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物联网网络层分析——NB-IOT详解

来源:物联卡平台(全惠通物联) 591

摘要

物联网网络层分析——NB-IOT详解

在移动互联网解决了人与人之间的连接问题之后,解决“物物互联”、“人物互联”的“万物互联”时代来袭,我们知道,解决互联的问题摆在首位的问题如何连接的问题。
3GPP上将物联网的场景分为三个部分:
(1)增强移动宽带场景,通过高速率的通信技术,进一步提升用户体验的性能。具体的应用场景如:远程医疗、头戴设备VR、远程教育等;
(2)超高可靠和超低时延通信,通过通信技术的提升,解决超高可靠和低时延的需求。具体的应用场景如:车联网、无人机网络等。
(3)广覆盖、海量连接,场景为大连接场景,解决的需求是海量的设备接入问题,往往设备的通信传输对于速率和时延等要求并不是很高,具体的应用场景如:智慧城市、智慧家居、智慧工厂、智能物流等。
目前而言没有一种通信协议/标准/技术可以完全解决上面的所有需求,故新一代的通信技术是一种异构的网络,是由不同的网络组成的。而我们今天要讨论的是大连接场景的技术,也就是大连接场景下的通信技术——NB-IOT。
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从NB-IOT的由来和演进说起
NB-IOT全称Narrow Band IoT,窄带蜂窝物联网。
从字义上可以理解,其窄带是相对于宽带而言的,窄带是指NB-IOT的使用带宽为180KHZ,相对于2G网络GSM的25MHZ来说要窄,相对于其他通信标准来说也要窄,故称之为窄带。而蜂窝物联网是指NB-IOT运用的是运营商的频段,其频段为授权频段。(比如:我们现在手机上的4G信号就是运营商授权频段,故也称之为蜂窝)。
NB-IOT是多次通信会议上,就多标准融合的产物,其中我国的华为公司和美国的高通公司在其推进上起到了重要的作用。
2013年初,华为与相关业内厂商、运营商展开窄带蜂窝物联网研究,起名为LTE-M,在技术路径选择上有两种方向:一种是基于现有GSM演进思路;另一种是华为提出的新空口思路(命名为NB-M2M)。
2014年5月,由华为、沃达丰、中国移动、Orange、TelecomItaly等公司主导的SI(studyitem)在3GPPGERAN工作组立项,这两种思路都包含在内,LTE-M的名字演变为CellularIoT(简称CIoT)。
2015年5月,华为和高通共同宣布一项融合解决方案,即上行采用FDMA多址方式,下行采用OFDM多址方式,融合之后的方案叫NB-CIoT。2015年8月,在GERANSI阶段最后一次会议上,爱立信联合几家公司(中兴、诺基亚、三星、Intel)提出NB-LTE的概念。
2015年9月,RAN#69上NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合形成了NB-IoT。但在空口技术方面2015年12月才达成一致意见。
2016年6月16日,NB-IoT的3GPP标准核心部分正式冻结。2016年9月完成性能部分的标准制定,12月完成最后的一致性测试标准。
NB-IOT的演进图:


NB-IOT的演进路线资料来源于:华为

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NB-IOT的特点
部署方式:
由NB-IOT的演进路线可知,NB-IOT可以部署在GSM和4G-LTE的相关频段内,就其部署方式可以分为三种:
独立部署、保护带部署、带内部署。
NB-IOT可以在GSM上部署,也可以在LTE上部署。
1)单独模式(Stand-lone):即独立载波组网,将原本提供GSM服务的部分载波给NB-IoT使用,或者使用独立频谱进行单独部署。
2)保护带模式(Guardband):利用LTE系统边缘保护带上未使用的资源块。
3)带内模式(In-band):利用LTE正常载波中的资源块。


NB-IOT的部署方式资料来源于:华为

由于NB-IOT可在GSM、LTE上部署,目前部署的主要的频段在800MHZ/900MHZ和1800MHZ。中国联通的NB-IoT总体上采用900MHz、1800MHz混合组网方式部署;中国移动在其GSM网络频段上部署NB-IoT,因此中国移动目前只在900MHz、2GGSM上部署NBIoT,计划2017年规模试验、2018年全面商用;中国电信将800MHz作为部署NB-IoT的首选频段,2017年NB-IoT全面商用。
根据其部署的方式不同,其升级的方式也不同。
独立部署:需要重新建设站点、供应天线、射频、传输网等;
升级优化:只需要增加NB-IOT基带和升级软件版本,站点等无须重新建设。


中国联通网络升级方案资料来源于:中国联通

通信的需求和NB-IOT
NB-IOT既然是实现海量连接的一种标准/协议/技术,那么对于NB-IOT来说,其所解决的就是海量连接过程中存在的痛点,海量连接的痛点有:(1)连接数量较多;(2)要求覆盖范围大;(3)要求其技术的功耗较小,可以保证其设备长时间运行;(4)成本问题,成本相对于其他通讯协议具有优势。
所以,NB-IOT的特点可以从解决的实际痛点出发:


  • 支撑海量的终端设备(一个 NB-IoT 扇区可支持 5 万个连接点)
  • 实现深度室内覆盖(NB-IoT 比现有 GPRS 网络提升 20dB)
  • 终端设备省电、 低功耗(5Wh 的电池寿命达 10 年)
  • 终端对速率要求不高(上行时延可放宽至 10s)
  • 终端的成本低(NB-IoT 模块成本降至 5 美元以下,未来甚至要求 2 美元)

我们也将这种大连接、低成本的技术叫做LPWA(低功耗广覆盖物联网)。


NB-IOT的特点资料来源于:华为

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NB与其他通信协议对比
就目前的通信通信协议而言,按照覆盖范围的大小可以分为短距离通信协议和长距离通信协议,其中短距离通信协议主要有Zigbee、WiFi、蓝牙等,作为长距离通信协议的主要有:NB-IOT、LORA、SigFox。由于大连接场景对于覆盖范围的要求较大,所以短距离无线通信可能更适用于智能家居等覆盖范围很小的领域,在覆盖范围较大的领域没有充足的优势。这里我们只讨论长距离通信技术。
长距离通信协议也可以分为授权频段和非授权频段协议(在上面我们说过授权的理解和含义)。非授权频段有:Lora、SigFox;授权频段的有:2G/3G、EC-GSM、LTE-M、NB-IOT等移动蜂窝通信技术。
LTE-M和NB-IOT
3GPP一直努力推动MTC(Machine-typeCommunication)相关技术的国际标准制定,目前在3GPP规范中有三种关于物联网的无线接入技术,分别是NBIoT、EC-GSM和eMTC。对于EC-GSM本身存在一定的局限性,我们这里不做讨论。
对比eMTC和NB-IOT来说,其上下行速率可以达到1Mbit/s,其对具有移动性、速率变化的应用场景比较适合,时延在100ms级,具体的应用场景主要在智能手表、语音等一些应用需求上。相对于NB-IOT,虽然在速率和时延上有了不小的提升,但是其在成本和覆盖范围上,较为逊色于NB-IOT,致使在两者方面,NB-IOT适用于分布范围较广、时延不敏感的终端连接上,而eMTC适用于移动性、中速率的终端连接上。


不同无线连接的市场机会,资料来源于:中国移动

Lora和NB-IOT
在上面我们介绍,Lora是非授权频段使用的通信协议,其在覆盖范围、功耗、连接数量、传输速率等上面与NB-IOT的优劣势并不明显,是目前正在广泛使用的一种长距离通信协议。
由于Lora发展的较早,且得到了很多设备厂商和运营商的支持(主要是欧洲的运营商),相对而言产业链比较成熟,其相应的成本等各方面就目前而言对比NB-IOT具有一定的优势,又因为Lora在非授权频段工作,可以私有化部署,不通过运营商的网络进行连接。


NB-IOT和Lora的技术参数等对比资料来源于:公开资料

由于,今年工信部的《微功率短距离无线电发射设备技术要求》征求意见稿的发布,规定在470MHZ-510MHZ不允许组网的说法,致使Lora的发展一片渺茫(我国的lora应用大多部署在470-510MHZ),可想而知,在长距离通信领域,未来可能就是NB-IOT占据非常大的市场份额,并不排除其一家独大的存在。
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NB-IOT产业链和投资机会
通信协议的产业链可以分为三段:上游:芯片和模组;中游:连接使能平台以及下游应用。这里这要介绍上游芯片和模组。
芯片和模组厂商纷纷布局NB-IOT市场
芯片厂商:
由于目前NB-IOT并没有大规模商用,故NB-IOT的芯片和模组的价格都比较高,市场预期(从多家公司的公开资料)可以看出,NB-IOT模块的市场价格大约不超过5美元左右,假设芯片占比30%的话,那么芯片的价格大约在1-2美元左右。如果按照这个价格和目前GSM(2G)的模块和芯片的价格差距不大。
根据中国电信产业调研数据,NB-IoT模组上市初期,量产价格预计90-110元左右;累计出货量达到百万级时,价格有望下降至70-90元;出货量达到500万级别,价格有望下降到50元左右;出货量进入千万级别,模组价格将在30元以内(相当于目前2G IoT模块的价格水平)。
2017年5月,部分与华为合作的模组厂商在获得中国电信单个模组20元/片补贴后,将模组售价降至60元左右。故实际零售价格应该在80元左右。
在NB-IoT芯片领域,华为海思和高通是进展最快的公司,2017年6已经有NB-IoT芯片实现量产。从目前市面上已经推出的NB-IoT模组来看,模组的芯片类型目前基本均为华为海思Boudica120和高通MDM9206,华为海思和高通在NB-IoT芯片领域已经形成一定的先发优势。未来随着产品需求量的增加,传统半导体厂商RDA、英特尔等厂商也会逐步赢得一部分市场空间。从各家厂商的产品特点来看,NB-IoT和eMTC双模或者多模芯片产品将是LPWA场景的主导类型。
所以在NB-IOT芯片领域,主要有华为和高通等巨头公司提供,中小企业的机会不明显或几乎没有。
模组厂商:
我国无线通讯模组厂商大多为中小企业,市场较为分散。通讯模组可以细分为蜂窝通信模组和非蜂窝通信模组,使物联网设备实现定位和联网功能。NB-IoT和eMTC是无线通讯模组厂商未来在物联网领域的新增长点。
芯讯通、广和通、中兴物联、移远通信、有方科技等属于市场主要参与者,目前各家企业规模相当,都已经发布了最新的NB-IoT无线通讯模块产品。除传统无线模组厂商外,中移物联网、中兴通讯、联想、新华三等其他领域厂商强势介入NB-IoT模组市场,市场竞争未来势必将更加激烈。
市场初期,仍有先发优势。由于NB-IOT等目前并没有大规模商用化,加之目前从事NB-IOT的模组厂商并不太多,三大运营商的招标往往下放到省级单位,故对于NB-IOT模组厂商来说,已经具无线通信模块产品的企业,任然具备一定的先发优势。
运营商进入,入库企业可实现规模化。中国移动和中国电信都已对物联网展开专项补贴和专项促销,在中国移动和中国电信入库的NB-IoT模组/芯片厂商会得到优惠补贴,补贴最高幅度达到50%。入库意味着公司产品在价格上更具竞争力,也可以更快的实现规模化。
后期竞争加大,上下游挤压,获利困难。模组厂商的上游一般为芯片厂商,芯片厂商大多为国际巨头通讯公司,故对于上游而言,模组厂商不具有一定的话语权,下游一般为运营商或系统集成商,由于后期竞争加大,对于运营商或系统集成商拥有更多的挑选机会,故其本身也并不具备很大的优势。后期竞争加大,另外上下游挤压,预计模组厂商的毛利率进一步降低,其市场竞争情况逐渐恶劣。
所以但就芯片厂商和模组厂商来说,芯片厂商未来局限于国际几大通信巨头,如华为/高通等,其在芯片上的专利权可让其芯片厂商拥有更高的附加值。而对于模组厂商来说,迅速切入市场,抢占市场高地,成为短期内获利的最佳手段。
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三大运营商在NB-IOT上的布局
在NB-IoT网络建设上,中国电信2017年完成30万个NB-IoT基站全网覆盖,7月已实现NB-IoT全面商用;中国联通在上海、北京、广州、深圳等10多个城市开通NBIoT试点,5月上海NB-IoT网络试商用,中国联通2018年实现NB-IoT网络全国商用;中国移动1月在江西鹰潭市简称第一个覆盖全城的NB-IoT网络,目前已在杭州、上海、广州、福州4个省市启动NB-IoT场外测试,NB-IoT网络2018年全面商用。
去“流量”模式收费
2017年6月20日,中国电信发布了NB-IoT业务套餐,按照“连接数”而非“流量”计费。NB-IoT套餐分为连接服务费和高频功能费,前者又分为包年套餐和生命周期套餐。包年套餐20元/户,生命周期套餐分为2年-8年七个档位,最低35元/户,最高105元/户;高频功能费只有一种收费标准,每户20元。连接费用=电信NB-IoT连接总数*每个NB-IoT连接的连接单价。
2017年11月,中国移动也粗略对外宣布NB-IoT业务套餐。中国移动NBIoT包年资费方案分为20元和40元两档。

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