技术科普:一文读懂 NB-IoT 的现状、挑战和前景

如今,“万物互联”的时代帷幕已被物联网悄然拉开。

“万物互联”时代,首先要解决“物”与“网”的连接问题,所以“连接技术”决定了物联网发展的走向。为满足物联网设备的连接需求,LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗广域网)应运而生。LPWAN 专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。

物联网连接技术的世界从来没有霸主一统江湖。

以LoRa 为代表的非授权频段物联网和以 NB-IoT 为代表的授权频段物联网,各自攻城略地。本篇文章就来了解一下 NB-IoT 的相关情况。

NB-IoT 知多少?

NB-IoT 是指窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)技术,是一种低功耗广域(LPWA)网络技术标准,基于蜂窝技术,用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备,聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

NB-IoT 技术可以理解为是 LTE 技术的“简化版”,NB-IoT 网络是基于现有 LTE 网络进行改造得来的。

LTE 网络为“人”服务,为手机服务,为消费互联网服务;而 NB-IoT 网络为“物”服务,为物联网终端服务,为产业互联网(物联网)服务。

NB-IoT 使用 License 频段,可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络,与现有网络共存,以降低部署成本、实现平滑升级。

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NB-IoT 的特点

低功耗

低功耗特性是物联网应用一项重要指标,特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合。NB-IoT 聚焦小数据量、小速率应用,因此 NB-IoT 设备功耗可以做到非常小,设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

低成本
NB-IoT 是基于 LTE 网络的技术,所以在现网 LTE 网络的基础上进行改造,就可以很快组网,很快扩大覆盖。目前各大运营商仍在大力推动 LTE 网络建设,也有利于 NB-IoT 的覆盖改善。

强连接
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。一个扇区能够支持 10 万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。在一个不太大的空间,放置更多设备而互相又不会有干扰,NB-IoT 足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

广覆盖

NB-IoT 室内覆盖能力强,比 LTE 提升 20dB 增益,相当于提升了 100 倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求,对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。

NB-IoT 发展历程和现状

在过去这几年,NB-IoT 是当之无愧的行业网红,备受追捧。三大运营商拼命推动它的商用落地,政府出台了各项文件政策给它铺路,设备商们更是不遗余力地进行宣传造势。

来回顾一下 NB-IoT 的发展历程:2013 年,业内相关厂商、运营商展开窄带蜂窝物联网发展,起名为 LTE-M;2014 年由沃达丰、中国移动、Orange、意大利电信、华为、诺基亚等公司支持的 LTE-M 在 3GPP GERAN 工作组立项,被重新命名为 Cellular IoT;2015 年,华为和高通共同宣布了 NB-CIoT 方案;同年 8 月,爱立信联合几家公司提出了 NB-LTE 概念;2015 年 9 月,NB-CIoT 和 NB-LTE 两个技术方案进行融合,NB-IoT 正式诞生。

NB-IoT 从 2015 年 9 月 3GPP 在 RAN 全会达成一致以后,得到全球大多数的运营商、通讯设备厂商、芯片厂商、终端厂商的支持和响应,这标志着世界范围的物联网通信标准已经产生,并将为整个产业链带来巨大商机。

业内人士认为,2016 年是 NB-IoT 商用元年。如同过去十几年移动互联网渴望 4G 时代的到来一样,如今的物联网也无比渴望着一个深度覆盖强大的 NB-IoT 蜂窝物联网基础网。事实上,2016 年 6 月才首次完成标准化工作的 NB-IoT 到现在仅仅三年多的时间,飞速发展的 NB-IoT 就走完了 2G 窄带物联网用了很多年才走完的路。

政策方面,在 2017 年 6 月,工信部发布了《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》,通知要求:一是加强 NB-IoT 标准与技术研究,打造完整产业体系;二是推广 NB-IoT 在细分领域的应用,逐步形成规模应用体系;三是优化 NB-IoT 应用政策环境,创造良好可持续发展条件。

为了配合产业转型升级,引爆新的经济增长点,运营商以 NB-IoT 物联网为突破口,开启一次次大规模的 NB-IoT 模块招标来加速 NB-IoT 应用和产业发展。然而,此举催生了一场模块厂商在价格方面的激烈竞争,短短几年间,模块价格从 70 元人民币下降到 20 元,NB-IoT 芯片价格从 5 美金杀到 2 个美金以下,市场情形惨烈。

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从市场数据来看,2017 年华为海思推出 Boudica120 国内第一颗 NB-IoT 芯片至今,累积出货 2000 万颗,而其他国内 NB-IoT 芯片厂家总出货量不超过 1000 万颗。

从发展现状来看,截至今年 5 月底,全球已有 84 张 NB-IoT 网络商用(GSMA),全球模组种类已超过 100 种,成为全球应用最广的物联网技术之一。国内 NB-IoT 用户数已经达到 3000 万。同时,国内的消费级物联网硬件销售额预计在 2022 年超过 3000 亿美元,年复合增长率超过 20%。

NB-IoT 市场仍然格局未定,产业链上下游厂商都想抓住这个市场机会,分得 NB-IoT 市场一杯羹。

NB-IoT 的挑战和前景

据 GSMA 最新发布数据,2018 年全球蜂窝物联网连接数大部分来自现有的 2G/3G/4G,物联网连接总数达 7.6 亿个,NB-IoT 物联网连接数不到 10%。

可以看到,NB-IoT 目前的市场份额相对较少,究其原因,大概如下:

功耗问题

NB-IoT 的主要优势之一是低功耗。当前的物联网产品上,大家普遍还是用 2G 模块,NB-IoT 的功耗比 2G 略好一点,但在中等频率和高频率实时使用中并没有绝对优势,两者功耗没有明显差别,NB-IoT 深度待机(PSM 模式)的功耗和 2G 掉电模式差不多。以目前 NB-IoT 模块的功耗,电池待机时间根本无法支持长达 10 年,因此很多新的应用也起不来;

网络覆盖问题

另一方面,NB-IoT 网络相对 2G/3G/4G 网络,覆盖面和覆盖质量还是非常有限,目前还存在问题,这也导致了用户缺乏对它的信心;

商用盈利问题

即使运营商开启高频服务功能,每年 NB-IoT 资费可以提升到 35-40 元,虽然提升了物联网业务的 ARPU 值(每用户平均收入),但对于运营商的直接收入贡献还非常有限。相比三大运营商的年营收体量,NB-IoT 资费收益依然不值一提;

信息安全风险

物联网会让我们的生活变得便利和美好,但信息安全是提前。NB-IoT 的发展让应用更加智能化的同时,也带来了信息安全风险,必须重视物联网中应用层到各端点的安全体系建立。NB-IoT 信息安全体系的建立,需要整个生态系统中的所有参与者从网络设备、终端数据采集模块、数据传输和系统方案来一起解决和建立。NB-IoT 信息安全体系的建立也需要时间和过程。

推广问题

在非技术层面,作为 NB-IoT 在行业落地的主要推动者,运营商在政企用户市场经营和方案落地推广上的表现都不尽人意。另外,NB-IoT 产业链相关部门,在推动 NB-IoT 技术落地时,心态过于浮躁,看重形式主义,也是原因所在。

总之,性能指标夸大、网络覆盖不佳、商业模式存在问题、心态浮躁等,是 NB-IoT 市场扩展受阻的主要原因。

为了进一步推动 NB-IoT 的发展进程,国内运营商都在大力部署 NB-IoT 基站,2019 年,我国预计将建成 90 万个 NB-IoT 基站、到 2020 年将建成超过 150 万个 NB-IoT 基站、到 2025 年 NB-IoT 基站规模将达到 300 万。

目前,中国移动在全国已经建成 NB-IoT 基站超过 20 万,覆盖 346 个城市。根据中国移动预测,2019 年底,中国运营商蜂窝物联网连接超过 11 亿,其中,中国移动蜂窝连接超过 7.8 亿。据悉,2018 年中国移动物联网终端补贴成本投入 20 亿元,其中,10 亿是专门给 NB-IoT,最高补贴率可以到达 80%,还推出了 20 元和 40 元两档 NB-IoT 套餐,希望满足不同的行业客户对网络的需求。

中国电信早在 2018 年就已建成了全球最大的 NB-IoT 网络,建成 NB-IoT 基站超过 40 余万个,实现城乡全覆盖,承载 1 亿物联网连接。在资费方面,中国电信 2018 年 6 月 20 日发布了 NB-IoT 业务套餐,该资费套餐是按照“连接次数”计费,套餐内规定一定的连接数,超出套餐外的连接次数部分另行收费。

中国联通在去年中旬就宣布已经完成了 30 万个 NB-IoT 基站升级工作,已经在全国数十个城市开通 NB-IoT 试商用,全国已经有 300 多个城市具备快速接入物联网的能力。

此外,国外众多运营商也纷纷支持 NB-IoT,Vodafone、德国电信、软银等几十家运营商均已经部署了 NB-IoT 商用网络,美国 T-Mobile 也已经宣布商用了 NB-IoT,全球运营商的创新先锋 AT&T 和 Verizon,也积极进行 NB-IoT 的商用试点。

多维度下的 NB-IoT

在智能水表、智能气表、电动车跟踪、智能烟感等行业应用预计将在一两年内出现千万级连接,并且有望将很快达到十亿级别规模。在国内,三大运营商对于 NB-IoT 的热情持续高涨,如在基站建设方面,业界预计 2019 年我国将建成 90 万个 NB-IoT 基站;

凭借广覆盖、低功耗、低成本、大连接等特点,NB-IoT 已经成为蜂窝物联网领域的主流技术。根据市场研究机构 Counterpoint IoT 的最新研究数据显示,全球物联网蜂窝连接数将在 2025 年突破 50 亿大关,其中 NB-IoT 的贡献比将接近一半。

产业链规模方面:伴随 NB-IoT 海量连接需求的出现,对于 NB-IoT 模组以及 NB-IoT 芯片都带来了强烈需求。例如芯片侧,NB-IoT 等物联网 SoC(即将 MCU 和调制解调器/基带实现集成)正在推动掀起下一波物联网浪潮,包括海思、高通、联发科、移芯等在内的芯片企业都在角逐 NB-IoT SoC 芯片市场,目前已有十几家 NB-IoT 芯片厂家,上百个型号的模组,1500 多个产业伙伴,以及公共事业、医疗健康、智慧城市、消费者、农业环境、物流仓储、智能楼宇、制造行业等十余个行业标准逐渐落地,NB-IoT 已经完全具备替代 2G/3G 窄带物联网技术的能力;

模组价格方面:NB-IoT 价格已经逼近 2G 模组,随着芯片出货量的增加以及生态的成熟,NB-IoT 模组售价有望继续降低;

标准方面:早在 3GPP R13 协议中,NB-IoT 核心标准就已冻结;R15 协议更是支持 NR 与 NB-IoT 的共存部署方案,从而确保了 5G 部署后存量的 NB-IoT 终端业务不受影响;在 R16 协议中,NB-IoT 仍然将是 LPWA 的主要应用技术,更是明确支持 NB-IoT 接入 5G 新核心网,确保 NB-IoT 在 5G 时代技术发展的连续性;在即将于 2019 年年底启动立项的 R17 协议中,爱立信、高通等公司明确提出 R17 LPWA 基于 NB-IoT 继续演进。

NB-IoT 芯片厂商

从 NB-IoT 技术诞生可以看出,NB-IoT 技术一直被行业大佬所支持,目前国内 NB-IoT 芯片厂商都有哪些?

NB-IoT 芯片厂商:

国内:华为海思、紫光展锐、联发科、中兴微电子、上海移芯、创新维度、芯翼信息、松果电子、智联安、ASR、汇顶科技等;

国外:高通、三星、Altair、思宽、Nordic、GCT、Riot Micro、CEVA 等。

NB-IoT射频前端芯片厂商:

国内:紫光展锐、汉天下、慧智微、飞骧科技、三伍微等;

国外:Skyworks,Qorvo。

结语

今年随着 5G 牌照的发放,正式进入 5G 元年,5G 具有 Gbps 以上超高带宽、毫秒级超低时延、以及高可靠等优势,除了商用初期应用于 eMBB 增强型移动宽带以外,充分利用 5G 蜂窝网络,还将带动超宽带、低时延物联网的发展,助推行业数字化转型。

那么在大带宽的 5G 时代,NB-IoT 下一步的演进将何去何从?

事实上,对于 NB-IoT 的未来走向,3GPP 早已指明了方向:NB-IoT 将继续服务于 5GLPWA 用例,我国向国际电信联盟提交的 5G 候选技术方案将 NB-IoT 作为重点之一,也与 3GPP 等国际标准化组织的技术演进路线保持一致。

对于 NB-IoT 的未来走向,可以预见 NB-IoT 还会与现有网络共存共生。基于 4G 的 NB-IoT 和基于 5G 的 NB-IoT 将会是长期共存,两者不是竞争和替代关系,而是相辅相成。同时 5G 指明了 4G 的未来演进路线,从而给予了垂直行业采用可持续演进和升级的 3GPP 技术的信心,能够满足行业市场深化部署和优化性能的未来发展需求。

当产业走到万物互联的 5G 时代,NB-IoT 也将迎来了新的发展机遇。

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