通信黑科技NB-IoT 開啟低功耗大連接物聯網序幕

2016年6月16日，3GPP RAN全會第72次會議在韓國釜山順利結束。

NB-IoT (Narrow Band Internet of Things，窄帶蜂窩物聯網)作為3GPPR13一項重要課題， 其對應的3GPP協議相關內容獲得了RAN全會批准，正式宣告了NB-IoT標準的核心協議即將凍結。

標準化工作的成功完成也標誌著NB-IoT即將進入規模商用階段。

NB-IoT：搶灘低速率物聯網市場

近年來，物聯網技術在行業應用中的比例逐年提高。

以沃達豐為例，儘管業務比例在總收入中仍然很小，不足1%，但成長迅速，沃達豐的物聯網業務收入從2011年的1.25億英鎊快速增長至2015年的3.72億英鎊，增速驚人。

據市場研究機構Gartner預測，2016年全球將會使用64億個物聯網設備，屆時每天將有550萬個設備連網，在2016年與消費者物聯網硬體及應用相關的市場規模應可達到5460億美元， 而企業物聯網領域的支出則會高達8680億美元。

「萬物互聯」實現的基礎之一在於數據的傳輸，不同的物聯網業務對數據傳輸能力和實時性都有著不同要求，根據傳輸速率的不同，可講物聯網業務進行高、中、低速的區分：

高速率業務：主要使用3G、4G技術，例如車載物聯網設備和監控攝像頭，對應的業務特點要求實時的數據傳輸;

中等速率業務：主要使用GPRS技術，例如居民小區或超市的儲物櫃，使用頻率高但並非實時使用，對網絡傳輸速度的要求遠不及高速率業務;

低速率業務：業界將低速率業務市場歸納為LPWAN(Low Power Wide Area Network)市場，即低功耗廣域網到目前還沒有對應的蜂窩技術，多數情況下通過GPRS技術勉強支撐，從而帶來了成本高、影響低速率業務普及度低的問題。

物聯網中的低速率業務(LPWAN)正是NB-IoT起源的土壤，NB-IoT的出現對LPWAN領域影響重大，使得該方案具備了通信層技術基礎，有效節約了成本，促進了該領域物聯網技術的加速滲透。

在近幾年中，為了應對物聯網的需求，運營商向各行業提供M2M業務。

此前，這些M2M業務大多採用GPRS的方式，但其中不少終端也具有低數據速率要求。

當LPWAN技術開始商用時，GPRS在成本、功耗、覆蓋等方面的不足暴露出來，不少應用場景更適合採用LPWAN方式。

根據中國移動的數據，截止2015年底其M2M接入終端數量已超過6000萬，而到2016年底這一數字可能超過1億，這是一個龐大的終端群體。

隨著2G 網絡退網提上議事日程，未來這一存量群體中窄帶終端向NB-IoT網絡的遷移的策略也提上議事日程。

NB-IoT優勢顯著，解決「長尾」智能終端的通信層問題

NB-IoT在物聯網應用中的有很多明顯優勢：

覆蓋更廣：在相同頻段，NB-IoT比現有網絡增益20dB，覆蓋面積擴大100倍，明顯優於傳統蜂窩網技術及藍牙、Wi-Fi等短距離傳輸技術;

可支持海量連接：NB-IoT的一個扇區能夠支持多達10萬個連接。

以目前全球現存的約500萬個基站為基礎，如果全部部署NB-IOT，每個基站3個扇區，則可接入的終端將高達4500億個;

功耗低：NB-IoT功耗僅為2G的1/10，終端模塊待機時間可長達10年;

支持大數據：NB-IoT智能傳感器終端所採集的數據可以直接上傳雲端，相比於藍牙、Wi-Fi優勢明顯。

圖表1：NB-IoT具有成本低、覆蓋好、容量大、組網靈活的優勢

物聯網設備從終端角度來看，呈現出明顯的多樣化特徵。

物聯網設備既包括高頻的實施視頻監控，以及中頻的POS機，也包含大量的頻次使用極低的物聯網終端設備。

但與巨量低速率業務需求不匹配的是到目前還沒有對應的蜂窩技術，多數情況下通過GPRS技術勉強支撐，從而帶來了成本高、影響低速率業務普及度低的問題，從而形成了巨大的「長尾」市場空間。

而NB-IoT的出現和未來的逐漸商用，彌補了物聯網通信層的短板，為大量「長尾」物聯網設備創造了低成本的統一通信層。

如同在移動網際網路中，人們在智慧型手機和平板電腦上創造了豐富的應用，以響應各種形式的「長尾」需求，基於NB-IoT 的物聯網，將催生比移動網際網路更為豐富的「長尾」應用。

由於應用背景的限制，NB-IoT技術一般不會應用在4K電視、智慧型手機、車載娛樂等高耗流的物聯網終端;也一般不會用在ADAS、虛擬現實等高實時性終端。

NB-IoT將在低耗能、低信息量、巨量化傳感器網絡中應用，領域包括：

1.以水電氣的智能抄表業務為代表的智能家居業務;

2.以郵筒、垃圾箱、路燈、下水道、停車位管理為代表的智慧城市業務;

3.以快遞、寵物、畜牧業、兒童老人跟蹤為代表的智能追蹤業務;

4.以可穿戴健康設備為代表的智能醫療業務;

5.其他工業領域小規模、長時間數據收集案例或周期性控制應用。

NB-IoT商用後，不僅能夠解決抄表、數據傳輸等問題，更刺激了海量低頻設備入網，如建築中的滅火器、科學研究中使用的各種監測器，此類設備在生活中出現的頻次很低，但匯集起來總數卻很可觀。

所以，當NB-IoT部署後，能夠實現網絡接入的終端種類將極大豐富，類型多樣、小量級的終端設備將會大量入網，促成物聯網產業形成較之移動網際網路有過之而無不及的更長的「尾部」形態特點。

NB-IoT使用授權頻譜，領先LoRa等競爭技術

作為通信行業的重要標準化組織，3GPP 2016年對於長距離、低速率、低功耗、多終端傳輸技術和終端標準化也已布局。

3GPP針對不同業務，將終端分成不同類別，其中物聯網終端有Cat-1、Cat-0、Cat-M1和Cat-NB1等類別。

Cat-1定位性能弱於3G傳輸的終端設備，實現10Mbps的下行速率。

其性能相對於後來的NB-IoT協議終端仍然較高，占用資源也較多，未來預計會成為各種物聯網協議的補充方案。

在Rel-12中，3GPP又提出了針對Cat-0終端的新協議，將信息傳遞速率進一步降低，減少了晶片設計的複雜度。

最近，3GPP基於LTE演進、GSM演進和Clean Slate方案，分別提出了LTE-M、EC-GSM和NB-IoT技術，並在LTE Rel-13版本進行支持。

和NB-IoT一樣，Ingenu、LoRa和Sigfox都是面向低速率、低功耗無線物聯網應用的通信技術。

然而Ingenu、LoRa和Sigfox在工作中使用未授權的頻譜，這造成了利用這些技術通信的節點易受到干擾，存在不穩定情況。

因此，競爭對手技術無法實現運營商級的廣域網絡部署運營，更適合企業自身區域網絡的搭建。

圖表2：NB-IoT同競爭技術對比

總體看，NB-IoT從覆蓋能力、節能性、安全性、標準性、QoS、建網方便程度、生態系統和應用範圍綜合考慮全面超越其他技術，成為最適合長距離、低速率、低功耗、多終端物聯網業務的通信技術。

NB-IoT標準快速確立，我國企業貢獻突出

NB-IoT技術協議於6月16日獲得了3GPP無線接入網(RAN)技術規範組會議通過。

從立項到協議凍結僅僅用時不到8個月，成為史上建立最快的3GPP標準之一。

在9月完成性能標準制定和12月完成一致性測試後，NB-IoT即可進入商用階段。

高效率體現出該技術落地的迫切和各個公司在其中的努力。

NB-IoT的發展是華為、沃達豐和高通等共同提出的NB Clot技術和愛立信提出的NB LTE技術的結合。

我國華為和中興公司在全過程中都有較多貢獻，推動了技術的發展，引領了產業進步。

NB-IoT的標準制定過程中，3GPP各家參與公司均貢獻了大量的提案，從標準制定最初GERAN的SI階段開始，各公司共計提交了3205項提案，最終通過了447項，其中華為貢獻提案1008項，184項獲得通過，占通過提案總數的41%，位居各家參與公司之首，從而成為了NB-IoT標準的主要推動者。

華為在NB-IoT的標準制定的各個階段的突出貢獻，一方面奠定了中國企業在NB-IoT領域的產業地位，另一方面極大刺激了中國物聯網領域的產業發展。

中興通訊作為技術推進者之一，在NB-IoT技術中擁有核心競爭力。

公司已著手和中國移動聯合演示，採用基於NFV功能的虛擬核心網，無線網絡利用成熟商用的4G基站設備，實現NB-IoT基本功能和業務流程及多個關鍵特性。

演示在成熟的現網商用基站上和虛擬化核心網進行，意味著中興通訊已擁有幫助運營商快速完成NB-IoT商用部署的能力。

據新聞報導，目前中興通訊正按工信部的要求準備850M、900M和1800MHz等多種頻段基站，今年10月份前後，中興通訊將會有基於標準NB-IoT的外場業務演示，到年底有規模外場實驗。

2015年11月，華為聯合主流電信運營商、設備廠商、晶片廠商和相關國際組織，在華為香港MBB論壇期間舉辦的NB-IoT論壇籌備會上，正式宣布成立了GSMA NB-IoT Forum產業聯盟。

該產業聯盟聚集了21家運營商、3家主流設備廠商、7家晶片模組廠商，旨在加速窄帶物聯網生態系統的發展，其中7家運營商成員隨即宣布將同華為展開深入合作，在全球範圍內成立6個NB-IoT實驗室。

作為技術的推進者，以華為為代表的科技公司已與全球多家運營商在全球範圍進行了基於NB-IoT技術的物聯網方案的實踐。

全球移動運營商聯盟近日預計，到2017年年末，全球將會有20個NB-IoT運營商網絡上線;24家運營商已經決定支持NB-IoT網絡運營。

圖表3：華為NB-IoT解決方案和各類實踐應用

伴隨華為在NB-IoT領域的領導角色的凸顯，國內電信運營商的技術升級也將迅速展開。

三大運營商都已明確將NB-IoT的部署列入其網絡規劃和戰略方向中，近期依靠窄帶網際網路實現設備的海量連接，中期通過光纖技術降低時延，遠期通過5G技術解決未來高耗流應用問題，形成三層次的立體網絡。

而窄帶網際網路是物聯網發展的最適合方式。

2016年第三季度，中國三大電信運營商移動、電信和聯通預計會大範圍進行基站升級支持NB-IoT標準。

根據公開資料，至2016底，中國移動會在4個城市、中國聯通將會在6個城市分別試點NB-IoT的商用。

圖表4：三大運營商NB-IoT布局

晶片廠商卡位NB-IoT 新機遇，分享物聯網市場盛宴

晶片是物聯網的核心設備，在物聯網的各類型應用中居於核心地位。

物聯網晶片主要包括：MCU、FPGA、Memory、Sensor、連接晶片等。

隨著NB-IoT的商業化，物聯網有望得到快速發展，相伴而來物聯網晶片市場將會徹底打開。

根據分析機構Markets and Markets預測，2016-2022年全球物聯網晶片市場複合成長率將高達11.5%，2022全球物聯網晶片市場規模或將超100億美元。

各大主流晶片廠商也都紛紛推出NB-IoT布局計劃：華為已推出樣機晶片並在外場驗證，將於2016年下半年進入商用;高通已規劃晶片MDM9206，預計將於2017年上半年投入商用;英特爾宣布支持NB-IoT、MTK也表示將會跟隨3GPP標準，並都規劃了對應晶片產品。

隨著NB-IoT商業化進程不斷臨近，將有效推動物聯網產業鏈發展。

還將湧現如大唐電信、東軟載波、北京君正等一批中國晶片廠商在物聯網產業鏈發展中發光發熱。

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