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万物互联之NB-IoT技术

  如今物联网技术在行业应用的比例逐年提高,渗透生产制造、交通物流、健康医疗、消费电子、零售、汽车等应用行业。万物互联的时代正以极其迅速的脚步走进我们的生活。

  物联网的无线通信技术很多,主要分为两类:一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网),即广域网通信技术。LPWA又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

万物互联之NB-IoT技术

  NB-IoT

  NB-IoT,你以为是Niubility Internet of Thing?不不不,NB-IoT是指窄带物联网(Narrow Band -Internet of Things)技术。

  “万物互联”实现的基础之一在于数据的传输,不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同要求。

  根据传输速率的不同,可将物联网业务进行高、中、低速的区分:

  • 高速率业务:主要使用3G、4G技术,例如车载物联网设备和监控摄像头, 对应的业务特点要求实时的数据传输;

  • 中等速率业务:主要使用GPRS技术,例如居民小区或超市的储物柜,使用频率高但并非实时使用,对网络传输速度的要求远不及高速率业务;

  • 低速率业务:业界将低速率业务市场归纳为LPWAN(Low Power Wide Area Network)市场,即低功耗广域网。目前还没有对应的蜂窝技术,多数情况下通过GPRS技术勉力支撑,从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。

  也就是说目前低速率业务市场急需开拓,而低速率业务市场其实是最大的市场,如建筑中的灭火器、科学研究中使用的各种监测器,此类设备在生活中出现的频次很低,但汇集起来总数却很可观,这些数据的收集用于各类用途,比如改善城市设备的配置等等。

  例如eMTC属于中等速率、高实时的物联网技术,适用于POS机、澳门银河在线官方网址家电等。NB-IoT适用于低速率、高延时的物联网场景,例如澳门银河在线官方网址抄表、澳门银河在线官方网址停车、车辆跟踪、物流监控、智慧农林牧渔业等。 各类应用占比分布如下图所示:

万物互联之NB-IoT技术

  由图可知,低速率的物联网应用在整个物联网市场中占比60%,拥有巨大的市场空间,目前尚处于空白状态,而NB-IoT以其具有的技术优势,特别适合低速率的物联网应用,因此受到运营商及物联网生态圈的青睐,也为运营商进入物联网市场开辟了新航道。

  NB-IoT技术具备的优势

  优势一:海量连接

  与传统的2G/3G/4G相比,NB-IoT有50~100倍的上行容量提升,200kHz带宽下单基站小区可支持5万用户。因此,与现有无线技术相比,NB-IoT可以提升50~100倍的接入数,同时进行了海量存储和接入控制的优化,适合海量接入的场景,例如澳门银河在线官方网址路灯、澳门银河在线官方网址垃圾桶、澳门银河在线官方网址井盖、澳门银河在线官方网址水表、澳门银河在线官方网址电表、澳门银河在线官方网址气表等。

  优势二:深度覆盖

  NB-IoT无线技术提升了功率谱密度,NB-IoT比LTE提升20dB增益,即覆盖能力提升100倍,很好地实现了广域覆盖,即使在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。这解决了现有LTE无线信号难以覆盖到的问题,例如部署在楼宇、地下车库、地下室内或地下管道内的水表、电表、气表等场景。

  优势三:低功耗

  NB-IoT节电技术DRX(Discontinuous Reception)和PSM(Power Saving Mode),通过减少不必要的信令和在PSM状态时不接受寻呼信息来达到省电的目的,可让设备时时在线,保障电池5年以上的使用寿命。这满足了物联网设备低功耗长待机的关键需求,特别是无持续供电或无法更换电池的场景,如野生动物跟踪、恶劣条件下的传感器设备等,这些设备的待机时间通常要求5年以上。

  优势四:低成本

  NB-IoT核心网相对传统EPC核心网增加了“小包数据控制面传输优化、节电优化(PSM、eDRX)”,信令流程简化、大幅降低消息交互,实现NB-IoT的低移动性接入。低速率、低复杂度带来的是低成本,NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相关,尺寸越小,成本越低,NB-IoT在射频上做了优化,模块的成本随之变低。

万物互联之NB-IoT技术

  不过,NB-IoT仍有着自身的局限性。在成本方面,NB-IoT模组成本未来有望降至5美元之内,但目前支持蓝牙、Thread、ZigBee三种标准的芯片价格仅在2美元左右,仅支持其中一种标准的芯片价格不到1美元。巨大的价格差距无疑将让企业部署NB-IoT产生顾虑。

  NB-IoT的发展史

万物互联之NB-IoT技术

  1、2014年华为与沃达丰共同提出NB-M2M

  2、2015年5月,华为和高通共同宣布了一种融合的解决方案,即上行采用FDMA多址方式,下行采用OFDM多址方式,命名为NB-CIoT(Narrow Band Cellular IoT)。

  3、2015年8月10日,在GERAN SI阶段最后一次会议,爱立信联合几家公司提出了NB-LTE(Narrow Band LTE)的概念。

  4、2015年9月,3GPP在2015年9月的RAN全会达成一致,NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合形成了NB-IoT WID。NB-CIoT演进到了NB-IoT(Narrow Band IoT),确立NB-IoT为窄带蜂窝物联网的唯一标准。

  5、2016年4月,伦敦 M2M 大会上华为宣布与沃达丰成立NB-IoT开放实验室

  6、2016年4月,NB-IoT物理层标准在3GPP R13冻结。

  7、2016年6月,NB-IoT核心标准正式在3GPP R13冻结。

  8、2017年一季度,根据《国家新一代信息技术产业规划》,把NB-IoT网络定为信息通信业“十三五”的重点工程之一。

  9、2017年4月1日,海尔、中国电信、华为三方签署战略合作协议,共同研发基于新一代NB-loT技术的物联网智慧生活方案。

  10、2017年4月25日,全球移动通信设备供应商协会发布数据,目前全球仅有4张NB-IoT商用网络。但同时又指出,至少有13个国家的18家运营商规划部署或正在测试40张NB-IoT网络。

  11、2017年5月,软银与爱立信合作,将在日本全面部署Cat-M1和NB-IoT网络,以期率先在日本国内推出商用蜂窝物联网业务。

  12、2017年5月,中国联通上海宣布5月底完成上海市NB-IoT商用部署。上海联通在2016年上半年,建设了全球首个pre NB-IoT大规模连续覆盖区域—上海国际旅游度假区,并携手华为共同发布NB-IoT技术的澳门银河在线官方网址停车解决方案。

  13、2017年5月,据透露华为NB-IoT芯片Boudica 120在6月底将大规模发货。

  从以上材料,我们看到NB-IoT的发展历史,同时也看到了华为在NB-IoT上所起的带头作用。一流企业做标准,这句话对通信行业来说,有高通等公司的榜样,所以华为的意图是很明显的。

  NB-IoT的产业链

  相对于传统产业,物联网的产业生态比较庞大,需要从纵向产业链和横向技术标准两个维度多个环节进行分析。

  对于低功耗广域网络,从纵向来看,目前已形成从“底层芯片—模组—终端—运营商—应用”的完整产业链。

  芯片在NB-IoT整个产业链中处于基础核心地位,现在几乎所有主流的芯片和模组厂商都有明确的NB-IoT支持计划。

  从上述NB-IoT标准的演变历史上,华为和高通扮演着非常重要的角色。现在的NB-IoT就是从华为和高通融合产生的解决方案NB-CIoT演化而来的。

  华为的NB-IoT策略

  作为NB-IoT的积极参与者华为而言,NB-IoT是一个大战略,据说华为所有的部门都积极参与其中。

  其实早在2014年,华为就斥资2500万美元收购了英国领先的蜂窝物联网芯片和解决方案提供商Neul,还计划以Neul为中心,打造一个全球级物联网。

  华为推出的NB-IoT芯片在硬币大小的尺寸内集成了BB和AP、Flash和电池管理,并预留传感器集成功能。其中AP包含三个ARM-M0内核,每个M0内核分别负责应用、安全、通信功能,这样在方便进行功能管理的同时降低成本和功耗,后续推出的芯片还将会集成Soft SIM,进一步降低成本。

万物互联之NB-IoT技术

  除了芯片以外,华为在NB-IoT领域的布局可谓是全方位覆盖式的。

  在去年的世界移动大会物联网峰会上,华为正式面向全球发布了端到端NB-IoT解决方案,主要包括:Huawei Lite OS与NB-IoT芯片使能的澳门银河在线官方网址化终端方案、平滑演进到NB-IoT的eNodeB基站、可支持Corein a Box或NFV切片灵活部署的IoT PacketCore、基于云化架构并具有大数据能力的IoT联接管理平台等,满足了运营商IoT业务低功耗广域覆盖的核心需求。

  另外在去年第二届中国NB-IoT产业联盟高峰论坛上,华为的NB-IoT项目负责人许海平更是表示了华为正在建设的开放实验室将更好地为NB-IoT端到端业务服务。“从今年开始,华为在全球设立了七个开放实验室,现已开放了两个,一个是沃达丰,另外一个是华为的上研所。

  开放实验室主要是搭建整套的端到端NB-IoT环境,提供NB-IoT的芯片和模组,和一些关系比较密切的合作厂商一起来做端到端的对接,包括芯片模组的集成、后端的联接管理平台、业务服务器的对接等。

  沃达丰的开放实验室主要是针对的欧洲的合作厂商,上海的实验室主要是针对中国区的,九月份还将在韩国成立一个open lab,意大利等国家也会相继推进。”

  高通在NB-IoT上的解决方案

  高通认为在未来5年里,从物联网的角度来说,LTE依然是发展基础。3GPP Release 13下引入的NB-IoT将继续随着3GPP的发展而演进,大规模物联网(Massive IoT)所需的低成本、低功耗等将依靠LTE NB-IoT技术从蜂窝连接的方面推动其发展,为物联网5G技术发展打好基础。

  高通去年年初推了的MDM 9x07,支持Cat 4,最高支持150Mbps;另外一个是MDM 92071,支持Cat 1的标准;还有去年10月推出的MDM9206,支持CatM1,后期通过软件升级可以支持NB-IoT。模块OEM厂商预计于2017年初发布基于MDM9206、支持Cat M1的模块,而对于Cat NB1的支持预计在此之后不久,通过软件升级的方式实现。

  另外,在目前的Release 13中,NB-IoT不支持VoLTE,不过在未来的Release 14中,高通就会尝试增加语音功能的支持。随着NBIoT不断演进,高通希望它能为适用于5G的物联网标准打下基础。

  通信运营商

  包括中国、韩国、欧洲、中东、北美的多家主流运营商已经开展了基于pre-standard 的NB-IoT技术的试点,并开启了端到端的技术和业务验证。

  1、中国电信

  中国电信正在积极跟进NB-IoT技术发展,并正式立项对NB-IoT关键技术、终端和业务开展研发。在具体部署方案上,将基于全覆盖的800M LTE网络部署NB-IoT;基站同时支持LTE和NB-IoT与800MLTE基站共享基带、射频及天馈资源。同时,为了规避可能的频率干扰,并考虑LTE800后续演进的灵活性,优先考虑独立工作模式。

  2、中国移动

  对于中国移动来说,其公众物联网平台自2014年11月底正式商用,截至今年6月,用户已超过2700万。目前,中国移动正加快推进全球统一标准窄带物联网产业成熟和物联网应用创新,构建物联网开放实验室,促进芯片和模组成熟发展,打造一张低成本、低功耗、广覆盖、高可靠的公共物联网,力争2017年实现商用。

  3、中国联通

  中国联通在2015年7月,建成并开放全球第一个NB-IoT新技术示范点;2016年上半年上海迪斯尼物联网启动商用; 2015年-2016年开展了NB-IoT业务试点及试验,目前正推进重点城市(北京、上海、广州、深圳、银川、长沙、福州)的NB-IoT商用部署,计划在2017年实现规模商用,2018年则将开始全面推进国家范围内的商用部署。

  中国联通部署在900MHz、1800MHz频段,用于NB-IoT和VoLTE。在900MHz采用DSSS动态频谱解决方案,在1800MHz连续覆盖区域,部署5MHz带宽的LTE,在没有1800MHz连续覆盖的区域,带宽自动缩窄到 3MHz,但中心频点保持不变,两侧空出的频谱,自动部署14个GSM频点。

  其他厂商

  从横向来看,产业链每一环节都有NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu等不同技术标准的厂商存在。

  像Lora、Sigfox等,属于工作在非授权频段的技术,这类技术大多是非标、自定义实现;而像GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术是工作在授权频段的技术,这类技术基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演进技术的相关标准)或3GPP2(主要制定CDMA相关标准)等国际标准组织进行了标准定义。

  下面我们会选取目前已形成较为完善产业生态的NB-IoT和LoRa两种技术标准,对每一环节的市场集中度进行大体预估,集中度的大小反映在下图对应矩形框的长度,长度越长,集中度越高,长度越短。

万物互联之NB-IoT技术

  在底层芯片领域

  众所周知,当前华为海思、高通、英特尔、MTK、中兴微电子、大唐、展讯等厂商已有NB-IoT芯片的研发计划和实施步骤,原有LTE芯片能力的厂商均可参与,没法形成前2-3家垄断大部分市场,不过由于这一领域的厂商数量并不多,因此也不会形成大量市场参与者,市场集中度会保持在50%以下;而在LoRa阵营中,目前射频芯片供应集中在Semtech一家厂商,占据绝大多数市场份额,从而形成大于80%的市场集中度。

  在模组环节

  由于具备渠道、技术、规模的优势,很多NB-IoT模组的出货量应该掌握在原来拥有2G/3G/LTE模组产品线的厂商手中,这一群数量相对较多,再加上一些新的厂商进入该领域,故也无法形成较高的市场集中度;在LoRa模组群体中,原有厂商多为中小企业,在LoRa应用越来越多的情况下,还有不少厂商入局,使得整个市场形成相对充分竞争状态,市场集中度较低。

  在终端环节

  由于低功耗广域网络通信技术是大量行业、消费终端所需要的,而终端的种类多种多样,无法形成少数企业拥有大规模终端的市场,因此终端市场极为分散,市场集中度较低。

  在通讯设备和平台环节

  由于华为、爱立信、中兴、诺基亚等通讯设备厂商是NB-IoT标准的核心参与者和推动者,在蜂窝通信市场上,这些主流设备厂商占据绝大多数市场份额。

  在NB-IoT的商用中,也不可避免占据绝大多数份额,可以说在这一环节的市场集中度较高,可能达到80%以上;而对于LoRa来说,一开始就有大量中小企业参与LoRa基站设备和管理平台的研发和生产。

  目前具备整体方案提供能力的厂商很多,因此并不能形成高市场集中度,而在国内中兴通讯发起的中国LoRa应用联盟(CLAA)推出的共享模式或在一定程度提升设备和平台的集中度,但仍然不会达到NB-IoT在这一环节的高集中度。

  在运营商环节

  主流运营商非常明确会部署并运营NB-IoT网络,也就是说,未来的NB-IoT网络运营仍将集中在三大运营商手里,所以这一领域的市场集中度为100%;而对于LoRa网络运营来说,由于要满足各类政企行业用户多样化的需求,将来可能会出现多种形式的运营商,包括CLAA的跨地域云网络运营商、行业级网络运营商、企业私网运营商等,因此市场集中度非常低。

  至于应用环节

  不论是NB-IoT还是LoRa网络,均要面对成千上万多样化的应用需求。这些物联网的应用没法形成如传统通信时代数亿级同质化应用业务,而是碎片化特点突出,即时同一行业中也有千差万别的需求,因此应用环节不会形成高度的市场集中态势。

  总结来看,非常明显的是NB-IoT的产业链上多个环节具有高度市场集中度,可以看出这一领域更多是巨头主导;LoRa产业链上芯片环节形成高度市场集中度,其他环节皆是大量参与者的形态。

  NB-IoT市场投资机会

  目前NB-IoT市场炒作非常热,产业链也包含了许多不同的硬件:芯片、模块、终端设备等等,可以说给各个层面的企业及产业资本提供很大的机会,纵观这些投资机会,DR君觉得以下两个创投领域非常值得关注:

  1、传感器

  NB-IoT无疑促进了物联网的产业生态,让传感器可以深入到细分市场,带来巨大的商业机会。全球传感器产业到2020年前后将拥有接近3000亿美元的市场规模,而有券商认为,中国企业将在这个千亿级的传感器市场中占有三分之一的份额,发展空间巨大。

  2、应用

  虽然底层硬件非常重要,但真正让这些装置发挥加值效果,体现数据的价值和利益分享的价值,还是需要为了特定服务目的开发的应用软件,这些更是未来巨大的市场,将为进入该领域的业者和资本提供更大的机会。

  相比面向娱乐和性能的物联网应用,NB-IoT面向低端物联网终端,更适合广泛部署,在以澳门银河在线官方网址抄表、澳门银河在线官方网址停车、澳门银河在线官方网址追踪为代表的澳门银河在线官方网址家居、澳门银河在线官方网址城市、澳门银河在线官方网址生产等领域的应用将会大放异彩。

  从目前来看,全球基于蜂窝通信网络的物联网连接数约占总物联网连接数的10%,据统计,2016年全球使用64亿物联网(IoT)设备,比2015年增长了30%,市场规模约为1200亿元。根据前瞻产业研究院的预测,到2022年全球将有770亿设备连接到物联网,市场规模超万亿美元,其中NB-IoT未来将覆盖30%的物联网连接,达到232亿个连接。

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