物联网协议之 NB

随着6月16日，NB-IoT（窄带蜂窝物联网）标准获得国际组织3GPP通过，毫无疑问，2016年将作为 NB-IoT商用元年载入通信史册。如同过去十几年移动互联网渴望4G时代的到来一样，现今的物联网也无比渴望着一个强有力的蜂窝物联网基础网络，而 NB-IoT无疑是这个基础网络最佳的选择。

在今年4月伦敦 M2M 大会上，华为展示了 NB-IoT（窄带蜂窝物联网）战略以及 IoT 应用和智慧城市领域的创新成果，并介绍了与合作伙伴为共建 NB-IoT 生态系统所开展的工作，包括与沃达丰在英国纽伯里共同成立沃达丰 NB-IoT 开放实验室，旨在充分发挥 NB-IoT 的潜力，创造社会与经济效益。
图1：沃达丰和华为庆祝窄带物联网开放实验室的成立从商业角度，目前蜂窝网已覆盖全球90%的人口，覆盖超过50%的地理位置。基于现有的蜂窝网络，运营商能够提供一个非常有竞争力的物联网技术，就是NB-IoT。4月25日，英国运营商沃达丰和华为宣布在沃达丰英国总部所在地Berkshire新的NB-IoT实验室启动，这对NB-IoT技术的发展影响重大。华为与沃达丰联合成立沃达丰NB-IoT开放实验室，用以帮助合作伙伴进行网络解决方案验证、新应用创新、设备集成、商业模式研究和产品合规验证等，进而加速垂直行业应用的进程，从而推动产业链的发展。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT 技术是一种 3GPP 标准定义的 LPWA（低功耗广域网）解决方案，具有以下优势：1.海量连接：每小区可达10万连接；NB- IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，这也就意味着，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。2.超低功耗：电池寿命长达十年；低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。在电池技术无法取得突破的前提下，只能通过降低设备功耗以延长电池供电时间。通信设备消耗的能量往往与数据量或速率相关，即单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。数据量小，设备的调制解调器和功放就可以调到非常小的水平。NB-IoT聚焦小数据量、 小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，可以保障电池5年以上的使用寿命。3．深度覆盖：能实现比 GSM 高20db的覆盖增益；NB-IoT比LTE提升20dB增益，相当于发射功率提升了 100倍，即覆盖能力提升了100倍，就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。4．安全性：继承4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，确保用户数据的安全性;5．稳定可靠：能提供电信级的可靠 性接入，有效支撑 IoT 应用和智慧城市解决方案。NB- IoT直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，但是使用单独的180KHz频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。以智能抄表应用为例，与采用有线PLC抄表数据回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保证数据成功回收率达99%，可靠性大大提高。6. 低成本低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势。速率低就不需要大缓存，所以可以缓存小、DSP配置低;低功耗，意味着RF设计要求低，小PA就能实现;因为低带宽，就不要复杂的均衡算法。这些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相关，尺寸越小，成本越低，模块的成本也随之变低。图：各类无线模块成本对比长距离通信技术NB-IoT是一种革新性的技术，是由华为主导，由3GPP定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术。它支持海量连接、有深度覆盖能力、功耗低，这些与生俱来的优势让它非常适合于传感、计量、监控等物联网应用，适用于智能抄表、智能停车、车辆跟踪、物流监控、智慧农林牧渔业以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社区等等领域。这些领域对广覆盖、低功耗、低成本的需求非常明确，目前广泛商用的2G/3G/4G及其他无线技术都无法满足这些挑战。蜂窝物联网具有重要的战略意义和广阔的发展前景，全球主流运营商正将它纳入到整个公司战略体系。在过去的2015年，包括中国、韩国、欧洲、中东、北美的多家主流运营商已经开展了基于pre-standard 的NB-IoT技术的试点，并开启了端到端的技术和业务验证。包括沃达丰、中国移动在内的多家主流运营商也公开表达了希望尽早开始建设NB- IoT商用网络的意向，另一方面，包括欧洲、韩国在内的多家运营商遇到了来自LoRa和Sigfox的强烈竞争压力，这也将促进NB-IoT网络建设的加速。随着传统电信业务利润越来越薄，整个电信行业都在寻找新的利润增长点，而与运营商业务最为贴近，市场前景巨大的物联网无疑成为运营商最佳的切入市场。
NB-IoT生态的优劣势分析e#据预测则，到2020年IoT全部产业链价值有望达到3万亿欧元；到2025年全球将有1000亿个连接。随着万物互联时代的来临，联网正成为所有行业、设备的必须。同时，云计算、大数据的普及，让设备更加倾向于连接到互联网中，这让NB-IoT迎来了众多发展机遇，如车联网、远程医疗、物流等等。据GSMA预测显示，NB-IoT在2020年将达到30亿联接；Machina亦预测，NB-IoT未来将覆盖25%的物联网连接。2016年将是NB-IoT产业发展非常关键的一年，NB-IoT要成功，必须有生态系统中各个产业平台的支持。从解决方案/芯片方面看，对华为来说，NB-IoT是该公司的一个大战略，所有部门都积极参与其中。作为主导者华为提供端到端的解决方案，包括基站、核心网、芯片、操作系统以及数据管理平台。据悉爱立信、高通都在积极研发生产该类芯片，很多芯片原厂和模块厂家也计划于今年支持NB-IoT。从运营商对NB-IoT响应和投入看。NB-IoT标准得到了许多主流运营商的响应，中国移动、中国联通、中国电信、沃达丰、德国电信、阿联酋电信、意大利电信、 AT T等全球顶尖运营商都已围绕NB-IoT发布了各自的发展方略，展开实验。预计2016年全球50家主流运营商将有会一半的数量支持 NB-IoT。从实际应用案例方面看，华为已经与多个运营商合作完成了智能抄表、智能停车系统演示和验证。随着标准确定，预计将有一大批测试网络出现，而且商用网络也会出现，2017年将进入规模部署阶段。除行业应用外，消费类行业如白色家电厂家也开始采用NB-IoT芯片进行产品开发。NB-IoT生态正在以一种势不可挡的态势成形，作为应对物联网新时代诸多挑战的一大利器，NB-IoT将引发整个物联网的革命性变化，成就万物互联的新时代，为各行各业带来巨大机遇。华为在 IoT 领域提供完备的解决方案，除传统网络设备外，还提供统一的业务管理平台和通讯芯片，为运营商的 NB-IoT 商用部署提供最佳支撑。华为已经与沃达丰和 u-blox 完成了预标准 NB-IoT 应用的商用测试，三方成功地将 NB-IoT 技术融入沃达丰西班牙现有的移动网络中，从而实现远程抄表业务。此次试点使用了华为的芯片和软件，在运营商频段成功实现窄带通信。NB-IoT 使用的是 license 频谱，确保了服务的安全、优质、抗干扰。后续的试点和规模商用已经处于规划阶段。华为将持续投入创新，并致力于打造一个稳健、开放的 NB-IoT 生态系统，推动 NB-IoT 技术创新和商用，携手沃达丰等战略合作伙伴，引领公共基础设施、农业、制造业、可穿戴设备和交通运输等众多垂直行业的 NB-IoT 技术的发展，共建更美好的全联接世界。物联网（IoT）领域的竞争态势将因为低功耗广域网（low-power wide area，LPWA）的崛起而重新洗牌，而电信厂商、各家设备厂商以及芯片厂商都在摩拳擦掌准备迎战。相比电信市场，物联网市场应用场景更多，使用环境与使用要求也更为复杂。同时，目前已经有多种物联网技术应用在市场上，并占据了市场大部分份额，例如，蓝牙、Thread、ZigBee，甚至是WiFi。NB-IoT作为这一领域的新晋者确实具有别的物联网技术无可比拟的优势，远距离通信，电信级保障等，但物联网应用场景的复杂程度远非是一种技术能够满足的。电信业内人士普遍认为，NB-IoT相交传统物联网技术有着自身的优势。不过，其仍旧有着自身的局限性，成本价格、功耗都可能成为NB-IoT发展的阻碍。在成本方面，NB-IoT模组成本未来有望降至5美元之内，但目前支持蓝牙、Thread、ZigBee三种标准的芯片价格仅在2美元左右，仅支持其中一种标准的芯片价格不到1美元。巨大的价格差距无疑将让企业部署NB- IoT产生顾虑。此外，大部分物联网场景如智能门锁、数据监测等并不需要实时无线联网，仅需近场通信或者通过有线方式便可完成。来自传统物联网行业的观点则认为，NB-IoT并不适合大部分的物联网使用场景，其机遇是在车联网等需要大网覆盖的应用中，而不是传统的物联网领域。Silicon Labs物联网产品营销副总裁Daniel Cooley表示，基于蜂窝网络的物联网技术虽然解决了联网问题，但其在功耗、成本方面仍与物联网技术有着不小的差距。但更为关键的是相较于公网市场，物联网市场所面临的使用场景更加复杂，客户需求也多种多样，一种技术很难满足所有需求。小结：从技术和市场的发展规律来看，任何技术概念诞生初期总是百家争鸣，可以预见，随着物联网技术和产业蓬勃发展，最终只有少数标准才会大规模应用，至于NB-IoT会否在其中占主要份额甚至一统物联网，我们拭目以待。