我们经常会在各种场合上听到“万物互联”的美好愿景，未来由网络构成的数字世界将占据我们生活的很大一部分，物联网也将是万亿级别的庞大市场。据全球知名研究机构Gartner预计，到2020年，全球物联网终端数量将达到260亿台，销售收入将超过3000亿美元，带动经济总量将超过1.9万亿美元。
作为人口大国的中国，物联网市场的发展也将有极大的空间。赛迪智库报告显示，预计到2020年，中国物联网的市场规模将达2万亿元人民币。
值得注意的是，作为低功耗广域网（LPWAN）技术的一种，NB-IoT占据了物联网市场非常大的应用比例。业界人士认为，未来在整个物联网的应用中，NB-IoT（窄带物联网）的比例将达到70%。这也反映了，低功耗、NB-IoT将与我们的生活密不可分。
一、低功耗广域网技术的组成
物联网经过了几十年的缓慢发展，在21世纪的第2个10年里出现井喷发展的态势。依据不同的性能特征，物联网往下细分为多种技术。从传输距离来划分，物联网技术可以分为短距离无线通信技术和低功耗广域网无线通信技术（LPWAN）。其中，短距离无线通信技术又可分为Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，主要在智能家居、智能建筑等领域有较好的应用。
而低功耗广域网无线通信技术按照授权与否来划分，包括工作于未授权频谱的LoRa、SigFox、RPMA等技术，以及工作于授权频谱下的NB-IoT、eMTC和EC-GSM-IoT。授权频段下的低功耗广域网最大的特点是可以通过现有的网址进行大规模的覆盖。
图1 低功耗广域网技术组成部分
未授权频谱
·LoRa
LoRa是低功耗局域网无线标准，其模块成本极低，具备功耗低，易于建设和部署，免牌照频段节点的优点。相比NB-IoT，LoRa覆盖面更广且成本相对更低，支持灵活组网。但是随着设备和网络部署的增多，有频谱干扰情况的出现。又因为技术过于集中不利于产业发展，同时，布局LoRa还需要自建基础设施。
不过，目前该技术主要集中在Semtech公司手中，除自产LoRa芯片之外，该公司也授权其IP给其它企业。据了解，目前华普微电子、群登科技、ST、翱捷科技(ASR)、国民技术股份、腾讯等公司获得了Semetch LoRa IP授权。其中，意法半导体的STM32搭配Semtech LoRa模块，推出了低功耗且广域传输的解决方案。
·SigFox
SigFox在2012年被Semetch收购，与LoRa不同的是，Semetch针对SigFox采用免费专利授权策略，其他同行无需授权就能生产SigFox芯片。早在2017年，就已经有超过71家设备制造商、49个物联网平台供应商、8家芯片厂家、15家模块厂家、30家软件和设计服务商加入该生态系统。
SigFox的传输距离非常远，可达50km、功耗极低。SigFox方案已经在全球24个国家进行了部署，其网络注册设备超过7百多万台，具备全球性网络服务的能力。但是，SigFox传输速率仅为100bits/s。其成本仍比LoRa高。
·RPMA
RPMA（Random Phase Multiple Access，中译名为随机相位多址接入），该技术由美国Ingenu公司开发，在RPMA终端和基站的共同运作下，用户可以管理他们通信的容量、数据速率和范围。RPMA基站的网络覆盖能力极强，覆盖美国和欧洲大陆分别只需要619个基站和1866个基站，可大大降低物联网的建设及运营成本。
其系统容量大，当设备每小时传输100个字节的信息，采用RPMA可接入24.9万个设备。另外，RPMA采用全球统一的频段，可实现全球漫游。还具备双向通讯，可通过广播的方式对终端设备进行控制或升级。
·Weightless
由ARM和Neul推动，目前以主要在英国、丹麦等欧洲国家应用。Weightless标准体系的演变包括3个子集：用于低功耗广域网应用的Weightless-P；用于宽带物联网应用的Weightless-W；用于超窄带应用的Weightless-N。Weightless支持Sub-1G频谱的全部频段，包括ISM频段和授权频段。
Weightless和NB-IoT的核心架构非常相似，两者同宗同源。2012年，Dr. William Webb创立了Weightless技术和标准组织，该创始人同时兼任Neul公司联合创始人和CTO。2014年，Neul被华为收购，华为在此基础上逐步推出了NB-IoT标准。
·HaLow
2010年，IEEE在Wi-Fi技术发展蓝图上规划802.11ah标准，该标准采用1GHz以下的低频频段，可实现低功耗、长距离无线网络链接。2016年1月，802.11ah标准正式命名为HaLow，HaLow使用1GHz以下不包含TVWS的免执照频段，频道带宽为1/2/4/8/16MHz，传输速率至少为1Mbit/s，传输距离最长可达1公里。2016年12月，802.11ah Draft 9.0完成标准委员会核定程序。
授权频谱
·NB-IoT
NB-IoT全称Narrow Band Internet of Things，中文译名为窄带物联网。NB-IoT基于蜂窝网络，带宽只有180KHz，可直接部署于GSM、UMTS或LTE网络。在性能方面，NB-IoT的覆盖广，是GSM覆盖范围的10倍。NB-IoT的室内覆盖能力强，比LTE提升了100倍覆盖区域能力。在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。该技术适合对功耗要求低，穿透性强，对成本要求比较高的领域。
不过，NB-IoT必须由运营商来部署，NB-IoT模块现在成本仍较高，随着使用量的增加未来其成本将会降低。NB-IoT是中国目前比较主流的物联网技术。
·eMTC
eMTC，全称LTE enhancements for Machine Type Communications，由LTE协议演进而来，侧重物与物之间的通信需求。其使用LTE 技术体制的800/900/1800/1900/ 2100MHz等公众移动通信频段，1447-1467MHz和1785-1805MHz等专用通信频段，其下行峰值速率可达1Mbps，是低功耗物联网中传输速率最高的一种。
同时，它还弥补了NB-IoT 技术不可定位和不支持语音的缺陷，特别适用于智能物流、智能可穿戴、智能充电桩、智能公交站牌、公共自行车管理等需要定位和语音的应用场景。
·EC-GSM-IoT
EC-GSM-IoT是GSM向物联网演进的技术。该技术的特点是通信可靠、安全，可与GSM混合部署，无须额外的频谱资源。不过GSM终端的峰值功耗超过4W，对电池的要求较高。同时，独立部署EC-GSM需要的最小组网频谱是2.4MHz，运营商规划频谱难度大，很多运营商己决定GSM退网，其产业链前景不明朗。
二、未来各种技术融合发展
物联网研究公司IoT Analytics的数据显示，自2018年起，低功耗广域网络开始成为物联网连接数增长的关键驱动力，到2023年LPWAN连接数将超过11亿的规模。
研究机构Ovum也曾报告称，NB-IoT或将主宰亚太地区的物联网部署。不过，非授权频谱的标准在利基市场也有很强的实施空间。实际上，当前并没有一个技术能适用于所有的物联网应用场景，也很难在短期内有一个统一的标准。因此，在庞大的物联网应用市场中，各项技术的关系并非你死我活而是互补融合，未来各种技术协同发展的趋势更为明显。
表1 LPWAN技术的性能特征（部分）
在中国市场上，目前低功耗广域网络的各种标准都在开拓市场的阶段，其中以NB-IoT和eMTC在在政府和运营商的共同推动下大有抢占先机之势，同时LoRa、RPMA等非授权频谱也在一些垂直领域也开始落地。可以预见的是，至少在未来相当长一段时间内，支持授权频谱和非授权频谱的低功耗广域网技术将并存。未来或将形成1-2个主流技术，多个针对特殊应用场景的补充技术。
三、NB-IoT将是中国市场的主流
自2014年我国政府加强对集成电路产业的战略支持以来，中国进口芯片和出口芯片的之间的逆差仍十分明显。2018年，中国进口的芯片金额达3100亿美金，而出口的芯片金额只有800亿美金，我国进出口芯片的逆差高达2300多亿，换算人民币相差接近万亿元。上述数据反映了当前我国半导体行业正面临严重缺“芯”的问题。
在此背景下，除了华为主导的NB-IoT之外，其他的低功耗物联网的核心技术仍掌握国外企业的手中。目前，中国市场上的LoRa、SigFox等芯片都主要依靠进口，或许我们能从NB-IoT芯片的发展上得到一些启发。
NB-IoT在中国的发展归属于多方努力的结果，不仅有华为的带动，政府的扶持，还有运营商的布局。
2013年初，华为与相关业内厂商、运营商推动当时名为LTE-M的技术。2014年5月，3GPP GERAN工作组立项，LTE-M的名字变为CIoT。2015年5月，华为和高通共同宣布了NB-CIoT方案，同年8月，爱立信与几家公司共同提出了NB-LTE概念，9月NB-CIoT和NB-LTE融合成为NB-IoT。2016年6月，NB-IoT核心标准在3GPP R13冻结。2017年6月，华为NB-IoT芯片Boudica 120大批量发货。这一系列动作表明，华为在NB-IoT的发展中起到了非常重要的推动作用。
图2 NB-IoT的演变历程 制图：国际电子商情
图3 NB-IoT的演变历程 制图：国际电子商情
除了企业推动之外，工信部先后在2017年6月发布了《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》，在2018年5月发布了《国资委关于深入推进网络提速降费加快培育经济发展新动能2018专项行动的实施意见》。这两个文件都针对NB-IoT，在推动该技术的发展中起到了非常重要的作用。在2017年颁布的文件中，明确了对NB-IoT基站建设的目标，2020年将完成150万个基站建设。2018年颁布的文件中，要求进一步加速NB-IoT等物联网基础设施的建设。
表2 工信部关于NB-IoT的政策
在运营商布局方面，电信是三大运营商中首个完成覆盖全国的NB-IoT网络建设的运营商，目前已经实现了31万个基站升级。另外，电信还是NB-IoT商用的推动者。2018年6月，中国电信与ofo、华为联合开发的基于NB-IoT技术的物联网智能锁商用，标志着在中国NB-IoT技术首次落地商用。
当前，中国移动已经形成了覆盖云-管-端的物联网能力，物联网连接数突破2.3亿。同时，移动还新建了NB-IoT精品网络基础设施。在芯片产品方面，自2016年11月移动发布第一款产品以来，到目前已经发布了多款NB-IoT芯片产品。
2017年Q3，联通的NB-IoT在全国11个省进行试商用，2018年Q1，全国核心网专网建成，具备全网统一接入能力。到目前，中国联通已实现在全国300个城市的NB-IoT连接服务。此外，联通还推出了NB-IoT资费套餐。据了解，该套餐按单个连接单独计费，对于每个NB-IoT连接，设置每个月的流量上限，如果当月总流量超过该上限，则超过的部分按包外资费来计算。在NB-IoT数据传输方式上细分为虚拟专用数据网VPDN传输和互联网传输，两种方式的月租、包外资费均不同。
此外，还有一些国产芯片企业也研发了自己的NB-IoT芯片产品。
华为海思在2017年6月开始大批量出货Boudica 120芯片，Boudica 150芯片(支持1800M)在2018年Q4大规模商用出货。这两款NB-IoT芯片具备高集成、低功耗、可内置轻量级的Huawei LiteOS物联网操作系统。
紫光展锐2017年Q4推出NB-IoT单模芯片春藤8908和NB-IoT/GSM双模芯片春藤8909，并在2018上半年成功流片NB-IoT/eMTC/GSM三模的春藤8915。该公司的NB-IoT芯片可完整支持3GPP Release 13的几乎所有功能，除了满足中国市场的需求之外，同时也瞄准欧美及海外市场。
业界也预测，2019年NB-IoT芯片将在功耗方面有更大的改善，成本也有更大幅度的降低，从而也将推动NB-IoT终端产品出货量的上升。
四、eMTC的布局正在进行中
eMTC与NB-IoT都属于蜂窝物联网承载技术，具有覆盖能力强、产业规模大、安全保障高等方面的优势。与NB-IoT不同的是，eMTC支持定位和语音功能，在智能物流、智能可穿戴、智能充电桩、智能公交站牌等领域有较大的市场空间。
实际上， eMTC在中国市场的布局也值得关注。2018年，工信部将eMTC频率管理作为一项重要工作，三大运营商也表示将对eMTC进行布局。
虽然不如NB-IoT那样大规模的普及，但是三大运营商针对eMTC也有一些新的动作。中国联通曾对外宣布，到2018年Q3 eMTC核心网具备全网接入能力，中国电信和中国移动也曾表示将在2018年实现eMTC试商用。但是，三大运营商目前尚未透露更多的关于eMTC项目的进展，可以判定的是对该技术的布局仍在落地中。
实际上，LoRa和SigFox等支持非授权频谱的技术也在中国这个大市场上也有一定的空间。但是，目前5G仍尚未完全成熟，关于物联网的布局和落地也将静待5G的大规模商用化。
本文为《国际电子商情》2019年6月刊杂志文章。
