來投標，就算最後得標，可能都無法在合理利潤下提供服務。聯發科技把物聯網建設比作一場「馬拉松競賽」，看的是10年以上的服務有效期。要讓NB-IoT產業健康、持續地發展，應該要在現在的基礎上，追求技術演進，提供品質更穩定、使用者體驗更好的產品，創造多贏合作，形成良性輪迴。
對此，物聯網無線通訊模組供應商中國移遠通信(Quectel)副總經理孫延明認為，NB-IoT發展前期確實有許多企業加入到生態圈中，不過在競爭激烈的情況下，具有穩定且規模化出貨量的模組商並不多。產業要持續健康發展，生態鏈企業還需把主要精力放在加大研發投入和完善服務品質上，不斷為客戶提供品質好、功能完善、性價比高的解決方案。
雖然當前NB-IoT晶片和模組價格競爭壓力很大，但物聯網無線通訊模組供應商中國利爾達(Lierda)認為，這與任何一種新事物出現與發展的規律一樣，先期都需要經過市場的不斷磨合與調節，最終才會出現一個長期平穩的局面。至少未來5年，NB-IoT還大有可為，站在模組供應商的角度，利爾達認為應該在原有NB-IoT產業應用的基礎上，更深入地進入各產業挖掘更多的產業解決方案，開拓更多產業應用。
利爾達補充，「而且，國際電信聯盟(ITU)已將NB-IoT納入5G體系，今後NB-IoT的技術演進將與5G同步，這對NB-IoT產業來說是個極大利多。」。
NB-IoT晶片供應商數量遠勝Cat.1
2020年7月3日，國際標準組織3GPP終於宣佈第二版規範Release 16 (R16)凍結。同年7月9日，國際電信聯盟召開的ITU-R WP5D會議上，3GPP 5G技術因滿足IMT-2020 5G技術標準的各項指標要求，正式被接受為ITU IMT-2020 5G技術標準，其中包括中國提交的3GPP NR + NB-IoT RIT、韓國提交的3GPP NR RIT，以及3GPP提交的NR+LTE SPRIT和NR RIT。
NB-IoT晶片廠商數量眾多，包括高通(Qualcomm)、華為海思(HiSilison)、聯發科技、紫光展銳(UNISOC)、銳迪科(RDA)、移芯通信科技、翼芯資訊科技等近20家。在輪番競爭下，一些廠商還在持續投入研發，但也有放棄轉型的，受多種因素影響，NB-IoT晶片市場格局尚未定型，新晉勢力挑戰產業龍頭的情況也是常態。
自正式被納入5G標準體系後，紫光展銳、華為海思等原廠也先後推出基於最新R16標準設計的5G NB-IoT晶片，大多實現了與上一代產品的設計相容，價格上也更具優勢。
反觀之前的Cat.1晶片，很多是Cat.4「魔改」(編按：指對一個既有的作品或事物進行大幅度、違背原作本意的修改)而來。早在2015年1月，通訊晶片廠商Sequans率先發佈LTE Cat.1晶片Calliope；2015年下半年，Altair推出Cat.1的單模LTE晶片，同期高通也推出了其首款Cat.1晶片MDM9207-1。但是這幾款晶片與當時的中國市場情況不是很吻合，當時主流的Cat.1模組都是基於高通MDM9207-1，成本超過人民幣百元。
而專用晶片的硬體架構更簡單，能夠在降低成本的同時，有效降低終端功耗。隨著紫光展銳、翱捷科技(ASR)等廠商發佈高性價比Cat.1專用晶片，例如紫光展銳的春藤8010DM、高通的MDM9X07和ASR的3601，某些採用專用Cat.1晶片的模組，在待機和工作模式下，功耗都比Cat.4降低了50%以上。
不過，現階段Cat.1晶片原廠較少，國外以高通為主，輔以Sequans、Altair，中國主要是紫光展銳和ASR。各家方案大同小異，在技術方案沒有差異的情況下，就變成了在價格上比拼，目前很多模組廠商在用成本價甚至是低於成本價搶佔Cat.1市場。利爾達透露，今年下半年中國其他晶片廠商的Cat.1晶片會陸續推出，方案和成本差異化增加之後，相信這種價格的惡性競爭局面會有所改善。
Cat.1不是新標準
實際上Cat.1至少已經存在了10年以上，早在2009年發佈的3GPP Release 8中就被正式定義。而中國工信部發文中提及的Cat.1已不再是狹義的初代LTE定義，它有包含在2016年發佈的3GPP Release13中補充了LTE Cat.1 bis在內的更廣泛的內涵。
其實，Cat.1 bis的出現和發展的原始驅動力來自穿戴式裝置的尺寸限制。
在2015年4月，第一代智慧手錶產品正式發售，開啟了可穿戴產品的時代。但是，早期的穿戴式裝置主要以智慧型手機伴侶形態出現，並不具備獨立的蜂巢通訊功能，還不是絕對意義上的獨立品項。究其根源，在於穿戴式裝置因追求極致尺寸、有著強烈的小型化設計需求，而傳統4G蜂巢終端必選的2Rx (雙接收天線)天線擺放異常艱難，即使強行放入，分集接收效果也會大打折扣。
在當時，官方具備1Rx (單接收天線)接收規格的終端能力等級僅限Cat.0/Cat.M1/Cat.NB1，這些標準最高1Mbps的極限吞吐不足以滿足穿戴式裝置應用的用戶體驗。意味著，亟需制定適用於穿戴式產品的單天線終端能力新等級。
有鑑於此，2016年6月至2017年3月，3GPP RAN#73~#75標準全會就該單天線終端能力新等級做了討論與定義，最終在2017年3月9日，將初代LTE Cat.1作為技術錨點，定義出了符合中速人連/物連應用場景且具備完善與舊版相容能力的終端能力等級Cat.1 bis。
雖然其原始驅動力僅來自穿戴式產品，但Cat.1 bis終端能力新等級既能滿足中速人連/物連品類的資料輸送量需求，又能提供相比傳統LTE更好的成本與更小的尺寸，還能在現有4G接入網幾乎零改造前提下實現快速部署。
NB-IoT廠商進入Cat.1難嗎？
從營運商的補貼、基地台佈局來看，Cat.1正受到熱捧，跟進的模組廠商也有將近20多家。
這是「因為Cat.1與Cat.4系出同源，均基於成熟的LTE網路，營運商無需升級網路，只需簡單的參數配置，允許Cat.1終端接入網路即可，這為Cat.1的規模商用創造了良好的前提條件。」廣和通(Fibocom)在接受《電子工程專輯》中國版採訪時表示，Cat.1成為「網紅」不是偶然現象，其對比Cat.4具備高性價比低功耗的特點，能夠承接Cat.4下沉市場，順應了2/3G退網的市場發展需求。
2G、3G、4G、5G與Cat.系列標準的應用落點示意圖。
利爾達認為，從應用上Cat.1技術已經在POS機、共享、太陽能、支付等領域實現批量，2G退網後很大一部分市場也都會用Cat.1來替代。利爾達並表示，「所以Cat.1不但會遍地開花，市場容量和競爭激烈程度都會比NB-IoT大很多倍。目前出貨量大的產業如POS機、共享單車，領先模組廠商都盯得很緊，價格戰也非常激烈。建議新創公司關注小眾市場，出貨量和毛利達到一個平衡是一個較好的切入點。」
以前的NB-IoT方案商，想進入Cat.1市場有難度嗎？以利爾達為例，當前一些NB-IoT模組廠商，很多同時也在2G、3G、Cat.4和Cat.1上有成熟產業解決方案的OpenCPU開發應用經驗，所以對Cat.1的開發不僅沒太大難度，反而還有產業應用開發的經驗優勢。這對Cat.1的後續定義及規劃很有幫助，還能在Cat.1應用到各產業時少走很多彎路。
利爾達表示，「NB-IoT和Cat.1雙管齊下，兩者相輔相成，覆蓋蜂巢物聯網80%以上領域。這也是大多數晶片廠商和模組廠商現在乃至今後會一直走的路。」
移遠通信在早期就同時投入NB-IoT和Cat.1兩種技術的研發，來滿足不同細分市場的連接需求，保障各種物聯網應用盡可能的透過最恰當的方式接入網路。據悉，在整個生態積極推進Cat.1的背景下，移遠通信也已經基於多款中國國產高性價比晶片平台推出了Cat.1模組產品組合。
孫延明認為，2G/3G物聯網業務向NB-IoT/Cat.1等網路轉移這一發展大方向已經非常明確，這對整個物聯網產業來說是好事。不過，通訊模組這個細分產業對技術支援服務、產品反覆運算、產品客製化能力要求非常高，非常考驗模組廠商的研發實力和服務水準。比如，Cat.1適用的場景非常廣泛，從POS機到公網對講機、工業閘道、雲端喇叭等，「這就要求模組商在提供研發支援時，不僅要熟悉模組，還要深諳客戶應用場景的特點，在把客戶問題解決掉的同時，更要説協助客戶規避潛在問題。」孫延明補充。
是敵，是友？
目前市場上有兩種聲音，第一種是Cat.1將搶佔NB-IoT市場，逐步蠶食；第二種認為NB-IoT與Cat.1屬於互補關係，且ITU已將NB-IoT技術納入5G標準體系，是未來5G非常重要的一個超大規模低速接入切片。
表1：NB-IoT與Cat.1技術比較。
從技術上看，Cat.1和Cat.4同屬LTE 4G範圍，Cat.1上行峰值速率是5Mbps，下行峰值速率是10Mbps，可以承接大部分Cat.4市場，以及原本2G需要語音業務的市場。據廣和通透露，原有的Cat.4的市場共用經濟、公網對講機、IPC等產業均已有切換Cat.1的成功案例且終端出貨量穩步上升。NB-IoT則屬於5G標準體系，與5G NR共存、頻譜共用，和屬於LTE家族的Cat.1技術相比，雖都屬於蜂巢物聯網，但各有適合的市場和應用，具有不可替代性。
應用的界限上，在2/3G退網的時代背景之下，需要有新的技術進行填補，目前對行動性+語音的中速場景性能有需求的應用包括POS機、車載定位、公網對講、穿戴式裝置、共用設備等，這些應用更適合採用Cat.1來進行產品智慧化升級。目前已有一些支持Cat.1終端應用陸續上市，甚至進入規模量產階段。
除了在行動性、傳輸速率、語音通話等方面外，利爾達認為Cat.1相較於NB-IoT還有這些優勢：
1.成熟的LTE網路覆蓋，推廣時無需重新布網即可完成新舊更迭；
2.高於2/3G的網速，滿足即時性更高的語音等業務場景；
3.低於4G的成本。Cat.4及以上方案雖然支援速率高，但對於物聯網產業而言成本較高，Cat.1的高整合提供了最佳性價比；
4.功耗小。尤其是採用專用Cat.1晶片讓終端側複雜度降低，硬體架構更簡單，能夠有效降低功耗。
NB-IoT的優勢，實現在低功耗與低成本。在靜態、窄頻小資料上報、傳輸頻次不高、行動性要求不高的應用中，NB-IoT是最佳選擇。如智慧表計、智慧城市、智慧煙霧感測、智慧家庭等低頻使用和成本敏感型客戶，尤以在無線水氣熱抄表產業已非常成熟，幾乎成為主要的抄表連接方式。
孫延明認為，在物聯網產業，沒有萬能的通訊技術，只有更適合的技術，這是由物聯網應用場景的「碎片化」決定。對於少數場景來說，確實存在可以同時用兩種技術的可能，在技術出現初期需要一定時間去磨合、選擇，客戶最終需要根據終端的市場定位、應用場景、使用地區去選擇最貼近其需求的技術。「無論從技術層面還是政策層面，NB-IoT和Cat.1都是支撐未來中低速場景應用的優勢技術，相信二者將合力共同促進物聯網產業的發展。」孫延明補充。
表2：2/3G退網後的業務遷移趨勢。
2G退網後，預計80%的業務將遷移到NB-IoT，20%的業務遷移到Cat.1；3G業務將100%遷移到Cat.1,甚至Cat.4也會有60%的業務被Cat.1搶佔。據5G物聯網產業聯盟資料，2021年NB-IoT將新增連接數1億個，Cat.1新增連接數也將達到5,000萬個。
從演進趨勢來看，NB-IoT、LTE Cat.1、LTE Cat.4、5G sub-6GHz將形成階梯覆蓋，主宰未來幾年的蜂巢物聯網發展趨勢。所以NB-IoT和Cat.1是敵是友不好說，但eMTC市場確定會被擠壓。
從模組廠到終端廠商的選擇
模組廠商是各類通訊標準應用的風向指標，他們直接承載和反應了下游終端客戶的需求；在為產品選擇蜂巢標準、晶片時，自然也會自己的考量。幾家模組廠商都表示，選擇標準時還是主要以客戶需求為導向，看針對什麼產業應用。舉例來說，當前Cat.1的網路覆蓋、網路容量在中國已經相當成熟，產業客戶自然會在2/3G退網，Cat.4降低成本的雙重驅動下選擇Cat.1。
在晶片平台的選擇上，也是基於客戶應用的導向，選擇架構較佳、具有一定處理能力和資源擴展能力，相對成本較低的晶片。孫延明認為模組廠商在選擇晶片選時通常綜合考慮以下方面，形成選擇標準：
1.採用的通訊協議和網路標準，主要鎖定的市場區域；
2.製程先進性，涉及晶圓和封測代工廠商；
3.晶片的體積、功耗、抗干擾性、成本設計；
4.與市場上現有產品的競爭力分析。
站在原廠角度，聯發科技認為除了以上幾點，模組廠在選擇晶片時還應該考慮：硬體品質(高低溫、高濕度等指標)、數據機等軟體穩定度、產品開發能滿足多種終端應用、是否支援全球頻段，以及功耗、性能、行動性等表現。此外晶片廠商的量產、供貨能力，以及公司是否能提供長期而穩定的服務都應該列入考慮。
往更下游到了終端廠商層面，在面對各類物聯網應用時，又該如何選擇通訊技術和標準呢？
首先，在授權(如NB-IoT、Cat.1等)與非授權頻譜技術(如LoRa、Sigfox等)的選擇上，廠商普遍認為授權技術在LPWA場景下擁有非授權技術無可替代的優勢：
1.中國三大營運商所使用的頻段由中國官方統一分配，使用者只能透過電信業者或協力廠商代理商取得授權技術和頻段才能使用相關服務，安全係數及通訊品質較高，且基本不存在被清頻的風險；
2.授權頻譜技術建構於蜂巢網路，可直接部署於GSM網路、UMTS網路或LTE網路，以降低部署成本，實現平滑升級；
3.LoRa和Sigfox的每日傳輸次數有限，適合發揮在沒有即時通訊需求的領域，而授權網路不限制傳輸資訊次數、所攜帶的資料量相對較高，適用於重視網路傳輸穩定性和即時性的智慧工業領域。
由於電信營運商具有長久經營的特性，從長期來看如果網路覆蓋夠好、資費合理，終端廠商會逐漸往蜂巢標準靠攏。但是，非授權頻譜技術由於比較具有彈性，對某些廠商而言比較好部署和掌控，所以同樣會繼續存在。從物聯網連接技術的發展來看，授權與非授權頻譜技術，也是一直都在同步演進。
其次，終端廠商會根據產品將要實現的功能，來選擇最符合需求的通訊標準。孫延明表示，在中國的蜂巢通訊市場上，5G、LTE (Cat.1 + Cat.4)、NB-IoT這三種技術會成為主流，分別覆蓋高中低速廣域場景。他並認為，「授權頻譜技術在通訊安全、網路覆蓋，以及技術演進等多個方面存在明顯的優勢；LoRa、Sigfox等非授權頻譜技術還是以短距離的區域覆蓋為主，兩者在一定程度上繼續保持互補搭配。」
適合中國國情的物聯網之路
根據GSMA資料，自2017年首個NB-IoT網路商用以來，截至2020年12月1日，全球已經有60個國家投資建設了158個NB-IoT網路，其中114個網路已經商用，全球共有近1.5億NB-IoT智慧終端實施部署。這其中，中國截至2020年8月底已建置超過70萬座NB-IoT基地台，實現主要鄉鎮以上區域連續覆蓋，NB-IoT連接數到2020年底新增7,600萬，累計已經突破1.25億，貢獻全球NB-IoT產業鏈90%以上的份額。
NB-IoT或Cat.1在中國部署比較快，在國外則較緩慢，其中原因與各國國情息息相關。2018年底中央經濟工作會議指出，「加快5G商用步伐，加強人工智慧、工業網際網路、物聯網等新型基礎設施建設」，首次新基建概念提出，就把物聯網定位未來國家重點投入發展的基礎建設領域之一。
2020年5月7日，工信部發佈工信廳通信(2020) 25號文，即《工業和資訊化部辦公廳關於深入推進行動物聯網全面發展的通知》，明確NB-IoT和Cat.1為蜂巢物聯網重點承載技術。
利爾達認為，「中國一直比較重視物聯網，特別是蜂巢物聯網的發展。」國家層面的推動，再加上中國蜂巢物聯網市場的需求龐大，晶片廠商、模組商、營運商、產業終端廠商等各方的不斷連動，使得中國NB-IoT和Cat.1得到快速發展。
聯發科技認為，在中國政策的引導下營運商能夠快速部屬網路，加上中國對新技術和智慧化的接受度高、市場大，所以得到迅速發展。早期美國和部分地區選擇了Cat.M，雖然後續又導入NB-IoT，但資源卻被分散了。至於歐洲，本來就是LoRa、Sigfox的發源地，在早期就有了其他物聯網通訊技術的選擇。
關於物聯網標準的選擇，中國在政策的大力支持下傾向大一統，國外則百花齊放。從長遠看，中國的集中整合型模式更利於網路基礎建設和物聯網應用的普及，因為物聯網本身的特性是需求零散性、碎片化，在基礎建設都鋪設好的前提下，上層應用需求自然會整合演化，以規模化的方式實現智慧化和智慧化推動各產業物聯網化，從而實現更多傳統產業轉型升級。
但從世界範圍看，不同國家和地區無法用一個絕對的標準去衡量，不可一概而論，需要找到適合自己的技術和部署節奏。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年4月號
