NB-IoT是什么?


NB-IoT是英语Narrow Band Internet of Things的缩写,中文译为窄带物联网。NB-IoT是由通信行业标准化组织3GPP开发的为大范围蜂窝网与设备服务的低功耗广域网络(LPWAN)广播技术,这种窄带射频技术使用的是License频段,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式。


 
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NB-IoT最早于2014年5月,由华为和Vodafone共同提出,当时被称为窄带技术NB M2M,而后又进化成NB-CIoT;2015年7月,Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技术;2015年9月,在3GPP的第69次RAN全会上,NB-CIoT和NB-LTE这2种技术规范合并为NB-IoT;2016年6月,NB-IoT获得3GPP通过,开启商用化进程;2020年7月3GPP 5G技术在ITU-R WP5D会议上正式被接受为ITU IMT-2020 5G技术标准,从此NB-IoT被纳入全球5G标准。


根据数据统计显示,截至2021年4月,全球已经有71个国家投资建设了129张移动物联网,其中NB-IoT网络达到93张。


NB-IoT与其他无线通信技术有何区别?


在说NB-IoT与其他无线通信技术的区别前,我们需要先来了解一下无线传输技术。根据信息传输距离的远近程度,我们可以将其分为短距离传输技术和广域网传输技术。


短距离传输技术包括两类,一类是以Wi-Fi 和蓝牙为代表的高功耗、高速率短距离传输技术,主要应用于智能家居和可穿戴设备等场景;另一类是以ZigBee为代表的低功耗、低速率的近距离传输技术,主要应用于局域网设备的灵活组网场景,如热点共享等。


类似的,广域网传输技术也分为两大类,只是分类标准是所用的频段是否是授权频谱。上面提到的NB-IoT技术就属于授权频谱技术,主要应用于远程设备运行状态的数据传输、工业智能设备及终端数据传输的低功耗、低速率场景。此外,广域网传输技术还包括我们熟知的高功耗、高速率的蜂窝通信技术,主要应用于 GPS 导航与定位、视频监控等实时性要求较高的大流量传输场景。而与上面相对应的非授权频谱技术则包括 LoRa、Sixfox 等技术。

 


 事实上,在应用场景的通信方式选型中,若我们决定启动低功耗广域网络(LPWAN),那么被拿来和NB-IoT比较的多半是LoRa技术。从技术的角度出发,这两种通信技术又有何区别呢?


我们知道NB-IoT工作于授权频段,所以在信号传输的过程中不易受到其他频段的干扰,稳定性相对有保障,并且在管理方面也更规范。此外,由于NB-IoT技术本身具有窄带、重传、低频的特性,因此在覆盖增强相当的情况下,NB-IoT运行的速率更快,设备连接量更大。以连接量为例,NB-IoT单扇区可支持10万台设备的连接,而LoRa单扇区可支持6.5万台设备的连接。


 
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在这些条件下,LoRa技术如何生存?打的其实是差异化优势的牌。与 NB-IOT 技术相比,LoRa技术在网络建设成本和数据保密性方面拥有绝对的优势。在建设成本方面,LoRa作为非授权频谱技术,通常由用户自建而成,网络部署简单,无需建设大面积基站。假设建成一个LoRA基站的平均市场价格为5000元,那么建成一个NB-IoT基站的平均市场价格就需要达到8万元(主要由运营商建造)。在数据保密性方面,因为LoRa网络是由用户自建而成的,所以终端数据的传输过程是自主可控的,更能满足机控检测、环境检测等注重数据保密性的应用领域的要求。


综上,关于NB-IoT和LoRa的选型取舍,要根据应用场景需求来定,而以上几条便是最重要的依据。


NB-IoT全球市场和发展趋势


至于对NB-IoT市场情况的解读,中移物联网智能模组部市场总监王超表示,“物联网根据传输速度可以划分为低速、中速和高速,其中高速(速率大于10Mbps)主要应用在视频监控以及车载娱乐方面,市场占比10%;中速(速率在1Mbps和10Mbps之间)主要应用在智能穿戴、智能POS以及IoT网关方面,市场占比30%;而剩下的60%均是低速市场(速率小于100Kbps),需要满足低功耗和广覆盖的需求,应用领域包括智能表计、物流追踪、智能停车、智能路灯、环境监测等领域。”


而原本负责覆盖这些移动性和时延要求不高、数据量小、对低功耗有要求的场景的通信技术是2G,自从NB-IoT技术出现后,从技术参数的角度可以发现,NB-IoT在覆盖广度、低功耗和连接数方面都比2G要来的强(根据测试结果显示,NB-IoT的覆盖广度是164dB,而2G是144 dB;NB-IoT的休眠态功耗小于5μA,待机态功耗小于1mA,而2G的关机态功耗约60μA,待机态功耗约2mA;连接数方面,NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升,但小区容量超5万),因此它被认为是国内市场中继2G技术之后低速物联网市场业务的主要承载技术。


 
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有需求就有市场,再加上政策的驱动,便如虎添翼。比如2017年6月,工信部发布《 关于全面推进移动物联网(NB-loT) 建设发展的通知》,提出要加强 NB-IoT标准与技术研究, 打造完整产业体系;推广NB-IoT 在细分领域的应用,逐步形成规模应用体系;优化 NB-IoT应用政策环境,创造良好可持续发展条件,并设下了到2017年末,实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市,基站规模达到40万个,到2020年,基站规模达到150万个的目标。再比如2020年5月,工信部发布《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》,总体目标是推动2G/3G物联网业务迁移专网,提出建立NB-IoT(窄带物联网)、4G(含LTE-Cat.1)和5G协同发展的移动物联网综合生态体系等。


因此我们来看一组数据,截至2020年2月底,继全球NB-IoT连接数破亿之后,国内三大运营商NB-IoT连接数也冲破一亿大关。截至2021年4月,我国已建成并投入使用NB-IoT基站总量超过85万个,其中中国电信40万+个,中国移动35万+个,中国联通10万-个。


综上,低速市场市占比高,总体容量大,并且在2G退潮和政策的驱动下,NB-IoT将发展迅猛。


NB-IoT本土赛道分析


NB-IoT网络的逐步下沉不仅得益于产品设计的改进,比如性能的提高、功耗的降低,还依赖于产业活动的推动,比如运营商的决策。而运营商启用某一项技术的前提是有市场、有钱赚,前面已经论证了市场容量的可观性,但是钱的方面没有谈到,下面我们就来聊一聊。


根据统计,2020年NB-IoT通信模组售价为20元以上的,在市场中占比约60%,另根据5G物联网产业联盟的预计,到2021年,这一比例将下降到约30%。这意味着NB-IoT通信模组的价格将随着时间的推移不断下滑,直至市场平衡价的出现。价格下滑的背后得益于市场充分的竞争,而竞争的结果是NB-IoT模组的全面国产化。


事实上,根据金卡智能公开的信息显示,目前NB-IoT智能终端已实现全面国产化,包括芯片、模组、电池以及基站等多方面。比如,基站技术提供者中的华为、中兴、大唐移动,电池厂家亿纬、昊诚,模组厂家移远、中移、有方、利尔达、美格、广和通、高新兴,以及芯片厂家华为海思、联发科、紫光展锐、芯翼、移芯以及智联安等。今天我们就来剖析一下处于NB-IoT产业链最上游的芯片国产化情况。


根据与非研究院的统计,目前国内有20家从事NB-IoT主芯片研发的企业,分别分布在全国7个省的8个城市。其中北京和上海数量最多,分别为5家(北京:智联安、诺领、创新维度、简约纳、升哲,上海:海思、紫光展锐、芯翼、移芯、翱捷);广东省有4家,分别是深圳3家和广州1家(深圳:中科无线、中兴微、汇顶,广州:慧智微);江苏省的南京市有3家(南京:大鱼、宁麒智能、新向远);此外浙江省杭州市、四川省成都市和台湾省各1家(杭州:芯象,成都:旋极星源,台湾:联发科)。


 


从公司规模的角度,根据天眼查的数据显示,在职员工数量最多的是台湾省的联发科,有6000人,其次是海思的4251人以及汇顶的2226人,而最少的南京新向远则只有3人,体量方面悬殊甚大。公司规模一定程度上体现了研发和生产的实力,但也不是全部,因为有的公司业务线比较广,而NB-IoT只是其中很小的一部分。

 


从产品的角度,我们可以看到,这20家企业已经发布了30款以上的产品,以下是与非研究院以企业成立日期为轴,展示了各家企业已有NB-IoT产品的情况(注:请大家点开大图查看,时间轴对应的是成立日期,而非产品型号发布日期)。


 

结合前面的信息,我们可以看到,目前NB-IoT芯片行业第一梯队的海思、联发科和紫光展锐在公司规模和成立日期相对应的芯片设计经验方面都是相对靠前的。值得一提的是,上海海思虽然是2018年成立的,但是深圳海思早在2004年就成立了,而海思对于NB-IoT芯片的研发始于2014年,并于2015年推出了基于预标准的芯片原型产品,2016年推出业内首款商用的NB-IoT芯片Boudica 120,该芯片从2017年6月底开始大规模商用。此后,海思相继推出了Boudica 150和Boudica 200。根据统计,截至2019年4月,海思的NB-IoT芯片总发货量已突破2000万,其中Boudica 120突破700万,Boudica 150突破1300万,目前海思和高通是全球NB-IoT芯片市场的两大巨头。海思是华为的先锋部队,而华为进军NB-IoT市场的策略是先将NB-IoT芯片尽可能搭载到各种设备中,然后通过设备获得数据,进而为其大数据业务服务。


当然,NB-IoT芯片国产化的亮点并不止于海思,各家产品都有自己的特色,在细分应用领域的战略也有所不同,下面我们以点带面地介绍一下其他部分厂商的情况。


    紫光展锐(RDA8909、RDA8910、RDA8911、春藤8908、春藤8909、春藤8915)


紫光展锐的NB-IoT技术始于锐迪科,目前已经发布了6款芯片,包括NB-IoT/2G双模单芯片RDA8909,eMTC/NB-IoT/GPRS三模单芯片RDA8910和RDA8911(其中RDA8911还支持Cat.1),NB-IoT单模芯片春藤8908,NB-IoT/GSM双模单芯片春藤8909,以及NB-IoT/eMTC/GSM三模单芯片春藤8915。


展锐是全球前三的手机基带芯片设计企业,全球场测覆盖45个国家157家运营商,对于NB-IoT产品拥有很强的应用落地能力。


    联发科(MT2625、MT2621)


联发科发布了MT2625和MT2621两款NB-IoT芯片。MT2625是一款支持NB-IoT R14的系统单芯片,高度集成NB-IoT调制解调数字信号处理器、射频天线及前端模拟基带等单元,面向家庭自动化、智能抄表及其他静态或移动型物联网应用。而MT2621是一款双模物联网系统单芯片,支持NB-IoT R14与GSM/GPRS,主要面向超低功耗自动化应用和物联网应用场景,比如可穿戴设备、安全传感器等。


联发科技是全球第四大无晶圆半导体公司,目前在台湾证券交易所挂牌上市,在智能电视芯片领域位居霸主地位,同时具有强大的技术创新能力,拥有5G、4G、蓝牙、GNSS、Wi-Fi、NB-IoT等众多世界通用的领先无线网络技术及先进SoC设计能力。


    中兴微(Wisefone7100、RoseFinch7100)


中兴微发布了Wisefone7100和RoseFinch7100两款NB-IoT芯片,其中Wisefone7100内部集成了中天微系统的CK802芯片,DSP IP来自CEVA,而RoseFinch7100则是一款NB-IoT SoC芯片,支持3GPP R13/R14 NB-IoT标准。


中兴微电子为中国领先的通信IC设计公司,专注于通信网络、智能家庭和行业应用等通信芯片开发,自主研发并成功商用的芯片达到100 多种,覆盖通信网络“承载、接入、终端”领域,服务全球160 多个国家和地区。


    移芯(EC616、EC616S)


移芯目前的主要产品是NB-IoT 芯片EC616和EC616S,其中EC616支持3GPP R13/R14 NB-IoT标准,集成射频收发机、PA、以及电源管理等(663MHz-2200MHz);而EC616S在EC616的基础上还集成了全部射频前端。


移芯是中国自主研发的超低功耗NB-IoT和Cat-M物联网芯片供应商,迄今,移芯通信已经与国内前15大模组厂商建立了战略合作关系。


    智联安(MK8010、MK8020)


智联安发布了两款NB-IoT 芯片MK8010和MK8020,其中MK8010销量已过百万片,这款SoC集成了射频、基带、MCU及电源管理模块。而今年年初推出的MK8020号称是全球最小的NB-IoT芯片,基于55nm低功耗工艺,QFN封装仅4.5mmx4.5mm。


智联安一直投身于NB-IoT的研发,是国内首批实现NB-IoT芯片量产的公司,产品应用主战场为“三表”,即水表、气表和热量表。作为一家专业从事蜂窝物联网芯片研发的IC设计公司,智联安也将产品线扩展至LTE Cat.1bis、5G芯片。


    旋极星源(AGP2121、AGP2122)


旋极星源发布了两款NB-IoT 芯片IP产品AGP2121和AGP2122,其中AGP2121是一款NB-IOT Transceiver IP,应用于NB_IOT射频信号收发,兼容3GPP R14 NB_IOT标准,支持R14标准频段,单片集成CMOS PA(23dBm)。而AGP2122则是一款NB-IOT/GNSSTransceiver RFIP,应用于NB-IOT射频信号收发和GNSS信号接收,兼容3GPP R15 NB_IOT FDD标准,支持R15标准FDD频段,支持GNSS导航频率(L1,B1,E1),单片集成CMOSPA(23dBm)。


旋极星源是国内领先的基于自主半导体IP的无线连接解决方案提供商,专注于低功耗物联网、卫星导航等领域,为客户提供平台化、一站式射频芯片定制服务和射频IP授权服务。它是中国唯一家5G NB-IOT RF Transceiver IP成功商用授权的IP公司,公司已获得52项专利。


    大鱼(松果NB-IoT芯片、U1)


大鱼目前拥有两款NB-IoT 芯片松果NB-IoT芯片和U1,其中U1是一款支持 NB-IoT R13 的高集成系统单芯片( SoC ),在一颗Die上同时集成了 GPS 和 PA。


大鱼由小米旗下的全资子公司松果电子团队进行重组、部分团队分拆组建而成,已完成Pre-A轮融资,金额方面未透露。


    芯翼(XY1100)


芯翼发布了一款NB-IoT 芯片XY1100,它是一款集成CMOS PA的NB-IoT系统单芯片。


芯翼是5G物联网端侧SoC创新的领导者,专注于物联网通讯芯片(NB-IoT)的研发和销售,属于国内二梯队成员,主要聚焦于智慧气表、智慧水表、烟感、电动车、物流跟踪、智慧穿戴等应用场景,在水表和燃气表市场具有先发优势。2020年6月完成近2亿元的A+轮融资,2021年9月完成近5亿元的B轮融资。


    翱捷(ASR3601)


翱捷发布的ASR3601是一款支持NB-IoT、eMTC、LTE Cat.1、GSM四种制式的多模4G芯片,集成射频、基带和audio codec功能,支持450MHz~2.7GHz频段。


翱捷致力于移动智能通讯终端、物联网、导航及其他消费类电子芯片的平台研发、方案提供、技术支持和服务等,产品线覆盖包括2G、3G、4G、5G以及IoT在内的多制式通讯标准。


    诺领(NK6010)


诺领发布的NK6010是一款NB-IoT物联网系统级芯片,单芯片集成PA、PMU和超低功耗GNSS功能。


诺领是探索满足IoT 需求的全集成、低功耗无线SoC解决方案的先行者,聚焦广域网,提供一站式芯片解决方案,在定位方式领域拥有深厚技术积累,以“NB-IoT +GNSS”芯片为拳头产品,瞄准“物流和供应链管理”应用场景。


    汇顶(GR851x)


汇顶发布的GR851x是一款集成 NB-IoT 蜂窝网络应用子系统的低功耗系统级芯片(SoC),支持 3GPP Rel-14、Rel-15 标准。


汇顶在2018世界移动通信大会上宣布正式进军NB-IoT领域,通过并购全球领先的半导体蜂窝IP提供商——德国CommSolid,整合其全球顶尖的超低功耗移动无线基带技术优势与汇顶科技位于美国加州的射频芯片设计及相关技术研发力量,加速公司在NB-IoT领域的战略布局,志在开拓千亿规模的NB-IoT市场。


    创新维度(XD-7500)


创新维度发布的XD-7500是业界第一款基于SDR(软件定义无线电)架构的NB-IoT芯片,已于2018年9月开始量产发货。


创新维度科技(北京)有限公司是主要基于SDR平台,从事物联网(NBIOT)芯片的研发以及5G移动通信新技术的研究和应用平台,能够更有效地满足物联网碎片化的市场需求,支持行业定制化和二次开发。


    慧智微(S8628)


慧智微发布的S8628是一款支持LTE Cat NB1 和NB2的线性射频功率放大器,符合3GPP Rel13和Rel14规格要求,支持低频Band5/8/20 /28和中频Band 1/2/3,是业界首款全RF-SOI CMOS工艺NB-IoT射频前端芯片。


慧智微是领先的高性能微波射频前端芯片提供商,致力于通过软件定义的射频芯片使能万物互联的智能世界。基于可重构技术平台,公司已经推出了面向5G/4G和NB-IoT的系列射频前端芯片,应用于智能手机、平板电脑、无线通信模块、车载智能后视镜、智能手表等产品。


    芯象(LH3200)


芯象发布的LH3200 是一款NB-IoT单芯片解决方案,支持3GPP R14,可软件升级支持R15,集成BP、open AP、PMU、RF、ADC、温度传感器等,目前已经量产供货。


芯象是NB-IoT领域的新秀,专注于5G物联网核心通信芯片设计,公司认为2020年将是NB-IoT生态的大行业爆发之年。


结语


NB-IoT作为5G通信的有机组成部分,市场正在不断下沉至智能抄表、智能烟感、智慧消防、智能井盖、流量管理、安全和资产跟踪、环境监控、远程健康管理、智能楼宇、智慧农业、智慧能源、智慧工业、电力物联网等应用市场,而根据市场的反馈情况,我们发现单颗芯片产品的利润约为0.1美元,而在模组、硬件设备、通信网络和应用服务端同样面临利润空间较小的问题,对于国产厂商而言,增大出货量是降低成本的一大准则,因此除了产品性能的提升外,如何和产业链上下游紧密合作,加快NB-IoT网络的部署是未来发展的重点。

 

附:NB-IoT芯片国产芯片明细一览表(排名不分先后)