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NB-IoT 纳入5G 国际标准,物联网行业乘风破浪

国际电信联盟(ITU)召开的 ITU-R WP5D 会议于 7 月 9 日圆满结束,3GPP 5G 技术满足 IMT-2020 5G 技术标准的各项指标要求,正式被接受为 ITU IMT-2020 5G 技术标准。通过 的 3GPP 技术包含中国提交的 3GPP NR+NB-IoT RIT,韩国提交的 3GPP NR RIT,以及 3GPP 提交的 NR+LTE SPRIT 和 NR RIT。这也意味着,由中国产业链主导的 NB-IoT 在 实践中获得了全球产业链的广泛认可与支持,成为 5G 重要组成部分。

国际电信联盟(ITU)召开的 ITU-R WP5D 会议于 7 月 9 日圆满结束,3GPP 5G 技术满足 IMT-2020 5G 技术标准的各项指标要求,正式被接受为 ITU IMT-2020 5G 技术标准。通过 的 3GPP 技术包含中国提交的 3GPP NR+NB-IoT RIT,韩国提交的 3GPP NR RIT,以及 3GPP 提交的 NR+LTE SPRIT 和 NR RIT。这也意味着,由中国产业链主导的 NB-IoT 在 实践中获得了全球产业链的广泛认可与支持,成为 5G 重要组成部分。

1.1 5G 统一标准成为共识,多标准时代终结

全球通信统一标准助力产业协同发展。多标准制要求供应商、运营商、生产商的产品对 不同标准要具有兼容性,这将极大增加产业整体成本。5G 时代标准的统一可解决过去标 准碎片化、无法互联互通、无法形成足够的经济规模等诸多痛点,从而促进通信产业繁 荣。

1.2 NB-IoT 纳入 5G 国际标准,物联网行业乘风破浪

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是由 3GPP 标准化组织定义的一种技术标准, 是一种专为物联网设计的可在全球范围内广泛使用的窄带射频技术,其使用License频段, 可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,与现有网络共存。

NB-IoT 逐步演进,于 20 年 7 月正式写入 5G 标准。2014 年 5 月华为、Vodafone 提出了 窄带技术 NB M2M;2015 年 9 月,在 3GPP 第 69 次 RAN 全会上,“NB-CIoT”和“NB-LTE” 2 个技术规范融合为 NB-IoT;2016 年 6 月,NB-IoT 获得国际组织 3GPP 通过,标志着 NB-IoT 商用化开始;2020 年 7 月,ITU-R WP5D 会议上,NB-IoT 正式成为 5G 标准。 从 2016 年首次完成标准化工作至今,NB-IoT 在四年时间内快速发展。截至目前,全球 已经有 71 个国家投资建设了 129 张移动物联网,其中 NB-IoT 网络达到 93 张。

NB-IoT 纳入5G 国际标准,物联网行业乘风破浪

NB-IoT 属于低功耗广域网通信技术(LPWA)的一种,凭借“大连接、广覆盖、低功耗、 高安全”的特点,得到全球主流运营商和通信设备厂商的广泛支持。目前 LPWA 有三类 代表性的技术:LoRaSigfox 以及 NB-IoT。LoRa 和 SigFox 二者都是工作于未授权的 Sub-1GHz ISM 频段,而 NB-IoT 工作于授权频段。LoRa 是由各产业联盟共同推动的网络 标准,用户不依靠运营商便可完成 LoRa 网络部署,成本低且自主化程度高;SigFox 是由 法国同名公司自行开发的技术,掌握核心网的建设和营运,在全球范围内进行网络基地 部署;NB-IoT 由通信行业最具有权威的标准划组织 3GPP 制定,并由国际电信联盟批准。

NB-IoT 能成为 5G 技术标准,是因为在 LPWA 场景下拥有 LoRa 及 SigFox 等技术无可 替代的优势:(1)三大运营商所使用的 NB-IoT 频段由国家统一分配,使用者只能透过电 信业者或第三方代理商取得授权技术和频段才能使用 NB-IoT 相关服务,安全系数及通讯 质量较高且基本不存在被清频的风险;(2)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;(3)LoRa 和 Sigfox 的每日传输次数有限,适合发挥在没有实时通讯需求的领域,而 NB-IoT 网络不限制传输 讯息次数、所携带的数据量相对较高,适用于重视网络传输稳定性和实时性的智慧工业 领域。

NB-IoT 正式纳入 5G 标准具备以下必然性:

(1) NB-IoT 满足了 ITU 对 5G 提出的愿景。根据 3GPP 此前标准化工作的计划,R16 版本将会实现 uRLLC 和 mMTC 全部功能。但就目前来看,NB-IoT/eMTC 标准足 以满足 ITU 关于 5G 物联网低功耗广覆盖的愿景和需求。2018 年 3 月印度金奈召 开的 3GPP 无线接入网第 79 次全会明确了 R16 版本 5G NR 将不会对低功耗广域 物联网的用例进行研究和标准化;此外,在希腊雅典召开的 3GPP 会议上相关企 业也提交了 NB-IoT 和 eMTC 足以满足 5G mMTC 连接密度的需求评估报告。由 此可见,低功耗广域物联网会继续依靠 NB-IoT 和 eMTC 的演进,二者将共同承 担起支撑 5G mMTC 场景的重任。

(2) NB-IoT 纳入 5G 标准将大大降低其产业化风险。未来 10 年的时间里,5G 或将成 为全球移动通信的主流。NB-IoT 获得 5G 家族正式身份,其生命周期和其他 5G 技术同步,将长期为 5G mMTC 提供海量物联网接入服务。对于产业链企业来说, 更长的周期使得 NB-IoT 领域的固定投资得到保障。从行业用户角度来看,网络 一旦停止运营将给企业造成巨大的模组或终端产品替换成本,而 NB-IoT 近 10 年 的运营时间将保障其物联网终端长周期连接。

(3) 统一技术演进保证物联网新的需求。NB-IoT 与 5G 其他标准各司其职,共同覆盖 大部分通信连接场景,一套 5G 标准满足用户多样化复杂连接需求,同时不会形 成重复工作;因此业界在产品开发及路线制定中,无需担心标准不兼容问题。例 如,5G R16 标准演进时已考虑 NB-IoT 融入 5G 的方案,如 NB-IoT 与 5G NR 共 存、NB-IoT 接入 5G 核心网等。

(4) NB-IoT 产业生态的探索将成为 5G 生态建设的有益借鉴。NB-IoT 产业生态将是 5G 产业生态不可或缺的重要组成部分,近年来 NB-IoT 的产业生态建设将为 5G 大规落地和产业生态完善奠定基础。开放实验室建设、共同推进标杆案例、联合 制定行业标准、技术白皮书发布等工作,也是当前业界推动 5G 在千行百业应用 中生态建设的重要内容。

(5) NB-IoT 已成为 5G 的先行者,为 5G toB 积累经验。5GmMTC 将面向各垂直行业 的物联网需求,而 NB-IoT 从诞生之初就定位于面向物与物的通信。例如,借助 NB-IoT 的应用,燃气行业不仅仅实现远程抄表,还基于此开始了燃气大数据经营, 燃气运营商形成一些新的商业模式;白色家电基于 NB-IoT,形成共享和分时租赁 的一种新的产品形态和模式。在这些实践过程中,NB-IoT 从业者必须渗透到大量垂直行业生产经营过程中,对垂直行业数字化需求有深入理解。而 NB-IoT 此前 积累的行业经验,丰富了 5G 产业实践,也可以说是迈出了 5G 进一步拓展 to B 市场的第一步。

2. 技术+政策+产业驱动,NB-IoT 商用爆 发

NB-IoT 产业化最大的阻力来自 2G 网络,2G 退网事件将催化 NB-IoT 发展。此外,NB-IoT 技术被正式纳入 5G 标准,预示着 NB-IoT 已经具备平滑过渡到 5G 的能力。运营商、设 备商、芯片厂商、垂直行业将加快技术研发和产业化进行,为 NB-IoT 技术未来发展提供 了坚实的保障。

2.1 退网事件催化,NB-IoT 接棒 2G 市场

从国际市场来看,2G 网络关闭早已成为普遍共识。2017 年后新加坡、加拿大、澳大利亚、 泰国、墨西哥等地运营商都相继宣布 2G/3G 的退网时间点。从国内市场来看,三大运营 商自 2018 年前就已经着手 2G/3G 网络清频和退网的工作:(1)中国联通 2018 年 4 月率 先在官方微博上正式宣布:将有序推进 2G 网络减频工作。预计将在 2019 年底完成整个 2G 网络关闭的进程;(2)中国电信 2017 年开始对覆盖 2G/3G 的 800M Hz 频段进行了重 耕,2018 年 10 月发布新规定表示:将停止 2G、3G 手机终端入库;(3)中国移动 2018 年发布《5G 终端产品指引》,表示不再要求终端支持 TD-SCDMA;在中移动计划建设部 有关 2020 年 NB-IoT 网络建设规模的内部通知中,也明确提出集团将于 2020 年底前停止 新增 2G 物联网用户。根据 5G 物联网产业联盟数据显示,虽然通信制式的切换并非一蹴 而就, 2019 年后 2G 终端数量进入下行通道。

NB-IoT 接棒 2G 市场并逐步对其进行替代。一直以来,NB-IoT 产业化最大的阻力来自 2G 网络。2G 在中国经过十几年的发展,已建成全球最优质的网络,覆盖广度和深度能 保证用户随时随地接入,产业生态发展完善且硬件成本低廉。然而从全球运营商市场发 展趋势来看,运营商关闭 2G 网络将成为定局。2G 网络通信正在退出历史舞台后,数以 亿计的联网设备需要新的方案来填补空白。根据蜂窝物联网连接的分布图显示:未来低 速率、高时延、广覆盖应用场景占据物联网连接的 60%,比如传感器、计量表、智慧停 车、物流运输、智慧建筑等;而高带宽、低时延的 4G、5G 网络仅占到总连接的 10%左 右,主要应用于视频监控、数字医疗、车载导航等对实时性要求较高的业务;另外 30% 的场景为中低速率的物联网设备,主要应用于 POS、智慧家居、储物柜等高频使用但对 实时性要求低的场景。由此可见,NB-IoT 主要针对 60%的低速率广覆盖场景,接棒 2G 市场并逐步对其进行替代。

相对 2G 网络,NB-IoT 覆盖增强,功耗及成本降低。NB-IoT 速率较低,时延高达 10s, 适用于移动性支持不强,自动上报,操作简单的低功耗设备。在 PSM(Power Save Mode) 模式下平均电流只要 6.7uA,将 NB-IoT 设备电池寿命可以提高至少 10 年。未来各行各 业都将积极推进用 NB-IoT 取代 2G 物联,NB-IoT 新增连接数量快速增长。此外,NB-IoT 面向 5G 演进成为 mMTC 物联发展首选,满足中长期演进需求。

(1) 增强覆盖:为了增强信号覆盖,NB-IoT 引入无线信道上的数据重传。网络系统 重复向终端发送控制、业务消息,终端通过将重复接受的数据进行合并来提高数据通信的质量。NB-IoT 最大可支持下行 2048 次重传,上行 128 次重传。数据重 传可以增加信号覆盖的范围,但同时导致时延的增加,影响信息传递的实时性。 此外,NB-IoT 上下行控制信息与业务信息在更窄 LTE 带宽中发送,可以实现单 位频谱上的信号增强,使 PSD(功率谱密度)增益更大。和 GSM 相比,NB-IoT 终 端功率谱密度提高 7dB。增加功率谱密度有利于网络接收端的信号解调,提升了 上行无线信号在空中的穿透能力。

(2) 降低功耗:PSM(省电模式)和 dDRX(不连续接收)技术使 NB-IoT 功耗降低。 在 PSM 模式下,终端设备的通信模块进入空闲状态一段时间后,会关闭其信号 的收发以及接入层的相关功能。当设备处于这种局部关机状态的时候,即进入了 省电模式-PSM。PSM 适用于那些几乎没有下行数据流量的应用。云端应用和终 端的交互,主要依赖于终端自主性地与网络联系。在 eDRX 模式下,终端可以断 断续续接收信号以达到省电的目的。相比较 PSM 模式,eDRX 空闲状态的分布密 度更高,终端对寻呼的响应更及时,适用于有下行数据传送需求的场景。

(3) 降低成本: NB-IoT 通信协议栈基于 LTE 设计,但舍弃了 LTE 物理层的上行共享 信道、物理混合自动重传请求或指示信道等;终端可以使用低成本的专用集成电 路来替代高成本的通用计算芯片来实现协议简化后的功能。此外,在对速率要求 不高的 MTC 环境下,NB-IoT 采用半双工的通信方式减少设备成本。半双工模式 下终端不能同时发送和接收信号数据,但相对全双工方式大大减少了元器件配置。

2.2 技术+政策+产业驱动,NB-IoT 发展渐入佳境

 国家政策持续出台,支持 NB-IoT 产业化发展

2017 年 6 月,工信部发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展通知》,明确 以 14 条举措全面推进 NB-IoT 建设发展,提出到 2020 年 NB-IoT 基站规模达到 150 万个。 2019 年 5 月,工信部、国资委印发《关于开展深入推进宽带网络提速降费、支撑经济高 质量发展 2019 专项行动的通知》,提出推动移动物联网应用蓬勃发展。该政策明确指出 面向物流等移动物联网应用需求,进一步升级 NB-IoT 网络能力,持续完善 NB-IoT 网络 覆盖。20 年 5 月 7 日,工信部办公厅发布了《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》 (以下简称《通知》),正式明确 2G/3G 物联网业务迁移转网,建立 NB-IoT(窄带物联网)、 4G(含 LTE-Cat1)和 5G 协同发展的移动物联网综合生态体系的决策。多条政策持续落 地,从网络建设到下游应用全面推动 NB-IoT 产业化发展。

 标准逐步演进,将成为 5G 时代物联网核心技术之一

从技术演进来看,NB-IoT 技术一直紧跟通信技术标准发展。(1)早在 3GPP R13 协议中, NB-IoT 核心标准就已冻结,由于当时速率较低,应用场景主要面向水表、气表等领域。 (2)到 R14 标准时,NB-IoT 上下行速率已经达到 100Kbps 以上,基本与现在的 GPRS 的通讯速率相匹配,且移动性提升到 80 公里每小时,能更好满足电动自行车管理、金融 贷款汽车等资产跟踪等场景。(3)到 R15 标准,NB-IoT 技术能够支持的移动性更高、时 延更低,使得 NB-IoT 行业全面替换现在的 2G 物联网成为必然选择。(4)在 R16 协议中, NB-IoT 仍然是 LPWA 的主要应用技术,R16 更明确支持 NB-IoT 接入 5G 新核心网,确 保 NB-IoT 在 5G 时代技术发展的连续性。(5)在 R17 版本中,NB-IoT 上下行峰值速率 有望达到 200Kbps,并且大幅提升了频发数据包场景下的移动性能。NB-IoT 与 5G 三大 应用场景中的海量物联、高可靠低时延连接均契合,此次 NB-IoT 技术被正式纳入 5G 候 选技术集合,预示着 NB-IoT 将作为 5G 时代的重要场景化标准持续演进。这也为 NB-IoT 技术未来的发展提供了坚实的保障,让运营商、设备商、芯片厂商、垂直行业更为放心 的进行技术研发和商业模式探索。由此可见,未来 NB-IoT 技术必将在未来迎来更快速的 发展,也必将成为 5G 时代物联网核心技术之一。

 运营商加快网络部署,基站建设逐步完善

根据 GSA 统计,目前已有 157 家运营商正在投资 NB-IoT 技术,其中 106 家已经部署或 推出 NB-IoT 网络。国内三大运营商也加快 NB-IoT 部署进程:“2019 年移远通信物联网 生态大会”上,中国移动广东公司以下简称“广东移动”智能物联中心主任黄超平表示, 目前,中国移动在全国已经建成 NB-IoT 基站超过 20 万,覆盖 346 个城市。在“2019 年移远通信物联网生态大会”上,广州移动智能物联中心主任黄超平表示中国移动在全国 已经建成 NB-IoT 基站超过 20 万,覆盖 346 个城市;在 2018 年 9 月举行的第十届天翼智 能生态产业高峰论坛上,中国电信杨杰表示建成了 NB-IoT 基站超过 40 余万个,物联网用 户规模超过 8000 万;早在 2017 年 12 月 4 日的世界互联网大会,中国联通总经理陆益民 表示联通已实现 300 个城市的 NB-IoT 连接的服务。

截至目前,国内三大运营商中目前 NB-IoT 基站总数约为 83 万台。中国电信建设进程最 为积极,2018 年 9 月已建成 NB-IoT 基站超过 40 万个;中国移动因其 LTE-TDD 牌照属 性升级 NB-IoT 网络相对困难,目前 NB-IoT 基站数约为 23 万个(中移动计建部数据); 中国联通 2019 年年报披露累计开通 NB-IoT 基站 20 万个。2017 年工信部正式下发《关 于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》,我国计划到 2020 年将建成超过 150 万个 NB-IoT 基站,到 2025 年 NB-IoT 基站规模将达到 300 万。NB-IoT 纳入 5G 标准后, 基站建设将逐步完善根据。从用户数来看,截至 2020 年 2 月底国内三大运营商 NB-IoT 连接数突破 1 亿。其中中国电信、中国移动的 NB-IoT 连接数各自实现 4000 多万,中国 联通达到 1000 万,实现全国主要城市、乡镇以上区域连续覆盖,为各类应用的发展奠定 良好的网络基础。

 芯片及模组成本降低,为终端普及奠定基础

NB-IoT 芯片厂商主要包括有华为海思、紫光展锐及联发科等约 20 家企业;近年来三大 电信运营商得标的 NB-IoT 模组厂商其所搭载之芯片主要也都来自华为海思、展锐及联发 科等公司。早在 2016 年,华为就推出了基于 3GPP R13 标准的首款商用 NB-IoT 芯片 Boudica 120;2018 年,华为继续推出基于 R14 标准、性能更优越的 Boudica 150。此后不 到一年,华为在 2019 年 4 月举行的深圳第七届中国电子信息博览会(CITE2019)表示, 华为两款 NB-IoT 芯片 Boudica 120 和 Boudica 150 发货总量已经突破 2000 万。其中,Boudica 120 的出货量为 700 万,Boudica 150 的出货量为 1300 万。随着芯片功能不断优 化、发货量不断增长,下游产业链逐步成熟。

运营商招标规模逐年上升,模组中标价格不断下降。2017 年中国电信 NB-IoT 模组集采, 招标规模为 50 万片,中标价格为 36 元;2018 年中国联通展开 NB-IoT 模组集采,招标 规模为 300 万片,中标价格为 25-32 元;2019 年中国移动 NB-IoT 模组集采,招标规模 500 万片,中标价格为 19-30 元;2020 年,在天翼电信终端有些公司江苏分公司 NB-IoT 物联网模组集采中,中标价格下探至 15 元以内。目前,NB-IoT 模组价格基本齐平 2G 模 组。芯片领域,华为、MTK、紫光展锐出货较多,移芯通信、芯翼科技等初创企业也迅 速发展,为设备需求增长提供支撑

 运营商资费合理,助力用户渗透率提升

根据三大运营商资费来看,NB-IoT 业务价格约为 20 元/户/年。根据证券时报报道,截止 到 2020年 2 月底国内三大运营商的 NB-IoT 连接数已突破 1 亿,预计可带来约 20 亿收入。 虽然目前 NB-IoT 尚处在产业爆发初期,相关收入对运营商而言体量较小,但 NB-IoT 主 要依托于现网站点换型改造,设备成本较低。我们认为,运营商资费优化有利于终端用 户加速渗透。

3. 应用场景丰富,市场规模增长

 万物互联空间广阔,NB-IoT 连接数量爆发式增长

根据爱立信统计数据,2019 年全球 IoT 联网设备数量为 107.71 亿个,预计到 2025 年 IoT 联网设备数量达 248.82 亿个,CAGR 为 14.97%。物联网技术按照传输距离的远近可划分 为短距离通信技术(Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave 等)的广域网通信技术(NB-IOT、Lora、 2G/3G/4G/5G 等)。其中,2019 年广域 IoT 设备数为 14.47 亿个,预计到 2025 年广域 IoT 设备数为 53.86 亿个,CAGR 为 24.5%。

按通信技术来看,2020 年后传统物联网通信技术 2G、3G 逐步退网,设备数量逐步减少, 物联网技术向LPWA迁移;以NB-IoT、Cat-M为代表的大规模连接技术由2019年的9332.5 万个增长到 2025 年的 26.2 亿个,CAGR 为 73.34%。根据物联网产业联盟 2020 年初消息, NB-IoT 全球用户数已突破 1 亿,其中国内用户占绝大多数。

 NB-IoT 产业生态已经完善,产业链加速发展

NB-IoT 产业链主要由芯片、模组、终端、运营商、云平台构成,随着 toB 相关行业的应 用升级,产业规模将不断扩大。

 芯片:NB-IoT 主流芯片厂商包括华为海思、联发科、紫光展锐、中兴微等传统芯片 龙头。随着芯片产业化功能细分,芯片 IP 授权、芯片设计、协议栈开发等服务规模 扩大,多家初创 NB-IoT 芯片公司崭露头角,其中移芯通信、芯翼信息等企业发展势 头强劲。总体而言,NB-IoT 芯片向高集成度、低成本方向发展。

模组:NB-IoT 模组是目前产业链的重要环节,主要厂家有广和通、移远通信、中移 物联、有方科技、利尔达、骐俊等。NB-IoT 模组向小尺寸、具备主控功能、低成本 方向发展,目前模组价格已下探至 2G 模组同等水平。模组价格不断降低将推动 NB-IoT 产业规模化发展。

终端产品:目前 NB-IoT 终端产品主要应用在行业领域,比如水、电、燃气等行业的 智能表计,智能门锁,定位终端等,未来随着 NB-IoT 网络升级和覆盖水平提高, NB-IoT 终端产品将不断向 C 端市场扩展,满足更广泛更多样的用户需求。

 运营商:基础网络是物联网实现无缝连接、全方位覆盖的重要保障。担负着将感知 层识别与采集的数据信息安全、可靠地传送到应用层的使命。国内三家运营商非常 重视 NB-IoT 网络建设投入,覆盖面积逐步完善。在面向用户的资费方面,三家运营 商 NB-IoT 业务的标准资费大体相当,且根据在网时长、项目规模都会给予一定折扣, 合理的资费水平将促进用户渗透率提升。

 云平台:物联网云平台比较知名有阿里云、华为云等,目前国内运营商也在大力布 局云平台及应用,实现自有业务闭环,例如中国移动的 OneNET、中国电信的天翼云、 中国联通的与沃云,运营商在对某些垂直行业的整合及应用上具有一定优势。

中国电信科技委主任韦乐平曾指出,在 NB-IoT 的产业链收入分布中,芯片终端、网络连 接、平台服务、应用方案占比分别为 20%-25%、12%-15%、10%-15%、50%-60%。目前, NB-IoT 产业已经拥有包括华为海思、高通、中兴微电子等在内的 9 家芯片厂商及中兴通 讯、上海移远通信、中移物联网等在内的 21 家 NB-IoT 模组厂商。这些厂商构成了 NB-IoT 强大的元件厂商生态,为其发展打下坚实的基础保障。从应用层面上看,目前我国智能 水表、智能燃气表、烟感、电动车监控等典型应用的连接数达到数百上千万,形成了智 慧水务、智慧燃气、智慧电动车、智慧消防四大连接数千万级的市场。
       责任编辑:pj

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