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一文讀懂 NB-IoT 的現狀、挑戰和前景

2019-08-06

如今,“萬物互聯”的時代帷幕已被物聯網悄然拉開。

“萬物互聯”時代,首先要解決“物”與“網”的連接問題,所以“連接技術”決定了物聯網發展的走向。為滿足物聯網設備的連接需求,LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗廣域網)應運而生。LPWAN 專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計。

物聯網連接技術的世界從來沒有霸主一統江湖。

LoRa 為代表的非授權頻段物聯網和以 NB-IoT 為代表的授權頻段物聯網,各自攻城略地。

筆者在上一篇文章《物聯網中的 LoRa,到底是個什么鬼?》中對 LoRa 技術進行了介紹,本篇文章就來了解一下 NB-IoT 的相關情況。


NB-IoT
知多少?

NB-IoT 是指窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things)技術,是一種低功耗廣域(LPWA)網絡技術標準,基于蜂窩技術,用于連接使用無線蜂窩網絡的各種智能傳感器和設備,聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯網(IoT)市場,是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。

NB-IoT 技術可以理解為是 LTE 技術的簡化版NB-IoT 網絡是基于現有 LTE 網絡進行改造得來的。

LTE 網絡為服務,為手機服務,為消費互聯網服務; NB-IoT 網絡為服務,為物聯網終端服務,為產業互聯網(物聯網)服務。

NB-IoT 使用 License 頻段,可直接部署于 GSM 網絡、UMTS 網絡或 LTE 網絡,與現有網絡共存,以降低部署成本、實現平滑升級。


NB-IoT
的特點

低功耗

低功耗特性是物聯網應用一項重要指標,特別對于一些不能經常更換電池的設備和場合。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

NB-IoT 是基于 LTE 網絡的技術,所以在現網 LTE 網絡的基礎上進行改造,就可以很快組網,很快擴大覆蓋。目前各大運營商仍在大力推動 LTE 網絡建設,也有利于 NB-IoT 的覆蓋改善。

強連接

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。在一個不太大的空間,放置更多設備而互相又不會有干擾,NB-IoT 足以輕松滿足未來智慧家庭中大量設備聯網需求。

廣覆蓋

NB-IoT 室內覆蓋能力強,比 LTE 提升 20dB 增益,相當于提升了 100 倍覆蓋區域能力。不僅可以滿足農村這樣的廣覆蓋需求,對于廠區、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。

NB-IoT 發展歷程和現狀

在過去這幾年,NB-IoT 是當之無愧的行業網紅,備受追捧。三大運營商拼命推動它的商用落地,政府出臺了各項文件政策給它鋪路,設備商們更是不遺余力地進行宣傳造勢。

來回顧一下 NB-IoT 的發展歷程:2013 年,業內相關廠商、運營商展開窄帶蜂窩物聯網發展,起名為 LTE-M;2014 年由沃達豐、中國移動、Orange、意大利電信、華為、諾基亞等公司支持的 LTE-M 3GPP GERAN 工作組立項,被重新命名為 Cellular IoT;2015 年,華為和高通共同宣布了 NB-CIoT 方案;同年 8 月,愛立信聯合幾家公司提出了 NB-LTE 概念;2015 9 月,NB-CIoT NB-LTE 兩個技術方案進行融合,NB-IoT 正式誕生。

NB-IoT 2015 9 3GPP RAN 全會達成一致以后,得到全球大多數的運營商、通訊設備廠商、芯片廠商、終端廠商的支持和響應,這標志著世界范圍的物聯網通信標準已經產生,并將為整個產業鏈帶來巨大商機。

業內人士認為,2016 年是 NB-IoT 商用元年。如同過去十幾年移動互聯網渴望 4G 時代的到來一樣,如今的物聯網也無比渴望著一個深度覆蓋強大的 NB-IoT 蜂窩物聯網基礎網。事實上,2016 6 月才首次完成標準化工作的 NB-IoT 到現在僅僅三年多的時間,飛速發展的 NB-IoT 就走完了 2G 窄帶物聯網用了很多年才走完的路。

政策方面,在 2017 6 月,工信部發布了《關于全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》,通知要求:一是加強 NB-IoT 標準與技術研究,打造完整產業體系;二是推廣 NB-IoT 在細分領域的應用,逐步形成規模應用體系;三是優化 NB-IoT 應用政策環境,創造良好可持續發展條件。

為了配合產業轉型升級,引爆新的經濟增長點,運營商以 NB-IoT 物聯網為突破口,開啟一次次大規模的 NB-IoT 模塊招標來加速 NB-IoT 應用和產業發展。然而,此舉催生了一場模塊廠商在價格方面的激烈競爭,短短幾年間,模塊價格從 70 元人民幣下降到 20 元,NB-IoT 芯片價格從 5 美金殺到 2 個美金以下,市場情形慘烈。

從市場數據來看,2017 年華為海思推出 Boudica120 國內第一顆 NB-IoT 芯片至今,累積出貨 2000 萬顆,而其他國內 NB-IoT 芯片廠家總出貨量不超過 1000 萬顆。

從發展現狀來看,截至今年 5 月底,全球已有 84 NB-IoT 網絡商用(GSMA),全球模組種類已超過 100 種,成為全球應用最廣的物聯網技術之一。國內 NB-IoT 用戶數已經達到 3000 萬。同時,國內的消費級物聯網硬件銷售額預計在 2022 年超過 3000 億美元,年復合增長率超過 20%

NB-IoT 市場仍然格局未定,產業鏈上下游廠商都想抓住這個市場機會,分得 NB-IoT 市場一杯羹。

NB-IoT 的挑戰和前景

GSMA 最新發布數據,2018 年全球蜂窩物聯網連接數大部分來自現有的 2G/3G/4G,物聯網連接總數達 7.6 億個,NB-IoT 物聯網連接數不到 10%

可以看到,NB-IoT 目前的市場份額相對較少,究其原因,大概如下:

功耗問題

NB-IoT 的主要優勢之一是低功耗。當前的物聯網產品上,大家普遍還是用 2G 模塊,NB-IoT 的功耗比 2G 略好一點,但在中等頻率和高頻率實時使用中并沒有絕對優勢,兩者功耗沒有明顯差別,NB-IoT 深度待機(PSM 模式)的功耗和 2G 掉電模式差不多。以目前 NB-IoT 模塊的功耗,電池待機時間根本無法支持長達 10 年,因此很多新的應用也起不來;

網絡覆蓋問題

另一方面,NB-IoT 網絡相對 2G/3G/4G 網絡,覆蓋面和覆蓋質量還是非常有限,目前還存在問題,這也導致了用戶缺乏對它的信心;

商用盈利問題

即使運營商開啟高頻服務功能,每年 NB-IoT 資費可以提升到 35-40 元,雖然提升了物聯網業務的 ARPU (每用戶平均收入),但對于運營商的直接收入貢獻還非常有限。相比三大運營商的年營收體量,NB-IoT 資費收益依然不值一提;

信息安全風險

物聯網會讓我們的生活變得便利和美好,但信息安全是提前。NB-IoT 的發展讓應用更加智能化的同時,也帶來了信息安全風險,必須重視物聯網中應用層到各端點的安全體系建立。NB-IoT 信息安全體系的建立,需要整個生態系統中的所有參與者從網絡設備、終端數據采集模塊、數據傳輸和系統方案來一起解決和建立。NB-IoT 信息安全體系的建立也需要時間和過程。

推廣問題

在非技術層面,作為 NB-IoT 在行業落地的主要推動者,運營商在政企用戶市場經營和方案落地推廣上的表現都不盡人意。另外,NB-IoT 產業鏈相關部門,在推動 NB-IoT 技術落地時,心態過于浮躁,看重形式主義,也是原因所在。

總之,性能指標夸大、網絡覆蓋不佳、商業模式存在問題、心態浮躁等,是 NB-IoT 市場擴展受阻的主要原因。

為了進一步推動 NB-IoT 的發展進程,國內運營商都在大力部署 NB-IoT 基站,2019 年,我國預計將建成 90 萬個 NB-IoT 基站、到 2020 年將建成超過 150 萬個 NB-IoT 基站、到 2025 NB-IoT 基站規模將達到 300 萬。

目前,中國移動在全國已經建成 NB-IoT 基站超過 20 萬,覆蓋 346 個城市。根據中國移動預測,2019 年底,中國運營商蜂窩物聯網連接超過 11 億,其中,中國移動蜂窩連接超過 7.8 億。據悉,2018 年中國移動物聯網終端補貼成本投入 20 億元,其中,10 億是專門給 NB-IoT,最高補貼率可以到達 80%,還推出了 20 元和 40 元兩檔 NB-IoT 套餐,希望滿足不同的行業客戶對網絡的需求。

中國電信早在 2018 年就已建成了全球最大的 NB-IoT 網絡,建成 NB-IoT 基站超過 40 余萬個,實現城鄉全覆蓋,承載 1 億物聯網連接。在資費方面,中國電信 2018 6 20 日發布了 NB-IoT 業務套餐,該資費套餐是按照連接次數計費,套餐內規定一定的連接數,超出套餐外的連接次數部分另行收費。

中國聯通在去年中旬就宣布已經完成了 30 萬個 NB-IoT 基站升級工作,已經在全國數十個城市開通 NB-IoT 試商用,全國已經有 300 多個城市具備快速接入物聯網的能力。

此外,國外眾多運營商也紛紛支持 NB-IoTVodafone、德國電信、軟銀等幾十家運營商均已經部署了 NB-IoT 商用網絡,美國 T-Mobile 也已經宣布商用了 NB-IoT,全球運營商的創新先鋒 AT&T Verizon,也積極進行 NB-IoT 的商用試點。

多維度下的 NB-IoT

萬到 2018 年的 3000 萬,今年上半年已超過 5000 萬用戶,在智能水表、智能氣表、電動車跟蹤、智能煙感等行業應用預計將在一兩年內出現千萬級連接,并且有望將很快達到十億級別規模。在國內,三大運營商對于 NB-IoT 的熱情持續高漲,如在基站建設方面,業界預計 2019 年我國將建成 90 萬個 NB-IoT 基站;

憑借廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點,NB-IoT 已經成為蜂窩物聯網領域的主流技術。根據市場研究機構 Counterpoint IoT 的最新研究數據顯示,全球物聯網蜂窩連接數將在 2025 年突破 50 億大關,其中 NB-IoT 的貢獻比將接近一半。

產業鏈規模方面:伴隨 NB-IoT 海量連接需求的出現,對于 NB-IoT 模組以及 NB-IoT 芯片都帶來了強烈需求。例如芯片側,NB-IoT 等物聯網 SoC(即將 MCU 和調制解調器/基帶實現集成)正在推動掀起下一波物聯網浪潮,包括海思、高通、聯發科、移芯等在內的芯片企業都在角逐 NB-IoT SoC 芯片市場,目前已有十幾家 NB-IoT 芯片廠家,上百個型號的模組,1500 多個產業伙伴,以及公共事業、醫療健康、智慧城市、消費者、農業環境、物流倉儲、智能樓宇、制造行業等十余個行業標準逐漸落地,NB-IoT 已經完全具備替代 2G/3G 窄帶物聯網技術的能力;

模組價格方面:NB-IoT 價格已經逼近 2G 模組,隨著芯片出貨量的增加以及生態的成熟,NB-IoT 模組售價有望繼續降低;

標準方面:早在 3GPP R13 協議中,NB-IoT 核心標準就已凍結;R15 協議更是支持 NR NB-IoT 的共存部署方案,從而確保了 5G 部署后存量的 NB-IoT 終端業務不受影響; R16 協議中,NB-IoT 仍然將是 LPWA 的主要應用技術,更是明確支持 NB-IoT 接入 5G 新核心網,確保 NB-IoT 5G 時代技術發展的連續性;在即將于 2019 年年底啟動立項的 R17 協議中,愛立信、高通等公司明確提出 R17 LPWA 基于 NB-IoT 繼續演進。


NB-IoT
芯片廠商

NB-IoT 技術誕生可以看出,NB-IoT 技術一直被行業大佬所支持,目前國內 NB-IoT 芯片廠商都有哪些?

NB-IoT 芯片廠商:

國內:華為海思、紫光展銳、聯發科、中興微電子、上海移芯、創新維度、芯翼信息、松果電子、智聯安、ASR、匯頂科技等;

國外:高通、三星、Altair、思寬、NordicGCTRiot MicroCEVA 等。

NB-IoT射頻前端芯片廠商:

國內:紫光展銳、漢天下、慧智微、飛驤科技、三伍微等;

國外:SkyworksQorvo

結語

今年隨著 5G 牌照的發放,正式進入 5G 元年,5G 具有 Gbps 以上超高帶寬、毫秒級超低時延、以及高可靠等優勢,除了商用初期應用于 eMBB 增強型移動寬帶以外,充分利用 5G 蜂窩網絡,還將帶動超寬帶、低時延物聯網的發展,助推行業數字化轉型。

那么在大帶寬的 5G 時代,NB-IoT 下一步的演進將何去何從?

事實上,對于 NB-IoT 的未來走向,3GPP 早已指明了方向:NB-IoT 將繼續服務于 5GLPWA 用例,我國向國際電信聯盟提交的 5G 候選技術方案將 NB-IoT 作為重點之一,也與 3GPP 等國際標準化組織的技術演進路線保持一致。

對于 NB-IoT 的未來走向,可以預見 NB-IoT 還會與現有網絡共存共生。基于 4G NB-IoT 和基于 5G NB-IoT 將會是長期共存,兩者不是競爭和替代關系,而是相輔相成。同時 5G 指明了 4G 的未來演進路線,從而給予了垂直行業采用可持續演進和升級的 3GPP 技術的信心,能夠滿足行業市場深化部署和優化性能的未來發展需求。

當產業走到萬物互聯的 5G 時代,NB-IoT 也將迎來了新的發展機遇。

 

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