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一文看懂NB-IoT与eMTC:多模的物联网“全网通”才是趋势?

骑上单车搞事情,多模的物联网“全网通”才是趋势?

自去年以来共享单车在国内各大城市全面开花,在为国人出行带来便利的同时,也在无形中推动了国内物联网市场的发展。今年2月下旬,ofo宣布与中国电信、华为达成全面合作,将共同研发基于新一代物联网NB-loT技术的共享单车智能解决方案,打造全球首款物联网共享单车。5月23日,高通也宣布计划与中国移动研究院及中国智能共享单车领先企业摩拜单车展开合作,启动中国首个eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外场测试。为何摩拜、ofo这两家国内最大的共享单车厂商都如此积极的采用新一代的物联网技术呢?eMTC/NB-IoT到底有何优势?

据市场研究公司IDC预测,2020年全球物联网连接数量将接近300亿左右。物联网市场规模预期在2020年前将以每年16.9%的速度增长,全球物联网市场到2020年将增长至1.7万亿美元。而其他业界厂商则预计,到2025年物联网连接数量将在500亿至1000亿之间。显然物联网将是一个非常巨大的市场,同时也成为了众多厂商的必争之地。

对于通信设备厂商和电信运营商来说,相比基于Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术阵营的物联网设备,基于蜂窝技术的物联网连接设备更具价值。根据市场研究机构Strategy Analytics的数据显示,预计到2025年蜂窝物联网连接数量将增至24亿。

根据Machina Research的预测,到2025年,所有物联网连接中的72%将使用Wi-Fi、蓝牙、Zigbee这样的短距离传输技术。蜂窝物联网连接到2025年将达到220亿个(2015年底这一数字为3.34亿),虽然届时5G可能已经大规模商用,但是其中大部分仍将基于LTE技术。

不同于智能手机等移动终端设备,物联网市场对于移动性、数据传输速度的要求都相对较低,所以之前应用在物联网市场的主要还是2G/3G网络。不过很快,两种窄带LTE技术标准eMTC以及NB-IoT将成为物联网应用新的主流技术标准。

特别是NB-IoT,早在2015年9月的RAN全会上,就已经被3GPP确定为窄带蜂窝物联网的标准。2016年6月16日,NB-IoT技术协议获得了3GPP 无线接入网(RAN)技术规范组会议通过。从立项到协议冻结仅用时不到8个月,成为史上建立最快的3GPP标准之一。在9月完成性能标准制定和12月完成一致性测试后,NB-IoT即可进入商用阶段。

去年3月,3GPP也正式宣布eMTC相关标准,并已经在R13版本发布。同时,作为未来窄带5G物联网的基础,eMTC和NB-IoT会根据今后的技术、应用场景等的发展随着LTE协议共同演进。

NB-IoT和eMTC作为物联网领域最具潜力的两项技术,可适用于智能家居、共享单车、物流追踪、智能抄表、智慧楼宇、智能穿戴、广域物联、工业物联等典型应用场景。

NB-IoT和eMTC

前面说到,NB-IoT和eMTC都属于窄带LTE技术,这也意味着它们可以利用现有基础设施和频谱,不过相比现有的LTE网络来说,NB-IoT和eMTC在传输速率上都进行了大大的降低。

NB-IoT使用的带宽大约为200KHz,支持100Kbps以下速率传输低流量数据;而eMTC技术则使用的是1.4MHz带宽,最高数据传输速率达1Mbps。

而这也使得终端和核心网络的复杂性进一步降低,可实现更低功耗延长续航时间,通过冗余传输实现更深覆盖。完全符合目前物联网设备对于传输速率要求不高,低功耗、低成本的需求。

NB-IoT技术具有以下优势:(1)强连接:穿墙能力上比Cat.4 LTE提升20dB增益,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。一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;(2)超低功耗:由于NB-IoT聚焦小数据量、低速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年甚至十年以上;(3)深度覆盖:能实现比GSM高20db的覆盖增益,相当于提升了100倍覆盖区域能力;(4)低成本:NB-IoT构建于蜂窝网络,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;同时低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。(5)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;(6)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。

与NB-IoT技术相比,eMTC同样具有以上诸多特点,不过在信号覆盖深度(穿墙能力比Cat.4 LTE提升15dB增益)、功耗、成本上则不同于NB-IoT。不过eMTC优势则在于传输速率更快,更低延时(100ms级,NB-IoT是秒级),支持移动性、FDD、定位、支持VoLTE语音通信等。不过,当3GPP Release 14标准的NB -IoT 出来之后也能够支持定位和一定的移动性等特性。

从上面的介绍,我们不难看出,eMTC和NB-IoT各具优势,并在特性上有一定的覆盖,同时很难有非常清晰的界限。对于二者的关系,高通认为,两项技术之间是互补的关系,并各自适用于不同的物联网使用情境,同时,LTE窄带技术和现有2G/GSM多模共存。

运营商加速布局

据GSA报告,全球有19家运营商在部署NB-IoT,预计2017年年底,NB-IoT商用网络将达到25个。北美市场重点聚焦在eMTC商用,其后才是NB-IoT。欧洲和亚洲大部分会优先在2017年部署NB-IoT。北美优先推动eMTC商用主要是因为其4G网络部署在低频上,商用eMTC相对更为容易。而欧洲及中国三大运营商的4G网络则建设在高频上,这对于部署NB-IoT更适合网络演进。目前国内的三大运营商在积极部署NB-IoT的同时,也在力推eMTC。不过从商用角度来看,在国内NB-IoT显然是会更快。

根据中国联通的规划,其将采用900MHz+1800MHz频段来部署NB-IoT,其中农村将以900M为主。目前中国联通的NB-IoT已经在十多个城市进行了部署试验,提供了包括像对于智能抄表、智能路灯、智能停车等应用的支持。中国联通预计将会在8月实现在全国具备NB-IoT商用接入能力。而在去年年底前,中国联通在北京就已经实现了现网下的eMTC数据传输。对于eMTC商用,中国联通将进行4个城市的规模试点,2018年适时部署eMTC。

相对于中国联通来说,中国电信的动作似乎更快。据了解, 2016年12月中国电信的NB-IoT项目正式启动,筹备测试资源、制定总体方案和测试规范;2017年1月完成了NB-IoT试验网工程建设;2017年3月完成场外试验。根据中国电信的规划,预计到2017年6月,中国电信将完成端到端业务运营级测试验证,完成NB-IoT全网部署,正式启动商用化工作。与此同时,中国电信也在积极推动eMTC。按照中国电信的目标,今年年底,将会展开eMTC试商用,2018年将会实现eMTC正式商用。

去年11月,中国移动就完成业界首个基于3GPP标准协议的NB-IoT端到端系统功能及性能验证。今年1月底,中国移动在鹰潭完成了覆盖城市全域的NB-IoT网络的建设及开通。随后,中国移动在相关省市也展开了NB-IoT的试点,同时也展开了eMTC试验。中国移动总裁李跃在MWC2017上就表示:“2017年中国移动将在杭州、上海、广州、福州4个城市开展NB-IoT及eMTC的规模试验,后续将在多个重点城市开展商用,2018年将实现全网规模商用。”

从各个运营商部署的策略不难看出,不管是eMTC还是NB-IoT,运营商的都没有忽视,并且贯彻着两手都要抓并且两手都硬的思想。从eMTC和NB-IoT的各自的特点出发,NB-IoT采用FDD半双工,没有移动性,支持VoLTE,满足成本高效、时延不敏感、低数据量、深度覆盖用例的需求;而eMTC采用FDD/TDD半双工,具有有限移动性到全移动性,能够支持VoLTE,可以满足高可靠性、关键业务型和低时延用例需求。两者有所覆盖但更多是相互补充,结合两种技术的优势,将满足更广泛的场景需求。运营商对两者都不敢懈怠的原因还有另一个,就是NB-IoT和eMTC有望成为5G的一部分,3GPP针对5G mMTC场景,会首先评估NB-IoT/eMTC及其增强是否满足5G指标,若满足则将其作为5G标准方案。

芯片厂商争奇斗艳:多模才是未来趋势?

面对着巨大的物联网市场,以及运营商对于NB-IoT和eMTC的力推,各大物联网芯片厂商自然也不会错过这场盛宴。

这些芯片厂商的在物联网行业的举动之一就是通过和运营商和合作伙伴一起推动LTE物联网在中国的发展。以高通为例,2016年11月,高通联合中国移动和爱立信,启动国内首个Cat-M1测试;2016年12月,高通与中移物联网有限公司签署谅解备忘录;同一月,高通还联合中国联通和爱立信,完成基于Cat-M1标准的现网数据传输;今年3月,高通与华为合作,首次打通TDD Cat-M1标准空口 First Call。

除了携手运营商和合作伙伴,各大芯片厂商面对物联网的不同的使用场景和需求还推出了各自的物联网芯片。

作为NB-IoT标准的参与制定者,华为海思目前正在不遗余力的力推NB-IoT芯片。据了解,华为的NB-IoT芯片Boudica 120芯片在6月底将大规模发货,由ublox、移远合作提供NB-IoT商用模组。Boudica 150(支持1800M)今年二季度可以测试、第三季小批量商用、第四季大规模商用出货。

此外,紫光展锐旗下的锐迪科推出的2G、NB-IoT双模物联网芯片RDA8909即将在6月量产。中兴微电子的NB-IoT的芯片Wisefone7100也预计在今年二季度上市。

同样作为NB-IoT标准的参与制定者,高通的策略则与华为等厂商的策略不同。在高通看来,物联网多模是趋势,NB-IoT与eMTC这两项技术将相互补充。如果采用全球NB-IoT+eMTC双模的方式,将会充分发挥两种技术的优势,弥补双方的不足。

早在去年年初,高通就曾推出了MDM9x07系列调制解调器,此前已经被60多个厂商所采用,100多款产品在设计和上市过程中。

骑上单车搞事情,多模的物联网“全网通”才是趋势?

去年,高通还推出了可以支持eMTC/NB-IoT/GSM的多模物联网芯片MDM9206。这款芯片凭借单一硬件就能实现对于eMTC/NB-IoT/GSM的多模支持,用户可以通过软件进行动态连接选择。同时集成的射频可以支持15个LTE频段,基本可以覆盖全球大部分区域。其优势就在于通过单个SKU解决了全球运营商及终端用户的多样的部署需求,具有高成本效益、快速商用、可通过OTA升级保障等优势。

中国移动采用爱立信RBS6000多模基站设备及高通MDM9206芯片平台,正在同步验证eMTC的端到端关键功能

中国移动采用爱立信RBS6000多模基站设备及高通MDM9206芯片平台,正在同步验证eMTC的端到端关键功能

得益于高通在手机行业里有多年的积累,包括通信的连接能力、Bluetooth、Wi-Fi、NFC等等,同时在CPU、GPU、多媒体,也就是AP侧,包括相机、显示以及认知计算、增强现实等等领域也是有一定储备的。此前高通产品市场高级总监沈磊就表示:“高通有能力把不同的IP、不同的能力集中在新的标准IoT模块里。”

据介绍,高通MDM9X07和MDM9206的模块,除了具有eMTC和NB-IoT的连接能力,同时在内部也集成了CPU,有丰富的接口,“调制解调器本身就是系统控制器”。另外,高通还整合了A-GNSS解决方案,支持蜂窝和Wi-Fi定位,并且提供了很多软件,拥有安全性方面的能力。

高通称,目前MDM9206已经获得大多数业界领先的OEM厂商和模块厂商的终端设计,基于MDM9206的模块也已经发布。而全球采用高通芯片的物联网终端出货量已经超过15亿,平均每天都有超过100万颗物联网芯片出货。足见高通所提供的物联网解决方案在互操作性、连接性、计算和安全等方面都能满足客户需求。

今年4月底,在2017中国联通终端产业链峰会上,联想懂的通信推出中国首款全网通NB-IoT模组C1100,并宣布6月实现百万级量产。据介绍,懂的通信C1100模组是严格按照NB-IoT通信标准协议设计而成的,除了具备上述NB-IoT的特点外,还具备支持NB-IoT、eMTC和EGPRS的多模功能。

虽然懂的通信并且指出这款模块采用的是那一款IoT芯片,但是从其的介绍资料当中不难猜测出,其可能是基于高通的MDM9206芯片。因为目前全球已商用的似乎只有MDM9206这一款IoT芯片可以支持NB-IoT、eMTC和EGPRS的多模功能。

今年5月,摩拜单车和中国移动研究院也开始与高通达成合作,启动中国首个 eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外场测试,并将高通MDM920全球多模LTE IoT调制解调器应用到摩拜单车的智能车锁上,以便更加精准地的定位和识别可用单车、加快智能锁开锁速度,并对单车状态持续监测、实时管理。可实现对成本效益、低功耗、低带宽、长达数年的续航时间和更广覆盖的支持。

此外,MDM9206全球多模LTE调制解调器和Qualcomm Technologies的低功耗蓝牙解决方案还计划被应用在摩拜单车的 “智能推荐停车点”(sMPL)中,可实现亚米级定位,帮助摩拜单车实时掌握各区域内单车数量、位置及不同区域间的流量信息,为单车投放、调度和运维提供智能指引。

虽然多模多频的IoT芯片在成本上要相对较高(目前NB-IoT的成本也一直没有降下来),但这对于模块OEM厂商来说,可以很容易做到支持全球各种模式以及各种频段要求的模块,可以避免仅支持单一NB-IoT或eMTC所带来的市场风险。因为目前这两项技术都还处于发展初期,未来发展还具有很大的不确定性。所以,能够同时支持NB-IoT和eMTC的多模多频方案在目前看来是比较保险的,而且这也有点像目前手机市场的走向——“全网通”。

对于摩拜来说,只采用MDM9206一款芯片就可以实现各家运营商的eMTC和NB-IoT网络的支持,这样不仅可以极大的降低采购成本和部署成本,也可以降低设备维护上的复杂度。另外,得益于MDM9206对于多模(比如在欧洲eMTC网络更为成熟)以及全球多频段的支持,也有利于摩拜后续进一步开拓海外市场。

高通与上游网络运营商中国移动研究院以及摩拜这个共享单车市场的领头羊的合作,则可以让MDM9206在共享单车使用场景中发挥多模优势,为广大用户提供便捷的物联网服务的(目前摩拜单车平台上运营的智能单车已超过450万量),更充分地发挥多模物联网芯片的市场竞争力。通过携手上下游企业,高通能全面推动整个物联网生态发展,推进全球多模物联网技术发展与部署。

值得注意的是,除了高通之外,英特尔和RDA也在朝着“全网通”方向部署。英特尔的XMM 7315也是一款支持NB-IoT和eMTC两种标准的芯片,预计将会在今年下半年商用。RDA另一款支持eMTC、NB-IoT和GPRS的三模产品RDA8910也在准备中,预计将于2018年二季度量产。

在各大通信巨头纷纷将目光聚焦在物联网多模芯片的时候,谁能更快的实现商用、更好地和市场结合、满足用户的需求,就有可能在初期的物联网市场争得一席之地,并为未来在物联网行业的发展奠定基础。在这方面,高通已经走在了前面。此次高通与中国移动、摩拜单车的合作,将是一个新的开始。

作者:芯智讯-浪客剑

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