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物聯網風口爭奪戰打響,看三大技術如何應對

18年08月24日     物聯網技術

[導讀]低功耗廣域物聯網的諸多標準,如NB-IoT、LoRa、SigFox等,正在用各自擅長的技術和應用搶奪IoT風口,以爭取在這片廣闊的市場上占得先機。

低功耗廣域物聯網的諸多標準,如NB-IoT、LoRa、SigFox等,正在用各自擅長的技術和應用搶奪IoT風口,以爭取在這片廣闊的市場上占得先機。

物聯網通過通信技術將人與物、物與物進行連接,在智能家居、工業數據采集等區域網通信場景一般采用短距離通信技術,對于廣范圍、遠距離的連接則需要遠距離通信技術。在生活中的應用場景(如遠程抄表、環境監測、智能停車、位置追蹤等)時,我們需要一種覆蓋廣、成本低、部署簡單、支持大連接的物聯網,因此低功耗廣域物聯網(Low-Power Wide-Area Network,簡稱LPWAN)應運而生。并且,以這些應用場景為主導的物聯網數量將占到物聯網總連接數的60%。

LPWAN可分為兩類:一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術;另一類是工作于授權頻譜下,3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術,比如EC-GSM、eMTC、NB-IoT等。 LPWAN 專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計,與傳統的物聯網技術相比,LPWAN有著明顯的優點:與藍牙、Wi-Fi、Zigbee、802.15.4等無線連接技術相比LPWAN技術距離更遠;與蜂窩技術(如GPRS、3G、4G等)相比連接功耗更低。

在物聯網通訊的發展中,NB-IoT已經獲得全面性的支持,未來相關應用的市場榮景可期。LoRa與SigFox雖然受到NB-IoT強大的擠壓,但因為物聯網應用還屬于成長中的市場,這兩個技術已逐漸找到與NB-IoT區隔的發展道路,未來的發展重點是創造良好的消費者使用體驗,朝著正確的航道加速、起飛。

物聯網通訊是這兩年產業最熱門的話題之一,尤其在5G三大愿景中正式定義為mMTC(Massive Machine Type Communication),未來物聯網的聯網規模將大幅超越過去的人聯網,每平方公里網絡節點甚至高達100萬個。低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network, LPWAN)技術簡單、應用廣泛,將是MTC早期的切入點,包括NB-IoT、LoRa、SigFox等都是相關的明星級技術,而未來3GPP的MTC標準陸續訂定之后,可以支持更多不同類型的物聯網應用。

事實上,在過去物聯網概念尚未成熟時,已有許多利用2G/3G技術的機器通訊(Machine to Machine, M2M)應用,如車隊管理、物流、工業等B2B應用,未來幾年市場需求將持續成長。在現有2G/3G/4G模塊的基礎之下,2018年NB-IoT、LoRa、SigFox大力拓展新興應用市場,加上LTE Cat. M1,與未來可滿足更多高傳輸速率、高移動性、定位、低耗電、語音等功能的MTC標準,共同建構物聯網通訊的產業面貌。

NB-IoT:中國的物聯網標準

NB-IoT產業2017年開始起步,2018年進入加速階段,2019年將要正式起飛。從技術標準發展來看,2016年3GPP R13版本發表NB-IoT技術,2017年大廠高通(Qualcomm)與海思(HiSilicon)相繼推出支持初版標準的芯片,年底聯發科進一步推出R14版本芯片,更有許多芯片廠商陸續宣布投入NB-IoT,市場蓬勃發展,同時也刺激了通訊模塊廠商的腳步。

自2016年6月16日,NB-IoT 技術協議獲得3GPP無線接入網(RAN)技術規范組會議通過以來,我國隨后就出臺一系列政策支持 NB-IoT 發展。

2017年5月,工信部發布《電信網編號計劃(2017年版)》,新編號中增加了物聯網網號,將“140XX~144XX”明確為物聯網網號。

2017年6月16日,工信部下發《關于全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》,《通知》對2017年到2020年的NB-IoT標準、NB-IoT設備、NB-IoT芯片、NB-IoT模組、NB-IoT測試、NB-IoT應用、NB-IoT網絡的發展,部署了“定量”的任務。

2017年6月20日,工信部發布2017年第27號公告,從三方面明確了 NB-IoT 系統頻率的使用要求。

2017年8月7日,工信部批準同意了部分單位提出的電信網碼號資源有關申請,對2017年第10批《中華人民共和國電信網碼號資源使用證書》頒發結果進行公示,其中就包括了物聯網號段分配。

有了中國政府和中國市場對NB-IoT的全力支持,NB-IoT如日中天。

三大運營商NB-IoT部署進度

NB-IoT的發展離不開芯片和模組等產業鏈上游廠商的發力。華為的Boudica120、Boudica150;高通的MDM9206;聯發科的MT2625。除此之外,銳迪科、英特爾、中興微電子等公司也有自己的芯片規劃。

網絡部署情況

中國是現今NB-IoT最大部署市場,隨著2017年中國國務院和工信部發文,引導物聯市場健康有序發展,NB-IoT產業生態在中國蓬勃發展。NB-IoT產業聯盟、移動物聯網聯盟的成立吸引了一千多家企業布局NB-IoT市場,智慧抄表、智能停車、智慧醫療、智能物流等四十多個行業應用已啟動規模商用部署,預計年底中國NB-IoT連接數將達1億。

海外NB-IoT發展也即將進入快車道。在NB-IoT商用快速增長、產業蓬勃發展的帶動下,原有LoRa的支持者們也逐步嘗試轉向NB-IoT陣營。

NB-IoT網絡架構

NB-IoT網絡架構方案

NB-IoT 組網主要分成5 個部分:

NB-IoT 終端:支持各行業的IoT 設備接入;

NB-IoT 基站:主要是指LTE 基站;

NB-IoT 核心網:NB-IoT 基站和NB-IoT云的連接樞紐;

物聯云平臺:各類業務的處理及反饋的中心;

應用服務中心:既可以獲取到本中心的NB-IoT 業務數據,也可以完成對NB-IoT 終端的控制。

NB-IoT應用

由政府推動的公共事業與智慧城市建設,都是NB-IoT的主要應用,包括最常被提到的智能三表(水表、電表、燃氣表)、智慧路燈、停車管理、環境監測等。

事實上,NB-IoT今年已證明將在公共事業、服務與智慧城市建設等領域,取得主導性的發展地位。NB-IoT由電信營運商建置網絡并提供服務,網絡建置與原先的無線通信基地臺一致,在人口稠密的都會區,4G LTE訊號完善,只需透過最簡易的軟件升級,不需重新布建網絡;采用授權頻段,公共服務質量有保障,只要談好服務費率,商業模式建立也相對簡易。2018下半年到2019年,將有更多類型、更大規模的NB-IoT應用導入。

LoRa:LPWAN無人能敵的最強者

LoRa是美國半導體制造商Semtech借助其并購的法國公司Cycleo所開發的無線通信技術LoRa,在這個基礎上與IBM合作完成規范,并由Semtech、IBM、Cisco為核心所組成的LoRa聯盟推動相關發展。

2016~2017年備受期待,有可能成為物聯網時代的Wi-Fi,因為其采用非授權頻段,技術簡易、應用方便,開放的生態圈也提供與電信領域較遠的資通訊廠商插旗物聯網通訊的機會,很快的就吸引數百家廠商加入產業聯盟,臺灣地區也有許多廠商大力投入。省掉授權頻段權利金,背后又有思科(Cisco)、IBM、阿里巴巴、騰訊這些大廠力挺,甚至許多電信商也押寶,技術、產品都在2017年以前就Ready,產業推動時程較NB-IoT更有優勢。

不過,從2017~2018年,LoRa發展受到NB-IoT強大的競爭壓力,業界傳出不少撤換網絡解決方案的傳聞,主要原因分為內部與外部兩個面向,外部原因就是NB-IoT的大規模推動,原先推動較順利的LoRaWAN與其應用領域重迭性高,尤其像前述公共事業的物聯網應用,沒有大型的服務商如電信業者來扮演與政府合作的角色。內部原因則是LoRa技術1.0版未達最大的省電效果,訊息傳送采用類似廣播的方式,會出現終端與服務器不同步的問題,導致重要訊息遺漏,掉封包的狀況經常出現;另外,LoRa雖然芯片幾乎都掌握在Semtech手上,但因為驗證與互通測試服務還不成熟,也會造成不同廠商終端設備互通互連的瓶頸。

去年底,無管局發布了“征求意見稿”。意見稿里有一條細則,規定“470-510MHz的非授權頻段,限單頻點使用,不能用于組網應用”。LoRa本就用于物聯網,如此一刀切非授權頻譜的物聯網應用,意味著頻段內LoRa等物聯網通信技術均請出國門,頻段內的千億產業鏈及生態均被扼殺。最終在LoRa支持者們的努力下,這件事情最終沒有定論。但無管局并未明確透露何時推出新的政策,對身在其中的人們來說,這是沒有落地的“靴子”。

LoRa主導廠商當然也知道現在的困境,盡管整體市場還在成長中,不過在產業中受矚目的程度降低卻是不爭的事實。

網絡部署情況

目前LoRa聯盟已有500多個成員,在100多個國家提供服務,58家聯盟成員運營商在41個國家運營,67家公共網絡運營商,從美國、中國到俄羅斯、東南亞、南美,實現在全球范圍內的廣泛覆蓋。其全球網絡覆蓋情況如下圖所示:

LoRaWAN網絡架構

從LoRaWAN網絡架構來看,主要有以下幾部分:終端節點(End Nodes)、集中器/網關(Concentrator/Gateway)、回程(Backhual)、網絡服務器(Network Server)、應用服務器(Application Server)。

終端節點(End Nodes):終端節點是在最左邊,異步地廣播數據包到網絡。遵循Aloha網絡規范,保證終端設備可以大部分時間處于空閑模式,功耗少于1uA。 這種方法可確保在小型電池上的應用可以實現10至15年的使用壽命。

集中器/網關(Concentrator/Gateway):通過終端節點廣播的數據包將會被網絡中的一個或多個網關獲取。網關有一個多信道和多數據速率的射頻嵌入式設備,可以掃描和檢測任何活動信道上的數據包并進行解調。

回程(Backhual):網關通常有一個以太網的回程,然而,目前一些部署使用了2G、3G、4G、Wi-Fi、NB-IoT、以太網等作為回程。

網絡服務器(Network Server):核心網絡是LoRaWAN系統的重要組成部分。 它承載所有需要的智能來管理網絡并將數據分發到其他服務器。 

應用服務器(Application Server):LoRaWAN協議支持不同類型的網絡。一些網絡提供商也是應用提供商。因此,在LoRaWAN網絡架構圖圖中最右側的應用服務器可以與網絡服務器分別托管或與網絡服務器集成在一起托管。

LoRa應用

LoRa正在全球范圍內應用部署,因為其低功耗、深度覆蓋、容易部署等優勢使得其非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯網應用,如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市、智慧社區等等應用和領域。

SigFox:國外最火的LPWAN技術

Sigfox是一家法國公司,成立于2009年,創建了連接低功耗設備的無線網絡,主要用于低功耗物聯網,如:電表等,這類應用需要連續地發送少量的數據。Sigfox希望建立第一個僅供用于物聯網的全球蜂窩連接的公司,其基礎設施完全獨立于現有的網絡(如電信移動網絡)。

SigFox是自行建構一個產業生態體系(Ecosystem),由SigFox負責全球共同的網絡營運與云端平臺管理,再透過各地特許的網絡營運商SNO(SigFox Network Operator)提供服務,原則上單一地區由單一業者負責,其經營理念為“One Globe, One Network. One Globe, One Contract.”,截至目前為止訊號涵蓋已達46個國家和地區,預計在2018年底達到60個國家和地區的網絡部署。

SigFox尤其適合跨國性的物聯網應用,如資產追蹤。SigFox在臺灣的營運商優納比(UnaBiz)在Computex 2018也邀請多家發展SigFox解決方案的廠商展出相關服務。

Sigfox正在推出首個全球性的物聯網網絡,可以監聽數十億的對象廣播數據,而無需建立和維護網絡連接。在無線連接的世界中,這種獨特的方法是沒有信令開銷的,緊湊和優化的協議,而物不依賴于網絡。Sigfox提供了一種基于軟件的通信解決方案,所有的工作和計算的復雜性都是在云端進行的,而不是在設備上。所有這一切,大大降低了能源消耗和連接設備的成本。

網絡部署情況

由于物聯網連接使用低數據速率,Sigfox網絡利用了超窄帶,UNB技術。傳輸功耗水平非常低,而仍然能維持一個穩定的數據連接。Sigfox無線鏈路使用免授權的ISM射頻頻段。頻率根據國家法規有所不同,但在歐洲廣泛使用868MHz,在美國是915MHz。Sigfox網絡中單元的密度(基于平均距離),在農村地區大約30-50km,在城市中常有更多的障礙物和噪聲距離可能減少到3-10km之間。整個Sigfox網絡拓撲是一個可擴展的、高容量的網絡,具有非常低的能源消耗,同時保持簡單和易于部署的基于星型單元的基礎設施。

SIGFOX網絡全球部署情況

根據官方數據,截止上半年Sigfox 在 29 個國家建有應用網絡,主要為歐洲國家,如:西班牙、法國、俄羅斯、英國、荷蘭、德國等,覆蓋 170 萬平方公里。

Sigfox網絡架構

由上圖可以看出,Sigfox網絡架構可以分為三部分。中間部分Sigfox Gateway和Sigfox Cloud部分由Sigfox公司提供,也就是Sigfox網絡和Sigfox網絡服務器或設備管理服務器由Sigfox提供。左邊終端部分Sigfox則是開放的,與多個RF芯片公司合作無線前端的連接,為用戶提供多RF芯片供應商的選擇,但終端必須符合Sigfox網絡認證。右邊的部分則是業務的應用,包括應用服務器和Web客戶端或App等。

Sigfox的應用

以行業部分來看,Sigfox應用主要集中在工業、共用事業、農業、公共部門等領域。按用例來看,Sigfox應用主要集中在智能計量、智能跟蹤、溫度檢測上。

Sigfox在中國的第一個項目

2018年1月,“中法合作 成都國際智慧養老服務示范社區”Sigfox項目簽署。項目總投資約3億歐元,由Sigfox物聯網公司和KRG智慧養老公司提供物聯網技術標準和智慧養老技術解決方案,中國聯通提供技術運營支持。KRG智慧養老公司針對獨居的老人及行動不便者開發了智能居家新一代遠程養老監護系統,提供基于Sigfox物聯網技術的新一代遠程協助解決方案,能夠觀測到可能將上述人員置于危險境地的跌到、不適和等反常行為。

LPWAN技術正各自起飛

2018年是物聯網通訊正式商用化的元年,尤其是NB-IoT,根據資策會MIC的研究顯示,今年LPWAN模塊市場將挑戰第一個1億規模,該會產業分析師曾巧靈指出,上半年NB-IoT多功能整合模塊市價都在10~15美元左右,對于訴求大規模簡易的應用來說,成本壓力沉重,不過下半年NB-IoT模塊出貨已經逐漸放量,加上投入的芯片、模塊廠商越來越多,模塊價格有下降到8~10美元的趨勢。

世界各地電信營運商的NB-IoT服務在2017年下半年陸續開臺,市場推動力量加大,2019年以后NB-IoT模塊將出現高度成長,預計2021年LPWAN聯網裝置數量規模將高達8億(圖1),其中約7億是NB-IoT與eMTC這類授權頻段技術產品,尤其以中國與歐洲市場的發展最為強勁。

2017~2021年LPWAN聯網裝置數量

另一研究單位IHS Markit的看法也相當樂觀,預測到2021年IoT聯網數量將超過10億。從2014年到2021年的年復合成長率(CAGR)高達206%,中國的物聯網市場在政府的大力支持下,中國三大營運商的物聯網連接從2014年的5,350萬成長到2016年的1.62億,中國政府在策略上希望主導NB-IoT的產業發展,也讓中國成了全球NB-IoT發展的火車頭與觀察指標。

而在非授權頻段的LPWAN市場中,LoRaWAN在2017年出現高于預期的成長,據了解,Semtech的LoRa芯片出貨量超過1,000萬顆,IHS Markit預計LoRaWAN的聯網節點數量到2021年將增加到近3億。針對另一個明星級的LPWAN技術SigFox,IHS Markit的看法則較為保守,整體而言,NB-IoT已經成為現階段物聯網通訊的霸主,LoRa與SigFox的早發領先優勢已經逐漸消失,不過在物聯網的高度成長趨勢下,LoRa與SigFox也積極尋求合適的領域與應用。

整體而言,NB-IoT已經獲得全面性的支持,其實與去年業界的看法一致,大部分物聯網通訊廠商投入的方向也以NB-IoT為主,部分兩邊押寶的廠商大都將策略重心放在NB-IoT,還有更多先前觀望的廠商,已經確定要投入NB-IoT的發展,未來相關應用的市場榮景可期。另外,LoRa與SigFox雖然受到NB-IoT強大的擠壓,但因為物聯網應用還屬于成長中的市場,這兩個技術的市場也在不斷成長。或許在不久的將來,也會在單一物聯網模塊內整合LoRa或NB-IoT等不同的無線網絡通訊技術,像是在偏遠工廠,以LoRa形成局域網絡內設備間的數據傳輸,再將數據傳送到外部的LTE網絡,整合多個廠區的數據進行整體分析。

LPWAN三大技術陣營的主要半導體供貨商

總 結

NB-IoT帶動的不僅僅是自身產業生態陣營的快速發展,也讓LoRa、Sigfox等其他低功耗廣域網絡技術獲得了絕佳的市場教育機會,尤其是LoRa以及以此為基礎制定的廣域網絡規范LoRaWAN,在過去一年多的時間里,國內外從業者對LoRa并不陌生,而且有大量基于LoRa的物聯網應用案例已經落地。

思科(Cisco)、IBM、阿里巴巴等巨頭力挺LoRa,上個月騰訊也宣布加入LoRa聯盟,騰訊云副總裁王慧星表示:“LoRaWAN已經實現了快速增長,我們認為,它在LPWAN市場上與NB-IoT高度互補。加入LoRa聯盟將使我們能夠影響LoRaWAN的技術開發、推進相關的物聯網應用,并通過與全球其他LoRaWAN供應商建立緊密的合作關系來加強推進我們的云業務。”

總的來說,LoRa與SigFox已逐漸找到與NB-IoT區隔的發展道路,未來兩年的發展重點應該是創造良好的消費者使用體驗,包括硬件終端芯片/模塊的降價、軟件服務的完善與便利性等,真正從正確的航道加速、起飛。

 

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