移动数百亿投资物联网技术究竟有何特点?

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8月3日和8月4日,中国移动数百亿大手笔,连续两单重磅启动物联网项目采购:

1)395亿元启动2017-2018年蜂窝物联网工程无线和核心网设备设计与可行性研究集采。

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此次395亿元集采估计包含NB-IoT和eMTC两种物联网技术需求。

 

NB-IoT究竟是什么?

物联网的无线通信技术很多,主要分为两类:

短距离通信技术:Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等;

广域网通信技术:LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网)

LPWA又可分为两类:

一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;

另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

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NB-IoT是指窄带物联网(Narrow Band -Internet of Things)技术。

NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。NB-IOT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是新兴的物联网技术,因为低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点而备受关注,华为作为国内研发NB-IoT技术的领军企业,也颇受科技界关注。

NB-IoT具备几个特点:

一是广覆盖

将提供改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,相当于提升了100倍覆盖区域的能力;

 下行采用OFDMA,子载波间隔15kHz。上行采用SC-FDMA,Single-tone:3.75kHz/15kHz,Multi-tone:15kHz。仅需支持半双工,具有单独的同步信号。终端支持对Single-tone和Multi-tone能力的指示。MAC/RLC/PDCP/RRC层处理基于已有的LTE流程和协议,物理层进行相关优化。

NB-IoT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益,期望能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。根据仿真测试数据,在独立部署模式下,NB-IoT覆盖能力可达164dB,带内部署和保护带部署还有待仿真测试。

NB-IoT为什么覆盖广?

(1)重复传输,延长信号码元的传输时间。码元的重复传输事实上就是一个最简单的信道编码,尽管降低了信息的传输速率,但是在解调或译码上的可靠性,特别是在低信噪比的接收环境下更加有效。比如理想下译码出错概率为10%,重复次数增加,使得整体译码出错概率大大降低。

(2)现有的TTI bundling和HARQ重传技术也可以实现延长信号码元的传输时间。相关的提升覆盖的数值,在VoLTE的商用网络实践中已经证明可有效改善信号的覆盖范围。 
(3)鉴于NB-IoT业务需求的速率很低,100 bps左右已经可以实现大部分业务,所以可以采用低阶的调制技术,如BPSK、QPSK、更短长度的CRC校验码等。 
(4)在编码方面,NB-IoT采用Turbo编码,GPRS采用卷积码,优势体现在对译码信噪比需求降低,对应覆盖距离有3~4 dB的增强。 
(5)对时延要求的降低以及在部分下行物理信道上采用功率增强(Power Boost),对信号覆盖都有直接的增强。 

二是具备支撑海量连接的能力

NB-IoT一个扇区能够支持数万个连接,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;

NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升,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。200KHz频率下面,根据仿真测试数据,单个基站小区可支持5万个NB-IoT终端接入。

 

三是更低功耗

 NB中对于终端功耗的目标是什么呢?答案是:基于AA(5000mAh)电池,使用寿命可超过10年。(一个iPhone7P电池容量为2900mAh)。

NB中主要用到的两种节电技术,分别是PSM和eDRX。

1、 PSM(Power Saving Mode)

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PSM的技术原理非常简单,即在IDLE态下再新增加一个新的状态PSM(idle的子状态),在该状态下,终端射频关闭,相当于关机状态。此功能在3GPP的Release 12被引入,相关协议规范在24.301-5.3.11 Power saving mode and 23.682-4.5.4 UE Power Saving Mode.

在PSM状态时,下行不可达,DDN到达MME后,MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼;上行有数据/信令需要发送时,触发终端进入连接态。

终端何时进入PSM状态,以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。如果设备支持PSM(Power Saving Mode),在附着或TAU(Tracking Area Update)过程中,向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲后,该定时器开始运行。当定时器终止,设备进入省电模式。(PS:这里实际上是两个定时器起作用,分别为T3324和T3412,想详听的请到601来下,仅限美女)。

进入省电模式后设备不再接收寻呼消息,看起来设备和网络失联,但设备仍然注册在网络中。UE进入PSM模式后,只有在UE需要发送MO数据,或者周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU时,才会退出PSM模式,TAU最大周期为310小时。

这里引用芯片厂家的一些数据来说明PSM模式下的省电效果,从中可见PSM模式下耗电量与普通的空闲态下的耗电量的1/200,省电效果完胜。

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PSM的优点是可进行长时间睡眠,缺点是对MT(被叫)业务响应不及时,主要应用于表类等对下行实时性要求不高的业务。实际上,物联网设备的通信需求和手机是不同的,也正因如此,才可以设计PSM模式。物联网通常只会做上行发送数据包,而且是否发送数据包是由它自身来决定,不需要随时standby的等待其他终端的呼叫,而手机无时不刻的不在等待网络发起的呼叫请求。如果按照2G/3G/4G的方式去设计物联网的通信,那么意味着物联网的设备的行为也如同手机一样,会浪费大量的功耗在监听网络随时可能发起的请求上,无法做到低功耗。

基于NB-IoT技术,物联网终端在发送数据包后,立刻进入一种休眠状态,不再进行任何通信活动,等到它有上报数据的请求的时刻,它会唤醒它自己,随后发送数据,然后又进入睡眠状态。按照物联网终端的行为习惯,将会达到99%的时间在休眠状态,使得功耗会非常低。

2、 eDRX(Extended DRX)

        eDRX作为Rel-13中新增的功能,主要思想即为支持更长周期的寻呼监听,从而达到节电目的。传统的2.56s的寻呼间隔对IOT终端的电量消耗较大,而在下行数据发送频率小时,通过核心网和终端的协商配合,终端跳过大部分的寻呼监听,从而达到省电的目的。终端和核心网通过attach和TAU流程来协商eDRX的长度

        

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可见eDRX耗电是DRX的1/16,省电效果也是非常可观的。

虽然在节电效果与PSM相比要差些,但是相对于PSM,大幅度提升了下行通信链路的可到达性。

 

目前还没有看出NB的成本优势,价格还是比较高的。

目前单个模块的价格已经有80¥左右的了,由于整个行业的共同推广,应该有进一步降价的空间。但是目前距离20¥的GPRS的模块价格还是有相当的差距的。

厂家等待行业起量,用户在等待厂家降价。总之大家都在等待NB-IoT的摩尔定律

NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IOT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存。

因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、大容量等优势,等其价格下沉之后,其可以广泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。3GPP标准的首个版本预计在今年6月发布,到时候将有一批测试网络和小规模商用网络出现。

国内移动、电信、联通这三大运营商也已经开始行动。电信首先在去年11月在南京建立了实验网,今年更是已经在鹰潭正式商用全国第一张NB-IoT网络,同时电信还发布了《NB-IoT企业标准V1.0》。移动也在南京通过NB-IoT技术,建设了智能路灯项目。 早在2016年6月联通在上海迪士尼乐园基于NB-IoT部署了10个室外站点覆盖整个园区。10月,联通在广州开通国内首个标准化NB-IoT商用网络。三大运营商已经在NB-IoT领域加大重视和投入,寻找新的业务增长点。8

智能抄表系统

 

共享单车选择NB-IoT

无论是摩拜与爱立信和中国移动的合作,还是ofo与华为和中国电信的合作,其关键词都是“NB-IoT”(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)。NB-IoT旨在解决大量物与物之间的低功耗、低带宽、远距离传输的网络连接,属于LPWAN(Low Power Wide Area Network)这一范畴。而在NB-IoT诞生前,LoRa则是该领域更为人耳熟能详的。

LoRa是由美国Semtech公司提出的一种私有低速物联网技术,Semtech同时也发起组建了LoRa联盟,该联盟自2015年3月成立,目前已经有包括IBM、思科、微芯等超过400家企业加入了该联盟。众多企业在该联盟中有着一定的分工,这其中包括系统方案商、软件厂商、芯片厂商、模块厂商、终端设备厂商以及小部分运营商。

NB-IoT则是由3GPP组织推动的开放技术标准,基于成熟的蜂窝技术,增加了跳频和抗干扰技术,及更先进的无线资源利用技术,以适配免授权频谱的法规和传播环境。其联盟成员中同样有着包括华为、英特尔、高通、爱立信等企业以及包括中国移动、电信、联通、沃达丰、德国电信、西班牙电信等运营商在内的多种角色组成。

在LPWA领域中,LoRa与NB-IoT存在着明显的竞争关系。而随着基于NB-IoT标准的商业化解决方案在市场上开始崭露头角后,面对巨大潜在市场的竞争才算是拉开序幕。而作为后来者,NB-IoT有着一些“与生俱来”的优势。

三优势或将决定发展上限

其一,在技术标准的制定与演进上两者存在着很大区别。正如上文所言,LoRa技术由Semtech公司提出,其在联盟中扮演着芯片供应商这一重要角色,包括Chirp调制、同步、纠检错、帧结构,组网,芯片架构在内的几乎所有技术细节都有相应的专利保护,并采用类似ARM公司的芯片授权方式授予更多公司制造LoRa相应芯片。这一现状对于巨量的潜在客户而言是不愿看到的,尤其在LPWA这样的新兴市场中。反观NB-IoT,诸如华为、英特尔、高通等公司均有着相应的芯片设计能力,并已经先后发布了数款NB-IoT芯片。这使得在NB-IoT领域中存在着足够的内部竞争与筛选,由此可以在发展过程中博取众家之长。

其二,关键性能NB-IoT占优。从现有产品上来看,基于运营商蜂窝网络的NB-IoT产品在链路传输性能与安全性上有着更好的表现。尤其是在高负载状态下,性能优势将体现的更为明显。而针对不同行业应用,有着众多芯片设计商的NB-IoT在业务模型展开后也更易满足复杂的行业需求。

其三,生态链中的优势。LoRa联盟采用芯片授权的方式以供不同层厂商来共建一套完整的解决方案。这种看似灵活的解决方案存在着一些不确定性,正如在传统ICT市场曾大量出现的情况一样,一旦这样的集成方案出现故障时,如何快速定位?这无疑增加了维保时的成本与难度,也有悖于行业专网的快速部署维护。而NB-IoT吸引了更多大型电信运营商以及主流的行业解决方案供应商。这其中不乏富有经验的厂商可以提供端到端的行业解决方案。据悉,目前已经有NB-IoT解决方案厂商可以提供网络侧的统一交付,以规避出现不同厂家带来的网络侧互联互通测试以及多方维护等难题。

关于NB当前的问题,前两天一篇文章的文尾,有位硬友“我不叫王大锤”发表的观点不无道理:

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NB-IoT芯片原厂及型号有哪些?

NB-IoT芯片商主要来自GSM/LTE Modem公司,也有类似WiFi/BT的MCU公司。未来,更多的NB-IoT芯片厂商会介入,预计在2017年Q3进入价格竞争状态。

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