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LPWA应用升温 NB-IoT大步迈向商业化
智能生活即将实现

【作者: 王岫晨】2019年04月12日 星期五

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图一 : 随着LPWA需求大幅成长,将为NB-IoT带来更大的应用商机。
图一 : 随着LPWA需求大幅成长,将为NB-IoT带来更大的应用商机。

从过去到现在,物联网的定义正不断变化。在今年,物联网的定义为:将智能设备连接到云端,以便从感测器或致动器来传输数据,这些数据可以直接或间接地货币化,并实现解决方案的创新。而这样的过程中,还可以节省人力或创造新的生活模式。此外,AI和边际运算都将与物联网快速融合,到2019年底,这两者都将成为物联网定义的组成部分。



图二 : NB-IoT技术具广覆盖、低成本、低功耗之优势,可应用於智慧三表等物联网创新领域。
图二 : NB-IoT技术具广覆盖、低成本、低功耗之优势,可应用於智慧三表等物联网创新领域。

在2017年12月,3GPP发布R14的NB-IoT标准,并於2018年宣布NB-IoT开始商业应用。回顾前几代行动通信,每个发展阶段都明显改变了人们的日常型态,并强化了数据传输的便利性。具体来说,2G通信提供了行动语音呼叫、3G通信开始了行动网路,至於4G行动网路则开启了行动视讯串流的多媒体服务。 在现今的4G电信基础设施下,人们可以透过网路获取数据,甚至依据需求来增加数据性质与数量,进而为物联网创造更多的商机。


NB-IoT带领物联网迈向商业应用

建立R14的NB-IoT规范,目的在於满足大多数物联网终端设备的应用情境。物联网终端设备通常支援60kbps的上行链路峰值速率,和20kbps的下行链路峰值速率,用户的设备频宽上限为200kHz,主要目的是在於符合物联网应用中,较小数据封包的需求。该规范的目标在於使NB-IoT能够降低功耗,这是克服行动通信以及物联网市场应用的最关键挑战之一。此外,R14还规范NB-IoT在成本与RF收发器及用户的市场预期价格之间取得一个平衡点。


NB-IoT透过较低的传输速率和降低的功耗,来响应大多数物联网使用情境的要求。但是,在某些情况下,一些物联网应用程序需要使用其他行动通信协议。例如,行动设备和基地台之间的通信,就必须克服切换的问题,当设备从一个基地台区域行进到另一个基地台区域时,这些切换的问题可能会破坏行动设备和基地台之间的链路。为了避免切换失败,LTE Cat.M1更适合於物联网通信,因为它提供了更宽的传输频宽,以便允许数据封包可容纳更多的容错代码。



图三 : 智慧电表也是NB IoT重要的应用项目之一。
图三 : 智慧电表也是NB IoT重要的应用项目之一。

智慧水表及电表是运用NB-IoT的最隹范例,水、电表通常安装於隐蔽处,传统无线网路难以覆盖,NB-IoT便可改善这些状况。


LPWA应用快速升温

随着LPWA(Low Power Wide Area;低功耗广域网路)需求大幅成长,这将为NB-IoT带来更大的应用商机。未来智能电表将从非蜂巢式结构,转换成为独立的蜂巢式LPWA电表。而智能停车也将获得更大的成长空间,特别是在NB-IoT和LTE-M的全面部署之後。


事实上,NB-IoT/LTE-M技术具广覆盖、低成本、低功耗之优势,LPWA可应用於智慧三表、智慧城市、智慧建筑及资产追踪等物联网创新领域。LPWA布署可於既有的LTE电信网路架构进行升级使用,建置容易且提供具可靠性的服务品质。智慧水表及智慧电表便是运用NB-IoT/LTE-M技术的最隹范例,水、电表通常安装於下水道等隐蔽处,传统无线网路难以覆盖之区域,NB-IoT/LTE-M技术即可改善这些状况。


此外,NB-IoT的SoC单晶片也将成为新趋势。包括 IoT的SoC单晶片与系统级封装SiP,其中MCU与解调器/基频晶片的整合,将成为物联网发展的下一波浪潮,它将改变物联网的动态模组市场。这主要是由高通、华为、GCT、联发科、Sequans、Nordic、Altair等半导体厂商所共同推动的。而这些厂商,都正在积极寻求将NB-IoT单晶片推向市场的价格甜蜜点。


就现阶段观察,业界正朝着智能化模组发展,全时安全的云端连结,并利用云端运算的资源。但是,接下来将看到越来越多采用模组化的方式来执行智能化边际运算的案例,或利用AI来驱动边际运算的功能。这种边际运算由顶级云端运算厂商所推动,例如Google、微软、亚马逊、FogHorn等,以及包括与ST、NXP、Qualcomm、Silicon-labs、USI等多家半导体和模组供应商密切合作的公司。


根据研究机构Counterpoint指出,到2019年底,全球物联网装置连结数量将达到达到16亿。在2018年,我们已经可以看到部分采用LTE-M或NB-IoT的LPWA应用部署,这通常取决於地理位置和各运营商的LPWA网路策略。在接下来的时间里,这样的趋势将会加速,因为最初部署LTE-M的一些运营商,现在正在将NB-IoT导入到其物联网发展策略的蓝图中。例如中国将继续引领全球物联网的蜂巢式网路连接,Vodafone将成为中国境外最大的运营商,而AT&T将继续领导美国的物联网网路连接。但事实上,连接只占物联网价值链收入的12%,且包括传统连网和LPWA技术的每用户平均收入也正不断下降。



图四 : 应用NB IoT技术可为智慧城市照明带来全新商机。
图四 : 应用NB IoT技术可为智慧城市照明带来全新商机。

许多新兴国家都正在开始采用行动LPWA物联网方案。像印度、巴西和非洲这样的新兴市场可以为物联网的应用提供巨大的规模,但与中国相比,这些区域在连接一切的道路上,进度可能依然落後其他地区。尽管如此,新兴市场却依然为物联网提供了庞大的成长机会,在印度,就有类似Jio这样的运营商正大力推动物联网,其他包括Telefonica、MTN或Vodafone等厂商也都是积极的市场叁与者,并计划利用NB-IoT来大规模部署LPWAN网路在其应用市场中。在2019年,尽管还无法全面性部署,但也将成为未来大规模应用的垫脚石。


2020年NB-IoT的物联网商机

NB-IoT的优势包括覆盖范围广、功耗低(约5~10年无需更换电池)、成本低,并且能够使用现有的2G/3G/LTE蜂巢式网路基础设施来连接大量的设备。目前NB-IoT已被Vodafone、中国移动、中国电信和中国联通等一线电信运营商采用。此外,包括华为、高通、英特尔和Sanechips等上游IC制造商,也都已经开始提供NB-IoT晶片和模组等解决方案。


作为最近的标准化技术,NB-IoT也正面临现有的Sigfox和LoRa等技术的价格竞争压力。然而,NB-IoT供应链对晶片、模组、终端装置、运营商和应用市场的集中度较高,并还有许多通信产业的厂商支持。包括许多知名的电信运营商、设备制造商和关注低功耗网路应用的公司都采用了这种新技术。此外,许多研究和分析也都预测NB-IoT具有良好的未来前景,因为它相对具有更大应用优势。


尽管具有优势,然而NB-IoT现阶段必须致力於降低晶片与模组的成本,来带动更大的市场需求,否则NB-IoT将难以与其他更具价格竞争力的LPWAN技术解决方案竞争。此外,NB-IoT还必须在网路利用率和优化等方面,提高部署的时间效率与成本。就目前的观察来看,85%的蜂巢式基地台只需要升级其软件就可以支援NB-IoT的操作,而其馀的则将需要硬体方面的升级来满足NB-IoT需求,这将会需要营运商增加基础设施的投资成本。


结语

尽管网路部署存在各种挑战,特别是对於影响网路覆盖和信号传输的复杂和恶劣环境中的设施,需要各种最隹化工具来提高信号品质。但是,这些前期投资将可为物联网市场带来巨大的市场商机。实际上,预计到2020年,全球M2M设备的数量将可??达到70亿个。



图五 : NB IoT非常试用於智慧化的农业监测。
图五 : NB IoT非常试用於智慧化的农业监测。

展??未来,NB-IoT的应用情境将可以涵盖许多不同的应用领域,包括智能电表/水表、智能街道照明、智能交通、智能环境监控、智能锁、智能灯、智能??座、工业自动化控制、农业监测、安全监测,以及智慧零售与智能医院等。尽管如此,NB-IoT进入这些领域仍存在着挑战,也就是说,加速建立工业夥伴关系的生态系统来为NB-IoT建立商业模式仍具有一定程度的挑战性。此外,在此过程中,还需要进行大量的协作才能解决互操作性、兼容性和一致性等问题。


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