爲物聯網而生:NB-IOT技術漫談

NB-IoT,你以為是Niubility Internet of Thing?不不不,NB-IoT是指窄帶物聯網(Narrow Band -Internet of Things)技術。

為物聯網而生:NB-IOT技術漫談

一、為什麼NB-IoT會出現?

據預測,2016年全球將會使用64億個物聯網設備每天將有550萬個設備連網,而“萬物互聯”實現的基礎之一在於數據的傳輸,不同的物聯網業務對數據傳輸能力和實時性都有著不同要求。

根據傳輸速率的不同,可將物聯網業務進行高、中、低速的區分:

高速率業務:主要使用3G、4G技術,例如車載物聯網設備和監控攝像頭, 對應的業務特點要求實時的數據傳輸;

中等速率業務:主要使用GPRS技術,例如居民小區或超市的儲物櫃,使用頻率高但並非實時使用,對網絡傳輸速度的要求遠不及高速率業務;

低速率業務:業界將低速率業務市場歸納為LPWAN(Low Power Wide Area Network)市場,即低功耗廣域網。目前還沒有對應的蜂窩技術,多數情況下通過GPRS技術勉力支撐,從而帶來了成本高、影響低速率業務普及度低的問題。

也就是說目前低速率業務市場急需開拓,而低速率業務市場其實是最大的市場,如建築中的滅火器、科學研究中使用的各種監測器,此類設備在生活中出現的頻次很低,但彙集起來總數卻很可觀,這些數據的收集用於各類用途,比如改善城市設備的配置等等。

而NB-IoT就是一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN(低功耗廣域網)技術,可以幫助我們解決這個問題。

二、NB-IoT的優勢是什麼?

作為一項應用於低速率業務中的技術,NB-IoT的優勢不難想象:

強鏈接:在同一基站的情況下,NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。一個扇區能夠支持10萬個連接,支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。舉例來說,受限於帶寬,運營商給家庭中每個路由器僅開放8-16個接入口,而一個家庭中往往有多部手機、筆記本、平板電腦,未來要想實現全屋智能、上百種傳感設備需要聯網就成了一個棘手的難題。而NB-IoT足以輕鬆滿足未來智慧家庭中大量設備聯網需求。

高覆蓋:NB-IoT室內覆蓋能力強,比LTE提升20dB增益,相當於提升了100倍覆蓋區域能力。不僅可以滿足農村這樣的廣覆蓋需求,對於廠區、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。以井蓋監測為例,過去GPRS的方式需要伸出一根天線,車輛來往極易損壞,而NB-IoT只要部署得當,就可以很好的解決這一難題。

低功耗:低功耗特性是物聯網應用一項重要指標,特別對於一些不能經常更換電池的設備和場合,如安置於高山荒野偏遠地區中的各類傳感監測設備,它們不可能像智能手機一天一充電,長達幾年的電池使用壽命是最本質的需求。NB-IoT聚焦小數據量、小速率應用,因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小,設備續航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

低成本:與LoRa相比,NB-IoT無需重新建網,射頻和天線基本上都是複用的。以中國移動為例,900MHZ裡面有一個比較寬的頻帶,只需要清出來一部分2G的頻段,就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優勢。模塊預期價格不超過5美元。

不過,NB-IoT仍有著自身的侷限性。在成本方面,NB-IoT模組成本未來有望降至5美元之內,但目前支持藍牙、Thread、ZigBee三種標準的芯片價格僅在2美元左右,僅支持其中一種標準的芯片價格不到1美元。巨大的價格差距無疑將讓企業部署NB-IoT產生顧慮。

此外,大部分物聯網場景如智能門鎖、數據監測等並不需要實時無線聯網,僅需近場通信或者通過有線方式便可完成。若更換NB-IoT,是否物有所值?

三、NB-IoT的產業鏈

相對於傳統產業,物聯網的產業生態比較龐大,需要從縱向產業鏈和橫向技術標準兩個維度多個環節進行分析。

對於低功耗廣域網絡,從縱向來看,目前已形成從“底層芯片—模組—終端—運營商—應用”的完整產業鏈。

而其中,芯片在NB-IoT整個產業鏈中處於基礎核心地位,現在幾乎所有主流的芯片和模組廠商都有明確的NB-IoT支持計劃。

華為收購公司Neul的芯片實現的比較早,已有測試樣片;

高通的芯片預計會在2016年四季度階段發佈,而且高通的芯片是NB-IoT和eMTC雙模的芯片;

Intel的芯片預計今年四季度會提供第一批的芯片,但是主要是以測試為主,商用芯片也是在明年年初發布;

MTK的芯片也在研發當中,明年上半年會發布;

中興微、大唐的芯片也都在研發當中。

下面我們就選取華為和高通兩家來具體聊聊。

1、 華為

作為NB-IoT的積極參與者華為而言,NB-IoT是一個大戰略,據說華為所有的部門都積極參與其中。

其實早在2014年,華為就斥資2500萬美元收購了英國領先的蜂窩物聯網芯片和解決方案提供商Neul,還計劃以Neul為中心,打造一個全球級物聯網。

不出所料,在標準公佈後,Neul即將在本月底火速推出NB-IoT商用芯片,這將會是業內第一款正式商用的NB-IoT芯片,而且其芯片價格向短距離通信芯片價格靠近。

據悉,華為推出的NB-IoT芯片在硬幣大小的尺寸內集成了BB和AP、Flash和電池管理,並預留傳感器集成功能。其中AP包含三個ARM-M0內核,每個M0內核分別負責應用、安全、通信功能,這樣在方便進行功能管理的同時降低成本和功耗,後續推出的芯片還將會集成Soft SIM,進一步降低成本。

另外,在九月底提供第一批芯片之後,華為還將會和ublox、移遠合作提供第一批的商用模組,商用模組大概是在10月中旬或下旬發佈。第一批提供的量並不大,明年年初將大規模商用。

除了芯片以外,華為在NB-IoT領域的佈局可謂是全方位覆蓋式的。

在今年的世界移動大會物聯網峰會上,華為正式面向全球發佈了端到端NB-IoT解決方案,主要包括:Huawei Lite OS與NB-IoT芯片使能的智能化終端方案、平滑演進到NB-IoT的eNodeB基站、可支持Core in a Box或NFV切片靈活部署的IoT Packet Core、基於雲化架構並具有大數據能力的IoT聯接管理平臺等,滿足了運營商IoT業務低功耗廣域覆蓋的核心需求。

另外在上個月舉辦的第二屆中國NB-IoT產業聯盟高峰論壇上,華為的NB-IoT項目負責人許海平更是表示了華為正在建設的開放實驗室將更好地為NB-IoT端到端業務服務。“從今年開始,華為在全球設立了七個開放實驗室,現已開放了兩個,一個是沃達豐,另外一個是華為的上研所。開放實驗室主要是搭建整套的端到端NB-IoT環境,提供NB-IoT的芯片和模組,和一些關係比較密切的合作廠商一起來做端到端的對接,包括芯片模組的集成、後端的聯接管理平臺、業務服務器的對接等。沃達豐的開放實驗室主要是針對的歐洲的合作廠商,上海的實驗室主要是針對中國區的,九月份還將在韓國成立一個open lab,意大利等國家也會相繼推進。”

2、高通

高通認為在未來5年裡,從物聯網的角度來說,LTE依然是發展基礎。3GPP Release 13下引入的NB-IoT將繼續隨著3GPP的發展而演進,大規模物聯網(Massive IoT)所需的低成本、低功耗等將依靠LTE NB-IoT技術從蜂窩連接的方面推動其發展,為物聯網5G技術發展打好基礎。

高通今年年初推了的MDM 9×07,支持Cat 4,最高支持150Mbps;另外一個是MDM 92071,支持Cat 1的標準;還有去年10月推出的MDM 9206,支持CatM1,後期通過軟件升級可以支持NB-IoT。模塊OEM廠商預計將於2017年初發布基於MDM 9206、支持Cat M1的模塊,而對於Cat NB1的支持預計在此之後不久,通過軟件升級的方式實現。

另外,在目前的Release 13中,NB-IoT不支持VoLTE,不過在未來的Release 14中,高通就會嘗試增加語音功能的支持。隨著NBIoT不斷演進,高通希望它能為適用於5G的物聯網標準打下基礎。

講完了芯片廠商,下面來講講運營商。

從去年開始,包括中國、韓國、歐洲、中東、北美的多家主流運營商已經開展了基於pre-standard 的NB-IoT技術的試點,並開啟了端到端的技術和業務驗證。

1、中國電信

中國電信正在積極跟進NB-IoT技術發展,並正式立項對NB-IoT關鍵技術、終端和業務開展研發。在具體部署方案上,將基於全覆蓋的800M LTE網絡部署NB-IoT;基站同時支持LTE和NB-IoT與800MLTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。同時,為了規避可能的頻率干擾,並考慮LTE800後續演進的靈活性,優先考慮獨立工作模式。

另外,在今年7月召開的“2016年天翼智能終端交易博覽會”上,中國電信聯合高通、華為、中興、英特爾、博世、SAP、IBM、愛立信、深創投、中科院上海微系統所、北郵和東南大學12家單位,共同發起成立“天翼物聯產業聯盟”。

2、中國移動

對於中國移動來說,其公眾物聯網平臺自2014年11月底正式商用,截至今年6月,用戶已超過2700萬。目前,中國移動正加快推進全球統一標準窄帶物聯網產業成熟和物聯網應用創新,構建物聯網開放實驗室,促進芯片和模組成熟發展,打造一張低成本、低功耗、廣覆蓋、高可靠的公共物聯網,力爭2017年實現商用。為了建設NB-IoT物聯網,預計在2016年年底至2017年年中,中移動將會獲得FDD牌照,並且允許重耕現有的900MHz、1800MHz頻段。

3、中國聯通

中國聯通在2015年7月,建成並開放全球第一個NB-IoT新技術示範點;2016年上半年上海迪斯尼物聯網啟動商用; 2015年-2016年開展了NB-IoT業務試點及試驗,目前正推進重點城市(北京、上海、廣州、深圳、銀川、長沙、福州)的NB-IoT商用部署,計劃在2017年實現規模商用,2018年則將開始全面推進國家範圍內的商用部署。

中國聯通部署在900MHz、1800MHz頻段,用於NB-IoT和VoLTE。在900 MHz採用DSSS動態頻譜解決方案,在1800MHz連續覆蓋區域,部署5MHz帶寬的LTE,在沒有1800MHz連續覆蓋的區域,帶寬自動縮窄到 3MHz,但中心頻點保持不變,兩側空出的頻譜,自動部署14個GSM頻點。

從橫向來看,產業鏈每一環節都有NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu等不同技術標準的廠商存在。

說到這些,不得不重提下之前的LPWAN,NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu都是LPWAN的分支。

像Lora、Sigfox等,屬於工作在非授權頻段的技術,這類技術大多是非標、自定義實現;而像GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術是工作在授權頻段的技術,這類技術基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術的相關標準)或3GPP2(主要制定CDMA相關標準)等國際標準組織進行了標準定義。

下面我們會選取目前已形成較為完善產業生態的NB-IoT和LoRa兩種技術標準,對每一環節的市場集中度進行大體預估,集中度的大小反映在下圖對應矩形框的長度,長度越長,集中度越高,長度越短,集中度越小。(集中度越高表示市場壟斷率越高)

而其中,芯片在NB-IoT整個產業鏈中處於基礎核心地位,現在幾乎所有主流的芯片和模組廠商都有明確的NB-IoT支持計劃。

華為收購公司Neul的芯片實現的比較早,已有測試樣片;

高通的芯片預計會在2016年四季度階段發佈,而且高通的芯片是NB-IoT和eMTC雙模的芯片;

Intel的芯片預計今年四季度會提供第一批的芯片,但是主要是以測試為主,商用芯片也是在明年年初發布;

MTK的芯片也在研發當中,明年上半年會發布;

中興微、大唐的芯片也都在研發當中。

下面我們就選取華為和高通兩家來具體聊聊。

1、 華為

作為NB-IoT的積極參與者華為而言,NB-IoT是一個大戰略,據說華為所有的部門都積極參與其中。

其實早在2014年,華為就斥資2500萬美元收購了英國領先的蜂窩物聯網芯片和解決方案提供商Neul,還計劃以Neul為中心,打造一個全球級物聯網。

不出所料,在標準公佈後,Neul即將在本月底火速推出NB-IoT商用芯片,這將會是業內第一款正式商用的NB-IoT芯片,而且其芯片價格向短距離通信芯片價格靠近。

據悉,華為推出的NB-IoT芯片在硬幣大小的尺寸內集成了BB和AP、Flash和電池管理,並預留傳感器集成功能。其中AP包含三個ARM-M0內核,每個M0內核分別負責應用、安全、通信功能,這樣在方便進行功能管理的同時降低成本和功耗,後續推出的芯片還將會集成Soft SIM,進一步降低成本。

另外,在九月底提供第一批芯片之後,華為還將會和ublox、移遠合作提供第一批的商用模組,商用模組大概是在10月中旬或下旬發佈。第一批提供的量並不大,明年年初將大規模商用。

除了芯片以外,華為在NB-IoT領域的佈局可謂是全方位覆蓋式的。

在今年的世界移動大會物聯網峰會上,華為正式面向全球發佈了端到端NB-IoT解決方案,主要包括:Huawei Lite OS與NB-IoT芯片使能的智能化終端方案、平滑演進到NB-IoT的eNodeB基站、可支持Core in a Box或NFV切片靈活部署的IoT Packet Core、基於雲化架構並具有大數據能力的IoT聯接管理平臺等,滿足了運營商IoT業務低功耗廣域覆蓋的核心需求。

另外在上個月舉辦的第二屆中國NB-IoT產業聯盟高峰論壇上,華為的NB-IoT項目負責人許海平更是表示了華為正在建設的開放實驗室將更好地為NB-IoT端到端業務服務。“從今年開始,華為在全球設立了七個開放實驗室,現已開放了兩個,一個是沃達豐,另外一個是華為的上研所。開放實驗室主要是搭建整套的端到端NB-IoT環境,提供NB-IoT的芯片和模組,和一些關係比較密切的合作廠商一起來做端到端的對接,包括芯片模組的集成、後端的聯接管理平臺、業務服務器的對接等。沃達豐的開放實驗室主要是針對的歐洲的合作廠商,上海的實驗室主要是針對中國區的,九月份還將在韓國成立一個open lab,意大利等國家也會相繼推進。”

2、高通

高通認為在未來5年裡,從物聯網的角度來說,LTE依然是發展基礎。3GPP Release 13下引入的NB-IoT將繼續隨著3GPP的發展而演進,大規模物聯網(Massive IoT)所需的低成本、低功耗等將依靠LTE NB-IoT技術從蜂窩連接的方面推動其發展,為物聯網5G技術發展打好基礎。

高通今年年初推了的MDM 9×07,支持Cat 4,最高支持150Mbps;另外一個是MDM 92071,支持Cat 1的標準;還有去年10月推出的MDM 9206,支持CatM1,後期通過軟件升級可以支持NB-IoT。模塊OEM廠商預計將於2017年初發布基於MDM 9206、支持Cat M1的模塊,而對於Cat NB1的支持預計在此之後不久,通過軟件升級的方式實現。

另外,在目前的Release 13中,NB-IoT不支持VoLTE,不過在未來的Release 14中,高通就會嘗試增加語音功能的支持。隨著NBIoT不斷演進,高通希望它能為適用於5G的物聯網標準打下基礎。

講完了芯片廠商,下面來講講運營商。

從去年開始,包括中國、韓國、歐洲、中東、北美的多家主流運營商已經開展了基於pre-standard 的NB-IoT技術的試點,並開啟了端到端的技術和業務驗證。

1、中國電信

中國電信正在積極跟進NB-IoT技術發展,並正式立項對NB-IoT關鍵技術、終端和業務開展研發。在具體部署方案上,將基於全覆蓋的800M LTE網絡部署NB-IoT;基站同時支持LTE和NB-IoT與800MLTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。同時,為了規避可能的頻率干擾,並考慮LTE800後續演進的靈活性,優先考慮獨立工作模式。

另外,在今年7月召開的“2016年天翼智能終端交易博覽會”上,中國電信聯合高通、華為、中興、英特爾、博世、SAP、IBM、愛立信、深創投、中科院上海微系統所、北郵和東南大學12家單位,共同發起成立“天翼物聯產業聯盟”。

2、中國移動

對於中國移動來說,其公眾物聯網平臺自2014年11月底正式商用,截至今年6月,用戶已超過2700萬。目前,中國移動正加快推進全球統一標準窄帶物聯網產業成熟和物聯網應用創新,構建物聯網開放實驗室,促進芯片和模組成熟發展,打造一張低成本、低功耗、廣覆蓋、高可靠的公共物聯網,力爭2017年實現商用。為了建設NB-IoT物聯網,預計在2016年年底至2017年年中,中移動將會獲得FDD牌照,並且允許重耕現有的900MHz、1800MHz頻段。

3、中國聯通

中國聯通在2015年7月,建成並開放全球第一個NB-IoT新技術示範點;2016年上半年上海迪斯尼物聯網啟動商用; 2015年-2016年開展了NB-IoT業務試點及試驗,目前正推進重點城市(北京、上海、廣州、深圳、銀川、長沙、福州)的NB-IoT商用部署,計劃在2017年實現規模商用,2018年則將開始全面推進國家範圍內的商用部署。

中國聯通部署在900MHz、1800MHz頻段,用於NB-IoT和VoLTE。在900 MHz採用DSSS動態頻譜解決方案,在1800MHz連續覆蓋區域,部署5MHz帶寬的LTE,在沒有1800MHz連續覆蓋的區域,帶寬自動縮窄到 3MHz,但中心頻點保持不變,兩側空出的頻譜,自動部署14個GSM頻點。

從橫向來看,產業鏈每一環節都有NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu等不同技術標準的廠商存在。

說到這些,不得不重提下之前的LPWAN,NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu都是LPWAN的分支。

像Lora、Sigfox等,屬於工作在非授權頻段的技術,這類技術大多是非標、自定義實現;而像GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術是工作在授權頻段的技術,這類技術基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術的相關標準)或3GPP2(主要制定CDMA相關標準)等國際標準組織進行了標準定義。

下面我們會選取目前已形成較為完善產業生態的NB-IoT和LoRa兩種技術標準,對每一環節的市場集中度進行大體預估,集中度的大小反映在下圖對應矩形框的長度,長度越長,集中度越高,長度越短,集中度越小。(集中度越高表示市場壟斷率越高)


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