整合eMTC雙模成趨勢 NB-IoT席捲LPWA市場

2017-10-27
窄頻IoT(Narrow Band-Internet of Things, 後續稱NB-IoT)自去年被3GPP定義為標準後,以迅雷不及掩耳之勢迅速在全球範圍內刮起一股旋風,幾乎所有的大型通訊會議都有NB-IoT相關的議題。

本文嘗試回顧NB-IoT興起的歷史,嘗試從市場前景、技術優勢與典型應用三方面與讀者一起分享最新資訊。

NB-IoT是一種基於蜂巢式網路的窄頻物聯網技術,屬於低功耗廣域網路(LPWA)技術的一種。聚焦於低功耗廣域網路,支援物聯網裝置在廣域網路的蜂巢式物聯資料連接,是垂直產業應用廣域接入方案碎片化的重要方案,可直接部署於2G/3G/4G網路,降低部署成本和平滑升級,具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接、支援網路安全特性等特點。NB-IoT技術藉由定義新的實體層訊號與通道來滿足廣大農村覆蓋或者室內深度覆蓋需求,特別適用於傳統蜂巢式網路覆蓋差而藍牙、Wi-Fi等通訊方式又無法遠距離接入的場景。在大部分應用場景下可以保證電池壽命超過10年。由於其極低的裝置複雜度,加上需求旺盛,NB-IoT模組的價格下降非常快。

Machina Research在2017年的分析報告顯示,未來10年,LPWA連接數量將從2016年的4億逐步增加到38億,超過2G/3G/4G網路連接數量的同期總和22億。

因應消費者迫切需求 NB-IoT為建立最快3GPP標準

2016年6月16日,NB-IoT技術協議獲得了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用時不到8個月,成為史上建立最快的3GPP標準之一。同年9月完成性能標準制定,12月完成一致性測試,隨即NB-IoT進入商用階段。

NB-IoT標準的快速推出主要是為了滿足消費者迫切的需求,同時積極應對不斷湧現的非3GPP標準技術挑戰者們(例如Zigbee、LoRa)。

「中國智造」引領NB-IoT發展 中國三大電信商一馬當先

NB-IoT技術目前廣泛應用於亞洲、中東、拉美、歐洲、美日韓,包括中國移動、中國電信、中國聯通、德國電信、Etisalat、韓國KT、NOS、丹麥TDC、西班牙電信、Telia、沃達豐(Vodafone)等40多個國家的網路,典型應用場景包括智慧表計、智慧停車、智慧農業等。其中,北美市場重點聚焦在eMTC商用,其後才是NB-IoT。歐洲和亞洲大部分會優先在2017年部署NB-IoT。北美優先推動eMTC商用主要是因為其4G網路部署在低頻上,商用eMTC相對更為容易。而中國三大電信商的4G網路則建設在高頻上,這對於部署NB-IoT更適合網路演進(表1)。

目前,中國三大電信商在國家工信部的支援下,NB-IoT部署速度突飛猛進,積極推進網路強國和製造強國建設,促進「大眾創業、萬眾創新」和「互聯網+」發展:

‧2017年1月,中國移動在江西鷹潭率先完成中國第一張地市級全域覆蓋NB-IoT網路。

‧2017年5月,中國電信正式宣布全球首個全覆蓋的NB-IoT商用網路。

‧2017年5月,中國聯通正式啟動NB-IoT試商用,在上海、廣州、深圳、福州等地提供服務。

‧2017年6月,國家工信部發布《關於全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》,要求到2020年建成基站規模150萬個,發展超過6億的NB-IoT連接總數。

根據GSMA截止3月底的統計資料顯示,全球共有39個NB/eMTC實驗區域,其中歐洲21個,美國9個,中國6個,澳大利亞1,韓國1個,還有一個在杜拜。東南亞各國如泰國等目前正在進行測試和小規模外場驗證(圖1)。

圖1 GSMA官方網站截止2017年3月全球NB-IoT/LTE-M實驗區域分布圖

奠基LTE網路 NB-IoT/eMTC相輔相成

NB-IoT和eMTC技術都是LPWA中授權頻譜技術的一種,eMTC又稱為LTE Cat M1或者LTE-M,支援頻段從450MHz到3.5GHz,頻寬要求為1.4MHz,可以直接接入現有的LTE網路。2016年6月由3GPP Release 13規範定義。

NB-IoT同樣可以部署在450MHz到3.5GHz,頻寬要求僅為180KHz,支援從2G/3G/4G網路透過軟體升級的方式,直接升級部署。

從3GPP定義的網路架構來看,兩者在技術上有很多相似性,作為3GPP協議認可的授權頻譜技術標準,兩種技術都具備如下優點:

首先,可以方便地整合到電信商提供的可靠安全的端到端IoT平台,獲得電信商及其合作夥伴的廣泛技術支援;第二,電信商提供全球範圍內無縫覆蓋,特別是當進行漫遊或者回落到傳統無線網路時,這一優勢更加突出;第三,支援極低的功率消耗,電池壽命可長達10年以上;第四,裝置價格低,目前中國國內華為單頻單模的NB-IoT模組價格在60~70元左右,而高通(Qualcomm)的NB-IoT、eMTC、整體封包無線電服務(GPRS)多模模組批量價格在80元左右,同時電信商還會給出補貼20元,相信隨著出貨量的提升,裝置成本會快速下降;第五,均滿足室內深度覆蓋和室外農村廣覆蓋要求;最後,兩種技術都支援非IP資料傳送,適合嵌入式物聯網裝置的羽量級資料傳送協定,例如支援基於使用者資料封包協定(UDP)協定的CoAP和基於TCP協定的MQTT。

NB-IoT優點在於該技術與LTE網路解耦,使用獨立的180KHz頻譜,可以獨立向5G演進或者與5G產生區隔化。對於電信商來講,NB-IoT僅占用180KHz頻寬取代了傳統2G網路中物聯網的應用需求,而將大量2G頻譜資源釋放給4G LTE,極大地提升了電信商的頻譜利用效率。

目前看NB-IoT和eMTC都有望成為5G的一部分,兩者屬於技術互補的兩種蜂巢式技術,大陸三大電信商基本上在同步推進兩者的網路建設,eMTC最多比NB-IoT晚一年普及。對於在網路建設初期就開始使用LPWA技術的應用企業來說,NB-IoT、eMTC雙模的模組顯然更有利於產品未來的部署和規畫(圖2)。

圖2 3GPP定義的LTE-M與NB-IoT網路架構圖

智慧表計/智慧門鎖/智慧公車站爭鋒挑戰下一個NB-IoT爆發級應用

2017年6月共用單車的原創者和領騎者OFO小黃車率先推出和中國電信、華為合作的NB-IoT共用單車。高通也宣布計畫與中國移動及摩拜單車展開合作,啟動中國首個eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外場測試。

事實上,NB-IoT的應用場景非常豐富,包括路燈、人孔蓋、表計、共用單車等,這部分市場的需求都是瞬間爆發的。從生態鏈的角度來考慮,無論是上游的晶片廠商還是模組,或者終端的車子和製造商,都是共用單車的受益者,甚至可能在未來2~3年都會是受益方。

智慧門鎖也可能是NB-IoT下一個爆發級應用。一方面NB-IoT技術能很好地滿足智慧門鎖對低資料量、低功耗等方面的要求。另一方面,NB-IoT智慧門鎖省去了Wi-Fi、ZigBee等技術需要的家庭閘道作為橋接的麻煩,極大提升了安裝和日常使用的用戶體驗(表2)。

根據易觀智庫所發布的統計資料,預計2017年的出貨量將會再翻一番,達到800萬。作為一個3A類應用,NB-IoT可以有效彌補短距通訊的不足,也可以加強安全性,並有效延長電池壽命,從而降低端到端維護成本,因而各廠商紛紛推出NB-IoT+eMTC產品解決方案,布局全球銷售機會。

目前已有業者如SIMCom,該公司SIM7000A目前已經率先通過Verizon入網認證,與2G SIM900/SIM800F PIN to PIN、AT相容,支持LTE eMTC(Cat M1)。目前已經有不少智慧門鎖客戶在測試該公司NB-IoT+eMTC產品,雖然相比單模NB-IoT模組,NB-IoT+eMTC的模組價格稍高一些,但是很多客戶都更看重其全網通的靈活性。

舉例來說,海爾在這方面反應最為迅速,8月份推出中國首款NB-IoT+eMTC智慧門鎖——雲鎖,同時將家庭裡面的燈、空調、窗簾、安防等低頻寬要求的產品接入NB-IoT網路,實現智慧門鎖對智慧家居產品的遠端控制、安防報警、運行狀態監控等功能。

同為3A類應用的智慧電表、智慧水表和智慧煤氣表等產品也已經紛紛走出中國,邁入國際市場。在2017年10月3日舉行的歐洲表計展EUW現場,SIMCom和林洋能源、新天科技以及開發科技等合作展出了基於SIM7000E模組的NB-IoT超聲波水表和智慧能來源資料管理裝置等。SIM7000E同樣也支援GSM+NB-IoT+eMTC技術,確保在歐洲所有國家都可以全網商用,並支援長期技術演進,不用擔心未來電信商2G關閉或者NB-IoT與eMTC技術選擇問題。

滿足NB-IoT/全網通演進需求 選用晶片原廠有妙方

NB-IoT的應用很大一部分將會是工業級應用場景,工業物聯網的客戶產品通常需求都是高品質高壽命的,希望一個產品能夠服務多年,甚至十年以上,所以作為一個製造業的實體廠商來說,得到上下游的支持尤為重要。目前全球發貨排名前四的主流模組廠商SIMcom、Sierra Wireless、Telit和Gemalto目前都選擇了例如高通、英特爾(Intel)、Altair、思寬(Sequans)等老牌晶片大廠進行合作。

在全球的工業物聯網領域,本文認為高通仍具有舉足輕重的地位,在產品品質和壽命上都比較適合工業物聯網的產業需求,無論是一些NB-IoT還是2G/3G/4G的模組,高通都能提供一個值得信任的合作關係,SIMcom將在未來的三五年內持續在高通平台上進行投入,並持續為用戶提供安全、可靠,具有品質保障與壽命的物聯網模組產品。

(本文作者為SIMCom無線科技市場總監)

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