窄带物联网NB-IoT)是当下最热门的一项无线通信技术,它从最初的NB-M2M演进而来,于2016年标准冻结。NB-IoT属于低功耗广域网(LPWAN)范畴,能够连接需要少量数据、低带宽和长电池寿命的设备,非常适用于物联网的各种应用和用例。

 

NB-IoT市场情况

 

随着物联网的普及,人们对物联网相关优势的认识不断提高,有力地推动了对NB-IoT网络和NB-IoT芯片组的需求。Grand View Research的一项最新市场研究表明,到2025年,全球NB-IoT的市场规模预计将达到60.20亿美元,2019年至2025年的复合年增长率为34.9%。

 

由于NB-IoT是蜂窝物联网的一个主要部分,迎合了70%以上的物联网场景需求,即使在没有互联网的情况下,它也能实现物联网M2M环境。为此,各国政府在智慧城市建设过程中不断加强与电信运营商的合作,此举也为NB-IoT的发展起到了推动作用。

 

NB-IoT芯片组是启用NB-IoT网络和低功耗广域网(LPWAN)所必需的硬件组件。基于设备,NB-IoT芯片组市场可细分为智能家电、智能仪表、跟踪器、警报和探测器、可穿戴设备等。就价值而言,智能电表市场将在全球NB-IoT芯片组市场中占据重要的市场份额。

 

就市场份额而言,中国是全球NB-IoT芯片组市场上最具主导地位的国家。根据Counterpoint全球蜂窝物联网模块和应用程序芯片组跟踪器的最新研究,2021第四季度全球蜂窝物联网芯片组发货量同比增长57%。中国继续主导着移动物联网芯片组市场,占出货量的近60%。高通公司、UNISOC和ASR在全球蜂窝物联网芯片组市场上占据前三位,占总出货量的近75%。

 

其中,高通公司以38%的出货量领跑全球蜂窝物联网芯片组市场。零售、汽车、工业物联网和智能城市等特定垂直领域是高通公司的重点发展领域,近些年,随着这些领域的高速发展,高通公司的份额也随之逐年上升。然而,在LTE Cat-1/Cat-1 bis和NB-IoT等快速增长领域,中国本土公司的竞争力也得到了极大提升。

图1:2021第4季度全球蜂窝物联网芯片发货量情况(图源:Counterpoint)

 

紫光展锐(Unisoc)是全球第二大蜂窝物联网芯片组提供商,在NB-IoT和4G Cat 1技术方面表现强劲。其蜂窝物联网芯片组出货量的增长持续了近四个季度。紫光展锐V8811是业界首款通过PSA Level2安全认证的NB-IoT芯片平台,集成了可信执行环境(TEE)/安全启动/安全升级/安全存储/身份认证/国密加解密等安全能力。该产品基于3GPP R16标准,可与5G NR网络共存并接入到5G核心网。总体来看,紫光展锐的产品主要专注于部分低端应用,如智能计量、POS和工业应用等。位居第三名的翱捷科技(ASR)在4G Cat 1和4G Cat 4模块应用方面与紫光展锐展开了激烈竞争,不过,翱捷科技至今尚未有NB-IoT解决方案面世。

 

随着NB-IoT技术的应用范围不断扩大,进入该领域的企业越来越多,物联网的使用和连接设备的数量成倍数增长,这些都是推动NB-IoT芯片组市场增长的重要因素。根据Markets and Markets的预测,NB-IoT芯片组市场预计将从2020年的4.61亿美元增长到2025年的24.84亿美元,复合年增长率为40.0%。

 

NB-IoT技术发展

 

3GPP是负责所有主要移动通信标准的国际标准机构,包括LTE等4G标准和5G NR等5G标准。NB-IoT是由3GPP开发的无线通信技术标准,这是一种窄带无线电技术,用于M2M和IoT设备和应用,需要以相对较低的成本在更大范围内进行无线传输,并使用很少的功率以延长电池寿命。NB-IoT使用与4G LTE技术相同的6GHz以下无线频谱,但与4G LTE和其他以前的无线电标准不同,NB-IoT(以及LTE-M)是在考虑IoT的应用情况下开发的,用于解决快速扩展的低功耗广域连接市场。

 

NB-IoT也称为LTE Cat NB,其规范冻结在版本13(LTE Cat-NB1)中,因此,Cat-NB1也是NB-IoT标准的第一个版本。该版本的NB-IoT提供的下行峰值数据速率为26kbps,上行峰值数据速率为62kbps,延迟范围为1.6到10秒。

 

Cat-NB2是增强型NB-IoT规范,已在3GPP版本14中引入。Cat-NB2将NB-IoT的下行峰值数据速率提高到127kbps,上行峰值数据速率提高到150kbps。3GPP版本14还引入了用于NB-IoT的高级定位技术,例如OTDOA(观测到达时间差)和E-CID(增强的小区ID),这两种技术都提高了定位精度。此外,3GPP版本14还将无线资源控制(RRC)连接重建功能引入到NB-IoT设备。当设备在小区之间移动时,该功能允许NB-IoT设备将其小区连接从一个小区转移到另一个小区,如果设备遇到无线链路故障,则无需再次启动该转移过程。

 

图2:NB-IoT规范演进路线图(图源:前瞻产业研究院)

 

NB-IoT使用半双工通信,具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、耗电少等特点。突出的特点主要体现在以下四个方面:

 

成本低

半双工通信的使用,再加上NB-IoT较低的数据速率及其使用较低的射频(RF)带宽和单个天线,大大降低了NB-IoT设备的复杂性,从而降低了设备的成本。与常规的LTE Cat-1蜂窝模块相比,NB-IoT模块的成本降低了50%。

 

耗电少

NB-IoT具备的诸如节能模式(PSM)和eDRX(扩展不连续接收模式)等功能,有效减少了网络信令负荷,节省了终端耗电量。与常规LTE Cat-1模块相比,NB-IoT将电池供电的边缘模块在传输数据时的能耗降低了75%,电池供电的物联网设备可以运行10年或更长时间。

 

容量大

NB-IoT采用窄带传输、信令优化、自适应调制和混合自动重复请求(HARQ)等技术,使得每平方公里多达100万个NB-IoT设备能够连接到网络。

 

广覆盖

在NB-IoT系统中,在更长的时间内重复发送相同的信号是一项关键技术。虽然这降低了NB-IoT的数据速率,并增加了功耗,但该技术将NB-IoT的覆盖范围提高了5-10倍,超过了其他蜂窝技术。

 

当然,NB-IoT技术也存在一定的局限性。因数据传输速率较低,限制了NB-IoT在各种应用中的蜂窝能力,例如需要高带宽的视频监控和语音通信。

 

与其他蜂窝标准一样,NB-IoT使用许可频谱,不过它的网络部署并不复杂。这是因为,NB-IoT网络主要基于4G LTE网络,当运营商建立NB-IoT网络时可在现有的4G基站中选择其中的一部分通过软件升级成为NB-IoT的基站,简单易行。这些都是NB-IoT得以迅速普及的有利因素。

 

据爱立信最新发布的移动报告预测,全球蜂窝物联网连接将从2022年的24亿增长到2027年的55亿,复合年增长率为18%。而大规模物联网连接(LTE-M、NB-IoT)预计将在同一时期以37%的复合年增长率增长,占所有蜂窝物联网连接的一半以上。另据ABI的研究,到2026年,NB-IoT和LTE-M将收获36亿个LPWA网络连接的60%以上。在剩下的40%份额中,LoRa和Sigfox将占非蜂窝LPWA网络连接的80%以上。

 

如何选择NB-IoT模块?

 

尽管所有NB-IoT模块都基于通用技术标准,但不同供应商的模块差异很大。选择时可着重考虑下列因素:

 

模块是否为多模:同时支持NB-IoT和LTE-M的多模模块可能更易于在全球部署IoT应用,所开发的应用程序可根据需要连接到NB-IoT或LTE-M网络。当然,为了简化物联网应用的全球化部署,也可以考虑使用具有智能嵌入式SIM(eSIM)的模块,该模块能自动连接到NB-IoT和LTE-M网络并在两者之间切换。

 

模块的安全性:模块是否包括内置的安全功能,如HTTPS、安全套接字、安全引导等,这些安全功能将保护物联网数据免受黑客的攻击。

 

模块是否支持边缘处理:该功能可降低数据传输成本,并延长设备的电池寿命。

 

CEVA Dragonfly NB2平台是一个预认证的完整NB-IoT IP解决方案,可以服务于广泛的应用。它集成了一个CEVA-BX1处理器、一个优化的射频收发器、基带和一个协议栈,提供了一个符合第15版Cat-NB2标准的调制解调器解决方案,缩短了上市时间。CEVA Dragonfly NB2还是一种完全软件配置的解决方案,专为超低功耗和低成本设备设计,可通过多星座GNSS和传感器融合功能进行扩展。

 

Nordic nRF9160开发套件是基于NB-IOT/LTE-M的低功耗系统级解决方案,在紧凑的SIP封装中包含了Arm®Cortex®-M33应用处理器、集成RF前端(RFFE)的多模式LTE-M/NB-IoT调制解调器、GPS和电源管理,其中的64MHz处理器除1MB闪存和256KB RAM外,还带有各种模拟和数字外设、自动电源和时钟管理,以及用于可信执行的Arm TrustZone和用于应用层安全性的Arm CryptoCell 310,具有很好的安全性和可靠性。nRF916的典型应用包括智能表、智慧农业、智慧城市、预测与维护系统、物流和资产追踪以及医疗和可穿戴设备等。

 

高通212 LTE IoT调制解调器被高通称作是目前业界最节能的单模NB2芯片组,在休眠状态下电流不足1µA,专为低功耗设备和应用而设计。该调制解调器集成了基带芯片、应用处理器、RF射频以及电源管理等,支持单模3GPP Release 14 Cat,支持700MHz到2.1GHz频段。

 

NB-IoT产业生态

 

NB-IoT的早期部署主要集中在智能计量等传统垂直领域,现在,NB-IoT已经整合到更广泛的产品中,包括家用电器、门锁和烟雾探测器等。根据Counterpoint的最新研究,智能电表、POS、路由器/CPE、工业和汽车是2021第四季度出货量排名前五的蜂窝物联网应用。对于NB-IoT而言,智能电表、资产跟踪和能源是前三大应用,资产跟踪预计将成为NB-IoT智能应用市场中增长最快的市场。从出货量看,能源和公用事业将占据最大规模的NB-IoT芯片组市场,其中智能计量是目前NB-IoT技术在能源和公用事业领域的主要应用。

 

图3:按应用划分,2021第4季度全球蜂窝物联网芯片组出货量市场分布(图源:Counterpoint)

 

NB-IoT最初部署主要在欧洲和亚洲。在美国和北美,运营商首先部署的是LTE-M网络,现在他们陆续开展了NB-IoT的建设。在欧洲,许多运营商在推出NB-IoT后,也开始研究LTE-M的部署。至目前为止,NB-IoT的主要市场是中国。

 

根据GSMA的信息,截至2021年2月,全球已部署103个NB-IoT网络。实际上,NB-IoT的部署已经推迟了几年,一些运营商的观望态度可能对市场的普及产生了较大影响。作为公认的未来物联网技术,NB-IoT解决了很多低效问题。智能城市是向现有城市系统和互联应用添加数字智能的关键,能源和资源、物理基础设施、移动和运输以及安全和安保是目前全球正在进行的1,000多个智能城市项目的主要功能领域,这些项目为NB-IoT进一步拓展市场提供了显著的增长机会。

 

NB-IoT与5G

 

NB-IoT和LTE-M最初是为4G LTE标准开发的。几年前,负责5G以及NB-IoT和LTE-M标准的3GPP开始谋划将NB-IoT和LTE-M纳入到5G标准中。2020年7月,随着NB-IoT技术正式被接纳为5G的一部分,意味着通过NB-IoT接入网络的物联网设备,最终也可以连接到5G核心网,从而享受5G边缘计算、网络切片等服务。

 

全球的商业和技术领导者正在考虑如何利用5G更快的数据速率、超高的可靠性、极低的延迟及其他先进技术使其组织实现数字化。许多公司已经开始研究如何利用5G建立智能化工厂、自愈电网、自动驾驶等更多新型物联网应用。这其中,两种低功耗广域(LPWA)网技术NB-IoT/LTE-M也将为他们开发和推出变革性物联网应用提供更多的帮助和支撑。与此同时,NB-IoT/LTE-M的商业化或将迎来新一轮发展机遇。