NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)全解析，技術(shù)方案選擇不迷路！

本文轉(zhuǎn)載自： 貿(mào)澤電子微信公眾號(hào)

NB-IoT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是當(dāng)下最熱門的一項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)，它從最初的NB-M2M演進(jìn)而來(lái)，于2016年標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。NB-IoT屬于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）范疇，能夠連接需要少量數(shù)據(jù)、低帶寬和長(zhǎng)電池壽命的設(shè)備，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用和用例。

NB-IoT市場(chǎng)情況

隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)優(yōu)勢(shì)的認(rèn)識(shí)不斷提高，有力地推動(dòng)了對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT芯片組的需求。Grand View Research的一項(xiàng)最新市場(chǎng)研究表明，到2025年，全球NB-IoT的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到60.20億美元，2019年至2025年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為34.9%。

由于NB-IoT是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)主要部分，迎合了70%以上的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景需求，即使在沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的情況下，它也能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)M2M環(huán)境。為此，各國(guó)政府在智慧城市建設(shè)過(guò)程中不斷加強(qiáng)與電信運(yùn)營(yíng)商的合作，此舉也為NB-IoT的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

NB-IoT芯片組是啟用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）所必需的硬件組件。基于設(shè)備，NB-IoT芯片組市場(chǎng)可細(xì)分為智能家電、智能儀表、跟蹤器、警報(bào)和探測(cè)器、可穿戴設(shè)備等。就價(jià)值而言，智能電表市場(chǎng)將在全球NB-IoT芯片組市場(chǎng)中占據(jù)重要的市場(chǎng)份額。

就市場(chǎng)份額而言，中國(guó)是全球NB-IoT芯片組市場(chǎng)上最具主導(dǎo)地位的國(guó)家。根據(jù)Counterpoint全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊和應(yīng)用程序芯片組跟蹤器的最新研究，2021第四季度全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片組發(fā)貨量同比增長(zhǎng)57%。中國(guó)繼續(xù)主導(dǎo)著移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)芯片組市場(chǎng)，占出貨量的近60%。高通公司、UNISOC和ASR在全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片組市場(chǎng)上占據(jù)前三位，占總出貨量的近75%。

其中，高通公司以38%的出貨量領(lǐng)跑全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片組市場(chǎng)。零售、汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能城市等特定垂直領(lǐng)域是高通公司的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，近些年，隨著這些領(lǐng)域的高速發(fā)展，高通公司的份額也隨之逐年上升。然而，在LTE Cat-1/Cat-1 bis和NB-IoT等快速增長(zhǎng)領(lǐng)域，中國(guó)本土公司的競(jìng)爭(zhēng)力也得到了極大提升。

圖1：2021第4季度全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片發(fā)貨量情況（圖源：Counterpoint）

紫光展銳（Unisoc）是全球第二大蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片組提供商，在NB-IoT和4G Cat 1技術(shù)方面表現(xiàn)強(qiáng)勁。其蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片組出貨量的增長(zhǎng)持續(xù)了近四個(gè)季度。紫光展銳V8811是業(yè)界首款通過(guò)PSA Level2安全認(rèn)證的NB-IoT芯片平臺(tái)，集成了可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）/安全啟動(dòng)/安全升級(jí)/安全存儲(chǔ)/身份認(rèn)證/國(guó)密加解密等安全能力。該產(chǎn)品基于3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)，可與5G NR網(wǎng)絡(luò)共存并接入到5G核心網(wǎng)?？傮w來(lái)看，紫光展銳的產(chǎn)品主要專注于部分低端應(yīng)用，如智能計(jì)量、POS和工業(yè)應(yīng)用等。位居第三名的翱捷科技（ASR）在4G Cat 1和4G Cat 4模塊應(yīng)用方面與紫光展銳展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)，不過(guò)，翱捷科技至今尚未有NB-IoT解決方案面世。

隨著NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，進(jìn)入該領(lǐng)域的企業(yè)越來(lái)越多，物聯(lián)網(wǎng)的使用和連接設(shè)備的數(shù)量成倍數(shù)增長(zhǎng)，這些都是推動(dòng)NB-IoT芯片組市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要因素。根據(jù)Markets and Markets的預(yù)測(cè)，NB-IoT芯片組市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2020年的4.61億美元增長(zhǎng)到2025年的24.84億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為40.0%。

NB-IoT技術(shù)發(fā)展

3GPP是負(fù)責(zé)所有主要移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，包括LTE等4G標(biāo)準(zhǔn)和5G NR等5G標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT是由3GPP開發(fā)的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是一種窄帶無(wú)線電技術(shù)，用于M2M和IoT設(shè)備和應(yīng)用，需要以相對(duì)較低的成本在更大范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)線傳輸，并使用很少的功率以延長(zhǎng)電池壽命。NB-IoT使用與4G LTE技術(shù)相同的6GHz以下無(wú)線頻譜，但與4G LTE和其他以前的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)不同，NB-IoT（以及LTE-M）是在考慮IoT的應(yīng)用情況下開發(fā)的，用于解決快速擴(kuò)展的低功耗廣域連接市場(chǎng)。

NB-IoT也稱為L(zhǎng)TE Cat NB，其規(guī)范凍結(jié)在版本13（LTE Cat-NB1）中，因此，Cat-NB1也是NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本。該版本的NB-IoT提供的下行峰值數(shù)據(jù)速率為26kbps，上行峰值數(shù)據(jù)速率為62kbps，延遲范圍為1.6到10秒。

Cat-NB2是增強(qiáng)型NB-IoT規(guī)范，已在3GPP版本14中引入。Cat-NB2將NB-IoT的下行峰值數(shù)據(jù)速率提高到127kbps，上行峰值數(shù)據(jù)速率提高到150kbps。3GPP版本14還引入了用于NB-IoT的高級(jí)定位技術(shù)，例如OTDOA（觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差）和E-CID（增強(qiáng)的小區(qū)ID），這兩種技術(shù)都提高了定位精度。此外，3GPP版本14還將無(wú)線資源控制（RRC）連接重建功能引入到NB-IoT設(shè)備。當(dāng)設(shè)備在小區(qū)之間移動(dòng)時(shí)，該功能允許NB-IoT設(shè)備將其小區(qū)連接從一個(gè)小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)小區(qū)，如果設(shè)備遇到無(wú)線鏈路故障，則無(wú)需再次啟動(dòng)該轉(zhuǎn)移過(guò)程。

圖2：NB-IoT規(guī)范演進(jìn)路線圖（圖源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）

NB-IoT使用半雙工通信，具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、耗電少等特點(diǎn)。突出的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

成本低

半雙工通信的使用，再加上NB-IoT較低的數(shù)據(jù)速率及其使用較低的射頻（RF）帶寬和單個(gè)天線，大大降低了NB-IoT設(shè)備的復(fù)雜性，從而降低了設(shè)備的成本。與常規(guī)的LTE Cat-1蜂窩模塊相比，NB-IoT模塊的成本降低了50%。

耗電少

NB-IoT具備的諸如節(jié)能模式（PSM）和eDRX（擴(kuò)展不連續(xù)接收模式）等功能，有效減少了網(wǎng)絡(luò)信令負(fù)荷，節(jié)省了終端耗電量。與常規(guī)LTE Cat-1模塊相比，NB-IoT將電池供電的邊緣模塊在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的能耗降低了75%，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以運(yùn)行10年或更長(zhǎng)時(shí)間。

容量大

NB-IoT采用窄帶傳輸、信令優(yōu)化、自適應(yīng)調(diào)制和混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（HARQ）等技術(shù)，使得每平方公里多達(dá)100萬(wàn)個(gè)NB-IoT設(shè)備能夠連接到網(wǎng)絡(luò)。

廣覆蓋

在NB-IoT系統(tǒng)中，在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)重復(fù)發(fā)送相同的信號(hào)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。雖然這降低了NB-IoT的數(shù)據(jù)速率，并增加了功耗，但該技術(shù)將NB-IoT的覆蓋范圍提高了5-10倍，超過(guò)了其他蜂窩技術(shù)。

當(dāng)然，NB-IoT技術(shù)也存在一定的局限性。因數(shù)據(jù)傳輸速率較低，限制了NB-IoT在各種應(yīng)用中的蜂窩能力，例如需要高帶寬的視頻監(jiān)控和語(yǔ)音通信。

與其他蜂窩標(biāo)準(zhǔn)一樣，NB-IoT使用許可頻譜，不過(guò)它的網(wǎng)絡(luò)部署并不復(fù)雜。這是因?yàn)?，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)主要基于4G LTE網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)運(yùn)營(yíng)商建立NB-IoT網(wǎng)絡(luò)時(shí)可在現(xiàn)有的4G基站中選擇其中的一部分通過(guò)軟件升級(jí)成為NB-IoT的基站，簡(jiǎn)單易行。這些都是NB-IoT得以迅速普及的有利因素。

據(jù)愛立信最新發(fā)布的移動(dòng)報(bào)告預(yù)測(cè)，全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接將從2022年的24億增長(zhǎng)到2027年的55億，復(fù)合年增長(zhǎng)率為18%。而大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接（LTE-M、NB-IoT）預(yù)計(jì)將在同一時(shí)期以37%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，占所有蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接的一半以上。另?yè)?jù)ABI的研究，到2026年，NB-IoT和LTE-M將收獲36億個(gè)LPWA網(wǎng)絡(luò)連接的60%以上。在剩下的40%份額中，LoRa和Sigfox將占非蜂窩LPWA網(wǎng)絡(luò)連接的80%以上。

如何選擇NB-IoT模塊？

盡管所有NB-IoT模塊都基于通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但不同供應(yīng)商的模塊差異很大。選擇時(shí)可著重考慮下列因素：

模塊是否為多模：同時(shí)支持NB-IoT和LTE-M的多模模塊可能更易于在全球部署IoT應(yīng)用，所開發(fā)的應(yīng)用程序可根據(jù)需要連接到NB-IoT或LTE-M網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，為了簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的全球化部署，也可以考慮使用具有智能嵌入式SIM（eSIM）的模塊，該模塊能自動(dòng)連接到NB-IoT和LTE-M網(wǎng)絡(luò)并在兩者之間切換。

模塊的安全性：模塊是否包括內(nèi)置的安全功能，如HTTPS、安全套接字、安全引導(dǎo)等，這些安全功能將保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)免受黑客的攻擊。

模塊是否支持邊緣處理：該功能可降低數(shù)據(jù)傳輸成本，并延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命。

CEVA Dragonfly NB2平臺(tái)是一個(gè)預(yù)認(rèn)證的完整NB-IoT IP解決方案，可以服務(wù)于廣泛的應(yīng)用。它集成了一個(gè)CEVA-BX1處理器、一個(gè)優(yōu)化的射頻收發(fā)器、基帶和一個(gè)協(xié)議棧，提供了一個(gè)符合第15版Cat-NB2標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器解決方案，縮短了上市時(shí)間。CEVA Dragonfly NB2還是一種完全軟件配置的解決方案，專為超低功耗和低成本設(shè)備設(shè)計(jì)，可通過(guò)多星座GNSS和傳感器融合功能進(jìn)行擴(kuò)展。

Nordic nRF9160開發(fā)套件是基于NB-IOT/LTE-M的低功耗系統(tǒng)級(jí)解決方案，在緊湊的SIP封裝中包含了Arm?Cortex?-M33應(yīng)用處理器、集成RF前端（RFFE）的多模式LTE-M/NB-IoT調(diào)制解調(diào)器、GPS和電源管理，其中的64MHz處理器除1MB閃存和256KB RAM外，還帶有各種模擬和數(shù)字外設(shè)、自動(dòng)電源和時(shí)鐘管理，以及用于可信執(zhí)行的Arm TrustZone和用于應(yīng)用層安全性的Arm CryptoCell 310，具有很好的安全性和可靠性。nRF916的典型應(yīng)用包括智能表、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、預(yù)測(cè)與維護(hù)系統(tǒng)、物流和資產(chǎn)追蹤以及醫(yī)療和可穿戴設(shè)備等。

高通212 LTE IoT調(diào)制解調(diào)器被高通稱作是目前業(yè)界最節(jié)能的單模NB2芯片組，在休眠狀態(tài)下電流不足1μA，專為低功耗設(shè)備和應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該調(diào)制解調(diào)器集成了基帶芯片、應(yīng)用處理器、RF射頻以及電源管理等，支持單模3GPP Release 14 Cat，支持700MHz到2.1GHz頻段。

NB-IoT產(chǎn)業(yè)生態(tài)

NB-IoT的早期部署主要集中在智能計(jì)量等傳統(tǒng)垂直領(lǐng)域，現(xiàn)在，NB-IoT已經(jīng)整合到更廣泛的產(chǎn)品中，包括家用電器、門鎖和煙霧探測(cè)器等。根據(jù)Counterpoint的最新研究，智能電表、POS、路由器/CPE、工業(yè)和汽車是2021第四季度出貨量排名前五的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。對(duì)于NB-IoT而言，智能電表、資產(chǎn)跟蹤和能源是前三大應(yīng)用，資產(chǎn)跟蹤預(yù)計(jì)將成為NB-IoT智能應(yīng)用市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。從出貨量看，能源和公用事業(yè)將占據(jù)最大規(guī)模的NB-IoT芯片組市場(chǎng)，其中智能計(jì)量是目前NB-IoT技術(shù)在能源和公用事業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

圖3：按應(yīng)用劃分，2021第4季度全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片組出貨量市場(chǎng)分布（圖源：Counterpoint）

NB-IoT最初部署主要在歐洲和亞洲。在美國(guó)和北美，運(yùn)營(yíng)商首先部署的是LTE-M網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在他們陸續(xù)開展了NB-IoT的建設(shè)。在歐洲，許多運(yùn)營(yíng)商在推出NB-IoT后，也開始研究LTE-M的部署。至目前為止，NB-IoT的主要市場(chǎng)是中國(guó)。

根據(jù)GSMA的信息，截至2021年2月，全球已部署103個(gè)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，NB-IoT的部署已經(jīng)推遲了幾年，一些運(yùn)營(yíng)商的觀望態(tài)度可能對(duì)市場(chǎng)的普及產(chǎn)生了較大影響。作為公認(rèn)的未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT解決了很多低效問(wèn)題。智能城市是向現(xiàn)有城市系統(tǒng)和互聯(lián)應(yīng)用添加數(shù)字智能的關(guān)鍵，能源和資源、物理基礎(chǔ)設(shè)施、移動(dòng)和運(yùn)輸以及安全和安保是目前全球正在進(jìn)行的1,000多個(gè)智能城市項(xiàng)目的主要功能領(lǐng)域，這些項(xiàng)目為NB-IoT進(jìn)一步拓展市場(chǎng)提供了顯著的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

NB-IoT與5G

NB-IoT和LTE-M最初是為4G LTE標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的。幾年前，負(fù)責(zé)5G以及NB-IoT和LTE-M標(biāo)準(zhǔn)的3GPP開始謀劃將NB-IoT和LTE-M納入到5G標(biāo)準(zhǔn)中。2020年7月，隨著NB-IoT技術(shù)正式被接納為5G的一部分，意味著通過(guò)NB-IoT接入網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，最終也可以連接到5G核心網(wǎng)，從而享受5G邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等服務(wù)。

全球的商業(yè)和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者正在考慮如何利用5G更快的數(shù)據(jù)速率、超高的可靠性、極低的延遲及其他先進(jìn)技術(shù)使其組織實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。許多公司已經(jīng)開始研究如何利用5G建立智能化工廠、自愈電網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等更多新型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。這其中，兩種低功耗廣域（LPWA）網(wǎng)技術(shù)NB-IoT/LTE-M也將為他們開發(fā)和推出變革性物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供更多的幫助和支撐。與此同時(shí)，NB-IoT/LTE-M的商業(yè)化或?qū)⒂瓉?lái)新一輪發(fā)展機(jī)遇。

審核編輯 黃宇