目前的传统移动蜂窝网络如2G、3G、4G主要满足人与人之间的连接,以及少数M2M行业应用,其承载能力越来越难以支撑未来海量的物与物连接,因此低功耗广域网络(LPWA)应运而生。NB-IoT是工作在授权频谱上的低功耗广域物联网技术,可同时达成以下目标:增强覆盖能力、支持大规模设备连接、降低设备复杂性、减小功耗,达到数年免更换电池长效待机。最近,工信部在《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》中指出,全面推进广覆盖、大连接、低功耗移动物联网(NB-IoT)建设,目标到2017年末实现NB-IoT网络对直辖市、省会城市等主要城市的覆盖,2020年NB-IoT网络实现对于全国的普遍覆盖以及深度覆盖。

随着物联网时代不断向前推进,物与物之间的连接需求变得越来越多。来自市场研究公司MachinaResearch的最新数据显示,全球物联网连接数量及物联网收入在2015年-2025年之间将增长三倍,从而为电信运营商和相关产业链企业提供一个巨大的利好。2015年,全球物联网连接数量为60亿个,根据预期,到2025年这一数字将增至270亿个。同期,物联网收入机会将从7500亿美元增至3万亿美元,其中总收入中的1.3万亿美元将通过设备、连接和应用收入直接来自于终端用户。到2025年,所有物联网连接中的72%将使用WiFi和Zigbee这样的短距离传输技术。物联网蜂窝连接到2025年将达到220亿个(2015年底这一数字为3.34亿),其中大部分将基于LTE。互联车辆将成为一个关键领域,2025年45%的蜂窝物联网连接将会在这个领域。包括Sigfox、LoRa和LTE-NB1(简称NB-IOT)等在内低功耗广域覆盖技术,在2025年将占据11%的物联网连接。

eMTC和NB-IOT各有优势,互补还是取代?

IOT针对物联网的应用,从技术场景上看,几乎可以归纳为两类:信号采集上传类,控制指令下发类。在信号采集方面,大都是传感器类应用,比如:水表、气表、PM2.5、温湿度、GPS采集、地质沉降、环境监测、消防探测、穿戴式设备、物资跟踪监测、畜牧业监测、工业仪表监测、智能电力等,此类应用要求的数据能如实、安全、可靠的上报的云端平台。控制指令下发类方面,比如有灯光控制、消防水泵、告警指示等。

LPWA1 LPWA低功耗关于网络的速率与应用分布情况

从上图可以看到LPWA低功耗关于网络的速率与应用分布情况,这是一个金字塔结构的形状,在金字塔应用的塔尖,大概是占到5%的高速率以及多模应用。主要是一些3G、4G甚至未来5G的高速应用。金字塔的中间部分占到整体应用的25%,涉及到中速率或者速率要求不是特别高的应用。比如说智能锁、车队管理、穿戴式设备等。这里应用到的主要技术包括LTE Cat1、Cat M1(简称eMTC)还包括一些2G技术。在金字塔的最底层占到整体应用的70%,这些主要的应用场景是一些低速率的应用,但这些应用客户可能更多考虑的是低成本与低功耗,比如智能抄表、停车、气象监测等,连接的用户数比较多,对于用户的时延比较敏感。这方面的技术包括NB-1、LORA/Sigfox、ZigBee等。

IOT通信技术有很多种,分有线和无线,针对短距无线方面,有蓝牙、WIFI、sub1G等,长距有LoRa、NB-IoT、eMTC、EC-GSM等。其中eMTC速率最高达1Mbps,Cat-NB1(简称NB-IOT)速率最高几十kbps。

物联网在中国的发展历经近10多年,市场一直处于不冷不热的状态,其根本原因是物联网应用的离散化需求过多,缺乏统一的标准,存在技术瓶颈。LoRa和NB-IoT技术的出现,能在一定程度上加快物联网发展的步伐,但NB-IoT严重依赖运营商,难免形成新的垄断,广大中小物联网在强大的运营商面前,毫无议价能力。此外,无论是LoRa还是NB-IoT 都或多或少的存在一些技术成熟度问题,需要更多的时间验证。也需要更多的时间给物联网企业更多的信心。以目前最火的共享单车为例,前期采用的主要是2G中速率模块,随着技术的发展,客户开始倾向于采用eMTC技术来替换2G模块。

还有一些应用,比如管道检测、路灯的控制,共享停车位这种,在地锁上装一个窄带物联网的模块,就可以不用拉电线,只需要电池供电。还有针对零售领域的自动贩卖机,要求微信扫二维码付钱后就可以掉下来。目前这些自动贩卖机用的都是4G技术,现在已经有客户在尝试eMTC,但是目前网络覆盖会更晚一些。只是前期做一些技术匹配。由于eMTC会直接从LTE升级,专门对物联网做了适配,不需要增加太多的成本,硬件不用做任何投入,纯软件升级。

LPWA2

IOT目前符合3GPP-R13版本的NB-IoT存在通信时延、可移动性支持欠佳、低速率的特点,可以广泛应用在信号采集上传类需求场景中,LoRa或eMTC则能较好的弥补部分缺点。此外蜂窝广域网还存在布网成本较高,特别是偏远地区的网络成本,投资回报周期长。所以在未来相当长的时间内,仍将是多种技术并存,相互融合和弥补。

eMTC实际的工作带宽是1.08兆,加上带宽是1.4兆,NB-IOT的实际工作带宽是180k,所有加起来是200k。因为不同的带宽所能承载的速率是不一样的,更高的带宽所能传输的数据速率会更快。比如说eMTC和NB-IOT,采用全双工的方式,理论上可以达到1M bps数据码流的传输速率。对于速率要求比较高的场景是比较合适的。当然NB-IOT目前占用的带宽比较窄,所以承载的速率相对来说偏低点,NB-IOT的主要优势包括四点:包括更深的覆盖,比GPRS提高20dB的信号增强;更多的连接,每小区可提供10万个连接;低功耗,终端电池寿命超过10年;低成本,规模化后模组成本接近2G。

总体来看,NB-IOT主要是为了满足一些对成本要求高但是对时延要求不敏感的应用。比如一些抄表的应用,还有一些数据量不大,对于地下室覆盖要求比较高的应用。eMTC除了具有NB-IOT的这些优势,同时也能够支持一些大速率的应用,最高可以支持1Mbps的数据码流。同时由于采用的是LTE技术,所以也具有基站定位的功能。另外,也能支持VoLTE,支持语音类型应用。高通产品市场部资深经理李德凯认为,eMTC和NB-IOT是互相补充的技术,能够应用到不同的场景下。比如说,eMTC应用在对速率和时延要求较高的场景,比如楼宇安防、紧急救护/老人护理、可穿戴设备等。相对来说NB-IOT则满足对成本比较敏感、对时延要求低、数据量比较低的应用。比如说无人居住地区的环境监测、地下室、地表以及工业用传感器、停车计时器等。可以实现一些非常低频次的连接,每次的传输数据可能低至几K。另外,eMTC的时延较低,LTE的时延一般是100毫秒级的,NB一般会达到6~10秒,对于时延要求比较敏感的应用,eMTC还是比较合适的。

从目前的成本来看,NB-IOT技术还有点太贵,主要原因是用户比较少,规模还上不去。当大量客户使用后,比如上游的芯片供应商如高通、MTK能够得到大批量出货,这样芯片成本下降后,相信以后NB模块的成本会接近2G模块的成本。对于NB-IOT来说,速率和移动性是其短板。相对来说eMTC因为带宽稍大,所以NB-IOT在部署上有一些短板。所以两者结合起来,就有了全球双模的产品。对于客户来说,这种双模产品可以更好的节省功耗、成本、以及上市时间,从这些角度来说,不用考虑产品是放在中国还是日本。此外,未来这个产品如何进行技术升级也是一个问题。因为高通支持的是全球的业务,今年一个大的策略是要做海外的客户:所以全球的运营商对于eMTC的支持是必不可少的。在北美、欧洲、澳洲和日韩都有主流的运营商来支持部署。

成本下降,NB-IOT是否将取代2G模块?

作为M2M通信模块的代表厂商,上海芯讯通无线科技有限公司(简称SimCom)在今年年初就开始布局IOT模块。在高速率应用中,3G、4G模块还是主流,比如智能电力,移动支付(智能POS),还有车载DVR等应用。在低速率应用中,2G模块的应用惯性比较大,因为对于生命周期要求比较长,一款产品可能需要卖5年到7年。工业等生命周期较长的细分市场同时也是SimCom的重点。据介绍,2016年SimCom通出货1600万片,预计2017年可以做到3500万片。从销售额上看,2016年是7个亿。2017年大概会做15个亿。“IOT的概念太大,掺杂了很多互联网的玩法,作为模块公司我们还是喜欢M2M的概念。”

目前SIMCOM可以提供NB-IOT和eMTC加EDGE的多模产品SIM7000C,采用的是高通的MDM9206-0。目前已经可以提供样品,这款模块差不多是80~100元左右,据了解,目前一个2G模块的成本大概在20元左右。相信未来大规模普及后,NB-IOT的成本将越来越接近2G模块。

因为是NB-IOT加eMTC的模块,一个功能是支持VOLTE,也就是说可以支持语音,同时还支持GPS定位。此外,SIMCOM也在研发NB-IOT的单模产品。在MDM9206-1的基础上推出了SIM7000C-N,未来也会跟MTK合作采用MT2625芯片推出SIM7020,这也是一款单模的NB-IOT产品。

目前对于NB-IOT设备的很多宣传都是用一节干电池就可以用10年。但是实际上要待机这么久是有条件的。“比如一天只能发送50个字节的数据,或者2天200个字节的数据,对于抄表水表这样的应用,可能一周或一个月抄一次。但是对很多应用是不适用的。我们也做了一些对比,我的友商的单模产品实测下来电流是6~5毫安,宣传的最大优势低功耗反而是我们的产品功耗5倍左右,因此待机10年是很难的。” 芯讯通副总经理李永胜表示,市面上的友商的产品,目前不支持1800MHZ,不仅是单模,而且是单频。不仅只能支持NB-IOT,也只能支持单个运营商。因此SIMCOM要推出支持三模的产品,同时还是全网通,就是因为担心出现信号不同的问题。据了解,目前三大运营商支持的频段包括B3/B5/B8,B39,900/1800MHz,SIMCOM的三模产品针对不同运营商出货不需要更换模块。

目前广域通信网络获得了很多新的应用,比如安防保险的应用,以及气表、水表、以前是2G模块为主,现在则越来越多的采用NB-IOT功能。不过eMTC是基于LTE的技术演进的,因此LTE的基本功能都具备,比如语音功能,移动性也很好,时延性也比较好。这种对于网络延时比较高的技术是很难大规模商用的,因此NB-IOT技术不太适合共享单车。李永胜认为,为本身eMTC的产品就是低于CAT1的,从多模的产品来看成本会比单频的产品略贵,但是从整体的系统成本来看是节省的。从使用角度来看,SIMCOM提供兼容2G的800、900,替换起来比较方便,同时外部电路简单,新设计起来比较快。另外,从客户产品的上市时间来看,因为支持用户的频段,一款PCB就面对所有市场,同时支持三大运营商。另外SIMCOM也提供全套开发套件,同时也有代理商和FAE可以提供很好的技术支持。

作为一家做电子物料贸易起家的物联网解决方案提供商,利尔达的产品方案涵盖通信模组、控制、传感、SaaS云服务等,在NB-IOT及LORA两项技术中,都有布局。在NB-IOT模块方面,利尔达采用的是Hisilicon的boudica平台,开发band5,band8,band3,band20,band28等多频段模组及配套EVK评估系统,支持云端的端到端体验,是业界第一款支持云端的开发评估系统。在路测工具方面有NB-IoT 路测dongle及测试终端,配合华为的probe,WDT等系统平台,能帮助网络人员快速评估和优化NB-IoT网络。在方案方面,我们有开发水表、气表、定位追踪器、共享单车锁、冷链物流等多种解决方案。在LORA方面,利尔达研发有标准LoRa模块,功能形态有SPI、透传、自组网方案等,在LoRaWAN方面,研发有全球各标准的节点模块及网关。广泛应用在网络传感器采集、冷链、地磁、三表集抄等领域。

无论是NB-IoT还是LoRa,对于客户来说,需要的都是一条端到端的通路,或者说是一个较为完整的方案,为此,利尔达针对市场需求,在IOT技术和方案方面,不仅仅提供模组,更重要的是提供一条端到端的解决方案。通过这种集成式方案的提供,可以满足客户项目的开发集成需求,产品快速面世。

运营商NB-IOT 先行,中兴押宝LORA

作为一种授权频谱技术,NB-IoT 的发展壮大需要电信运营商的大力推进和各级厂商的积极配合。2015年11月,数家全球主流运营商联合设备商、芯片厂商和相关国际组织,在香港举办NB-IoT论坛筹备会,旨在加速窄带物联网生态系统的发展,成员包括中国移动、中国联通、Etisalat、LG Uplus、意大利电信、Telefonica、沃达丰、GSMA、GTI、华为、爱立信、诺基亚、高通和英特尔。

LPWA3

从通信标准的演进时间表来看,2016年5月,3GPP RAM通过了NB-Iota的核心部分。2017年3月的MWC展上,全球12家主要的运营商宣布会支持eMTC。2017年6月,3GPP制订R14的标准。这些都标准预示着未来NB-IOT 和eMTC都会向着5G标准演进。

LPWA4

从国内三大运营商的发布时间表来看,中移动同步试点NB-IOT和eMTC,支持B8,B39,预计2017年底商用。中国联通会优先部署NB-IOT ,B3/8,计划2017年底商用。中国电信在今年6月会实现NB-IOT 的全国覆盖,主要在B5频段,也在北京、浙江、广东做了eMTC实验网络。目前中移动和高通、摩拜单车合作推出了多模的产品。主要原因是目前信号覆盖的问题还是很多,单模的产品一旦遇到信号死角很难开锁。因此NB-IOT 单模的产品在共享单车上很难商用。

多家芯片商杀入窄带物联网领域,多模芯片成趋势

中国是未来最具前景的物联网市场之一。对于物联网来说,上下游的生态系统非常重要。在物联网芯片领域,高通和联发科技都是NB-IoT标准的制订及建设的重要推动者,很早就开始布局中国市场。

2016年高通联合中国移动和爱立信,启动国内首个Cat-M1(简称eMTC)测试项目。2016年12月,高通与中移动物联网有限公司签署谅解备忘录。2016年12月,高通联合中国联通和爱立信,完成基于EMTC标准的现网数据传输。2017年3月,高通与华为合作,首次打通TDD EMTC标准空口First Call。从高通的产品线来看,针对物联网的应用,主要分为三类:高端物联网采用LTE Cat4,注重成本效率、可扩展性以及较低功耗的应用采用Cat1,对于超低功耗、长电池续航、更广覆盖的应用则采用eMTC/NB-IOT 。

高通的MSM9026支持15个频段,对于目前的过渡阶段来讲,高通是设置成在2G和NB-IOT或者跟eMTC之间进行自动切换的设置,在硬件方面不需要改动,软件自动切换。目前高通的eMTC模块已经在2017年初上市,eMTC/NB-IOT /E-GPRS模块则会在2017年年中上市。不仅支持各种定位技术,还支持Thread X和linux两个操作系统,并且通过了全球的运营商认证。高通还基于MDM9206与中国移动研究院、摩拜单车进行了多模技术合作。联发科技在2G、3G、4G领域长期与中国移动等运营商开展深度合作。

联发科技自2011年起便积极投入3GPP移动物联网技术标准的制订,而且自NB-IoT标准化起始便积极提交文稿与系统设计,促使NB-IoT标准诞生与落地。联发科技推出旗下首款NB-IoT(窄带物联网)系统单芯片(SoC)MT2625,并携手中国移动打造业界尺寸最小 (16mm X 18mm)的NB-IoT通用模组,以超高集成度为海量物联网设备提供兼具低功耗及成本效益的解决方案。该方案支持3GPP NB-IoT (R13 NB-IOT , R14 NB2) 的450MHz-2.1GHz全频段运作,适合全球范围内智能家居、物流跟踪、智能抄表等静态或移动型物联网应用。

MT2625是联发科技精心打造的第一款NB-IoT专属芯片,具备超高集成度,将ARM Cortex-M微控制器(MCU)、伪静态随机存储器(PSRAM)、闪存与电源管理单元(PMU)整合在同一芯片平台上。高集成度不仅带来了更小巧的封装尺寸,而且有助于降低芯片成本和加快上市时间,满足对成本敏感及小体积的物联网设备的需求。此外,延续联发科技芯片在整体功耗控制方面的一贯优势,MT2625通过在MCU和PSRAM等组件上加载联发科技特有的低功耗技术,使得采用该方案的物联网设备,能够搭配免充电电池达到长时间待机,符合低功耗广域物联网的要求。MT2625还整合一系列丰富的外围输入输出接口,包括安全数字输入输出模块(SDIO)、通用异步收发传输器(UART)、I2C传输协议、I2S、序列外围接口(SPI)及脉冲宽度调制(PWM),帮助NB-IoT设备实现更多的功能。

联发科技副总经理暨家庭娱乐产品事业群总经理游人杰表示:“低功耗广域物联网存在巨大的市场空间。联发科技持续投入对NB-IoT技术的研发,全球全模规格满足全球市场需求。除了高集成、低功耗外,联发科技NB-IoT芯片也搭配长期积累的各种联网技术,提供完整的物联网软硬件开发平台,让不同规模的厂商都能迅速开发出多样化的NB-IoT终端产品,加速推动NB-IoT产业发展。”在物联网领域,联发科技也将一如既往地与运营商保持深度合作关系。联发科技与中国移动基于MT2625芯片合作推出的业界最小(16mm x 18mm)NB-IoT通用模组,不但集成了中国移动eSIM卡,还可以接入中国移动自主研发的物联网开放平台One NET,这将有助于降低应用开发门槛,帮助开发者或初创企业轻松实现物联网设备及应用的开发。

华为也是业内最早投入到窄带物联网技术中的。2010年开始LPWA IoT开发;2011年明确了NB-IoT的频段需求;到了2013年华为与国际电信业者VDF为Pre NB-IoT铺垫了商业应用进一步迈入实际;而到了2016-2017年海思与更多芯片与模块厂商共同加入系统整合,让应用能尽速落地化实现,是海思NB-IoT持续推进的战略。2016年,华为推出了NB-IoT终端芯片Boudica之后更计划在2017年持续推出新款支持多频多模、新芯片制程工艺的“Boudica”更新版。

除了华为、高通、联发科之外,其它包括RDA、中星微电子、Intel、Nordic均已经布局或准备推出NB-Iota相关的产品。其中锐迪科NB-IoT芯片RDA8909,支持2G、NB-IoT双模,RDA8909符合3GPP R13 NB-IoT标准,还可以通过软件升级支持最新的3GPP R14标准。另一款支持eMTC、NB-IoT和GPRS的三模产品RDA8910也在准备中,预计将于2018Q2量产。中兴微电子NB-IoT的芯片是Wisefone7100。Intel的XMM 7115是一款NB-Iota单模芯片。XMM 7315,支持 LTE Category M和NB-IoT两种标准,单一芯片集成了LTE 调制解调器和 IA 应用处理器,预计2017年商品化。

2017年7月13日,ofo小黄车与中国电信、华为共同宣布,三家联合研发的NB-IoT“物联网智能锁”全面启动商用。据了解,在此次三方合作中,ofo负责智能锁设备开发,中国电信负责提供NB-IoT物联网的商用网络、华为负责芯片。此前ofo已经开始使用这款物联网智能锁,而此次将启动全面的商用。三家联手打造的支持NB-IoT技术的智能锁系统具备三大特点:首先是覆盖更广,NB-IoT信号穿墙性远远超过现有的网络,即使用户深处地下停车场,也能利用NB-IoT技术顺利开关锁,同时可通过数据传输实现“随机密码”;其次是可以连接更多设备,NB-IoT技术比传统移动通信网络连接能力高出100倍以上,也就是说,同一基站可以连接更多的ofo物联网智能锁设备,避免掉线情况;三是更低功耗,NB-IoT设备的待机时间在现有电池无需充电的情况下可使用2-3年,并改变了此前用户边骑车边发电的状况。

最后提一下LORA,LORA不需要通过运营商就可以自组网络,LORA最大的问题是开放频段,微波炉、蓝牙、WIFI都可以用。用户数量多的话会引起互相干扰,相对来说NB-IOT 的频段是买过来的,频谱资源是干净的。只要它的基站能承载的用户范围之内,只要不超过10万个用户都没问题。LORA没有用户限制,但是用户一旦多,通信质量急剧下降。互相之间大量干扰,所以从运营商的角度看更偏向于NB-IOT,它是一定选择3GPP规范定义的技术。目前押宝LORA的厂商主要是中国的中兴,貌似跟老对头华为对着干,中兴联合LoRa联盟,成立了中国LoRa应用联盟。国内从事LoRa模块和方案开发的厂商不少,有洲斯物联、思创汇连、普天通达、八月科技、NPLink、门思科技、利尔达、通感微电子、上海雍敏、武汉拓宝、博大光通、唯传科技、三凡信息等公司。

从垂直行业应用来看,目前国内已有大量基于LoRa的智慧园区、工业、农林水利、能源、智慧城市等各个领域解决方案,不少方案已具备落地和规模化复制的基础,这些使得LoRa在国内规模化普及奠定了基础。LoRa技术在燃气行业目前已有近千万级规模应用,事实充分证明其物理层技术的低功耗、低成本、广覆盖、高成熟度特性,是目前其他无线技术无法取代的。

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