2019年中國低功耗廣域網的市場現狀與趨勢

作爲低功耗廣域網(LPWAN)技術的一種,NB-IoT占據了物聯網市場非常大的應用比例。業界人士認爲,未來在整個物聯網的應用中,NB-IoT(窄帶物聯網)的比例將達到70%。

我們經常會在各種場合上聽到“萬物互聯”的美好願景,未來由網絡構成的數字世界將占據我們生活的很大一部分,物聯網也將是萬億級別的龐大市場。據全球知名研究機構Gartner預計,到2020年,全球物聯網終端數量將達到260億台,銷售收入將超過3000億美元,帶動經濟總量將超過1.9萬億美元。

作爲人口大國的中國,物聯網市場的發展也將有極大的空間。賽迪智庫報告顯示,預計到2020年,中國物聯網的市場規模將達2萬億元人民幣。

值得注意的是,作爲低功耗廣域網(LPWAN)技術的一種,NB-IoT占據了物聯網市場非常大的應用比例。業界人士認爲,未來在整個物聯網的應用中,NB-IoT(窄帶物聯網)的比例將達到70%。这也反映了,低功耗、NB-IoT将与我们的生活密不可分。

一、低功耗廣域網技術的組成

物聯網經過了幾十年的緩慢發展,在21世紀的第2個10年裏出現井噴發展的態勢。依據不同的性能特征,物聯網往下細分爲多種技術。從傳輸距離來劃分,物聯網技術可以分爲短距離無線通信技術和低功耗廣域網無線通信技術(LPWAN)。其中,短距離無線通信技術又可分爲Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等,主要在智能家居、智能建築等領域有較好的應用。

而低功耗廣域網無線通信技術按照授權與否來劃分,包括工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox、RPMA等技術,以及工作于授權頻譜下的NB-IoT、eMTC和EC-GSM-IoT。授權頻段下的低功耗廣域網最大的特點是可以通過現有的網址進行大規模的覆蓋。

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图1 低功耗广域网技术组成部分

未授权频谱 ·LoRa

LoRa是低功耗局域網無線標准,其模塊成本極低,具備功耗低,易于建設和部署,免牌照頻段節點的優點。相比NB-IoT,LoRa覆蓋面更廣且成本相對更低,支持靈活組網。但是隨著設備和網絡部署的增多,有頻譜幹擾情況的出現。又因爲技術過于集中不利于産業發展,同時,布局LoRa還需要自建基礎設施。

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收購,與LoRa不同的是,Semetch針對SigFox采用免費專利授權策略,其他同行無需授權就能生産SigFox芯片。早在2017年,就已經有超過71家設備制造商、49個物聯網平台供應商、8家芯片廠家、15家模塊廠家、30家軟件和設計服務商加入該生態系統。

SigFox的傳輸距離非常遠,可達50km、功耗極低。SigFox方案已經在全球24個國家進行了部署,其網絡注冊設備超過7百多萬台,具備全球性網絡服務的能力。但是,SigFox傳輸速率僅爲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,可大大降低物聯網的建设及运营成本。

其系統容量大,當設備每小時傳輸100個字節的信息,采用RPMA可接入24.9萬個設備。另外,RPMA采用全球統一的頻段,可實現全球漫遊。還具備雙向通訊,可通過廣播的方式對終端設備進行控制或升級。

·Weightless

由ARM和Neul推動,目前以主要在英國、丹麥等歐洲國家應用。Weightless標准體系的演變包括3個子集:用于低功耗廣域網應用的Weightless-P;用于寬帶物聯網應用的Weightless-W;用于超窄帶應用的Weightless-N。Weightless支持Sub-1G頻譜的全部頻段,包括ISM頻段和授權頻段。

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,中文译名为窄带物聯網。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。

不過,NB-IoT必須由運營商來部署,NB-IoT模塊現在成本仍較高,隨著使用量的增加未來其成本將會降低。NB-IoT是中國目前比較主流的物聯網技術。

·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,是低功耗物聯網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向物聯網演進的技術。該技術的特點是通信可靠、安全,可與GSM混合部署,無須額外的頻譜資源。不過GSM終端的峰值功耗超過4W,對電池的要求較高。同時,獨立部署EC-GSM需要的最小組網頻譜是2.4MHz,運營商規劃頻譜難度大,很多運營商己決定GSM退網,其産業鏈前景不明朗。

二、未來各種技術融合發展

物聯網研究公司IoT Analytics的数据显示,自2018年起,低功耗广域网络开始成为物聯網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。

研究機構Ovum也曾報告稱,NB-IoT或將主宰亞太地區的物聯網部署。不過,非授權頻譜的標准在利基市場也有很強的實施空間。實際上,當前並沒有一個技術能適用于所有的物聯網應用場景,也很難在短期內有一個統一的標准。因此,在龐大的物聯網應用市場中,各項技術的關系並非你死我活而是互補融合,未來各種技術協同發展的趨勢更爲明顯。

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表1 LPWAN技术的性能特征(部分)

在中國市場上,目前低功耗廣域網絡的各種標准都在開拓市場的階段,其中以NB-IoT和eMTC在在政府和運營商的共同推動下大有搶占先機之勢,同時LoRa、RPMA等非授權頻譜也在一些垂直領域也開始落地。可以預見的是,至少在未來相當長一段時間內,支持授權頻譜和非授權頻譜的低功耗廣域網技術將並存。未來或將形成1-2個主流技術,多個針對特殊應用場景的補充技術。

三、NB-IoT將是中國市場的主流

自2014年我國政府加強對集成電路産業的戰略支持以來,中國進口芯片和出口芯片的之間的逆差仍十分明顯。2018年,中國進口的芯片金額達3100億美金,而出口的芯片金額只有800億美金,我國進出口芯片的逆差高達2300多億,換算人民幣相差接近萬億元。上述數據反映了當前我國半導體行業正面臨嚴重缺“芯”的問題。

在此背景下,除了華爲主導的NB-IoT之外,其他的低功耗物聯網的核心技術仍掌握國外企業的手中。目前,中國市場上的LoRa、SigFox等芯片都主要依靠進口,或許我們能從NB-IoT芯片的發展上得到一些啓發。

NB-IoT在中國的發展歸屬于多方努力的結果,不僅有華爲的帶動,政府的扶持,還有運營商的布局。

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。

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图2 NB-IoT的演变历程 制图:国际电子商情

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图3 NB-IoT的演变历程 制图:国际电子商情

除了企業推動之外,工信部先後在2017年6月發布了《關于全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》,在2018年5月發布了《國資委關于深入推進網絡提速降費加快培育經濟發展新動能2018專項行動的實施意見》。這兩個文件都針對NB-IoT,在推動該技術的發展中起到了非常重要的作用。在2017年頒布的文件中,明確了對NB-IoT基站建設的目標,2020年將完成150萬個基站建設。2018年頒布的文件中,要求進一步加速NB-IoT等物聯網基礎設施的建設。

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表2 工信部关于NB-IoT的政策

在運營商布局方面,電信是三大運營商中首個完成覆蓋全國的NB-IoT網絡建設的運營商,目前已經實現了31萬個基站升級。另外,電信還是NB-IoT商用的推動者。2018年6月,中國電信與ofo、華爲聯合開發的基于NB-IoT技術的物聯網智能鎖商用,標志著在中國NB-IoT技術首次落地商用。

當前,中國移動已經形成了覆蓋雲-管-端的物聯網能力,物聯網連接數突破2.3億。同時,移動還新建了NB-IoT精品網絡基礎設施。在芯片産品方面,自2016年11月移動發布第一款産品以來,到目前已經發布了多款NB-IoT芯片

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