如何选择NB-IoT模块

nb-iot
窄带物联网(nb-iot)是当下最热门的一项无线通信技术,它从最初的nb-m2m演进而来,于2016年标准冻结。nb-iot属于低功耗广域网(lpwan)范畴,能够连接需要少量数据、低带宽和长电池寿命的设备,非常适用于物联网的各种应用和用例。
nb-iot市场情况
随着物联网的普及,人们对物联网相关优势的认识不断提高,有力地推动了对nb-iot网络和nb-iot芯片组的需求。grand view research的一项最新市场研究表明,到2025年,全球nb-iot的市场规模预计将达到60.20亿美元,2019年至2025年的复合年增长率为34.9%。
由于nb-iot是蜂窝物联网的一个主要部分,迎合了70%以上的物联网场景需求,即使在没有互联网的情况下,它也能实现物联网m2m环境。为此,各国政府在智慧城市建设过程中不断加强与电信运营商的合作,此举也为nb-iot的发展起到了推动作用。
nb-iot芯片组是启用nb-iot网络和低功耗广域网(lpwan)所必需的硬件组件。基于设备,nb-iot芯片组市场可细分为智能家电、智能仪表、跟踪器、警报和探测器、可穿戴设备等。就价值而言,智能电表市场将在全球nb-iot芯片组市场中占据重要的市场份额。
就市场份额而言,中国是全球nb-iot芯片组市场上最具主导地位的国家。根据counterpoint全球蜂窝物联网模块和应用程序芯片组跟踪器的最新研究,2021第四季度全球蜂窝物联网芯片组发货量同比增长57%。中国继续主导着移动物联网芯片组市场,占出货量的近60%。高通公司、unisoc和asr在全球蜂窝物联网芯片组市场上占据前三位,占总出货量的近75%。
其中,高通公司以38%的出货量领跑全球蜂窝物联网芯片组市场。零售、汽车、工业物联网和智能城市等特定垂直领域是高通公司的重点发展领域,近些年,随着这些领域的高速发展,高通公司的份额也随之逐年上升。然而,在lte cat-1/cat-1 bis和nb-iot等快速增长领域,中国本土公司的竞争力也得到了极大提升。
图1:2021第4季度全球蜂窝物联网芯片发货量情况
紫光展锐(unisoc)是全球第二大蜂窝物联网芯片组提供商,在nb-iot和4g cat 1技术方面表现强劲。其蜂窝物联网芯片组出货量的增长持续了近四个季度。紫光展锐v8811是业界首款通过psa level2安全认证的nb-iot芯片平台,集成了可信执行环境(tee)/安全启动/安全升级/安全存储/身份认证/国密加解密等安全能力。该产品基于3gpp r16标准,可与5g nr网络共存并接入到5g核心网。总体来看,紫光展锐的产品主要专注于部分低端应用,如智能计量、pos和工业应用等。位居第三名的翱捷科技(asr)在4g cat 1和4g cat 4模块应用方面与紫光展锐展开了激烈竞争,不过,翱捷科技至今尚未有nb-iot解决方案面世。
随着nb-iot技术的应用范围不断扩大,进入该领域的企业越来越多,物联网的使用和连接设备的数量成倍数增长,这些都是推动nb-iot芯片组市场增长的重要因素。根据markets and markets的预测,nb-iot芯片组市场预计将从2020年的4.61亿美元增长到2025年的24.84亿美元,复合年增长率为40.0%。
nb-iot技术发展
3gpp是负责所有主要移动通信标准的国际标准机构,包括lte等4g标准和5g nr等5g标准。nb-iot是由3gpp开发的无线通信技术标准,这是一种窄带无线电技术,用于m2m和iot设备和应用,需要以相对较低的成本在更大范围内进行无线传输,并使用很少的功率以延长电池寿命。nb-iot使用与4g lte技术相同的6ghz以下无线频谱,但与4g lte和其他以前的无线电标准不同,nb-iot(以及lte-m)是在考虑iot的应用情况下开发的,用于解决快速扩展的低功耗广域连接市场。
nb-iot也称为lte cat nb,其规范冻结在版本13(lte cat-nb1)中,因此,cat-nb1也是nb-iot标准的第一个版本。该版本的nb-iot提供的下行峰值数据速率为26kbps,上行峰值数据速率为62kbps,延迟范围为1.6到10秒。
cat-nb2是增强型nb-iot规范,已在3gpp版本14中引入。cat-nb2将nb-iot的下行峰值数据速率提高到127kbps,上行峰值数据速率提高到150kbps。3gpp版本14还引入了用于nb-iot的高级定位技术,例如otdoa(观测到达时间差)和e-cid(增强的小区id),这两种技术都提高了定位精度。此外,3gpp版本14还将无线资源控制(rrc)连接重建功能引入到nb-iot设备。当设备在小区之间移动时,该功能允许nb-iot设备将其小区连接从一个小区转移到另一个小区,如果设备遇到无线链路故障,则无需再次启动该转移过程。
图2:nb-iot规范演进路线图
nb-iot使用半双工通信,具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、耗电少等特点。突出的特点主要体现在以下四个方面:
成本低
半双工通信的使用,再加上nb-iot较低的数据速率及其使用较低的射频(rf)带宽和单个天线,大大降低了nb-iot设备的复杂性,从而降低了设备的成本。与常规的lte cat-1蜂窝模块相比,nb-iot模块的成本降低了50%。
耗电少
nb-iot具备的诸如节能模式(psm)和edrx(扩展不连续接收模式)等功能,有效减少了网络信令负荷,节省了终端耗电量。与常规lte cat-1模块相比,nb-iot将电池供电的边缘模块在传输数据时的能耗降低了75%,电池供电的物联网设备可以运行10年或更长时间。
容量大
nb-iot采用窄带传输、信令优化、自适应调制和混合自动重复请求(harq)等技术,使得每平方公里多达100万个nb-iot设备能够连接到网络。
广覆盖
在nb-iot系统中,在更长的时间内重复发送相同的信号是一项关键技术。虽然这降低了nb-iot的数据速率,并增加了功耗,但该技术将nb-iot的覆盖范围提高了5-10倍,超过了其他蜂窝技术。
当然,nb-iot技术也存在一定的局限性。因数据传输速率较低,限制了nb-iot在各种应用中的蜂窝能力,例如需要高带宽的视频监控和语音通信。
与其他蜂窝标准一样,nb-iot使用许可频谱,不过它的网络部署并不复杂。这是因为,nb-iot网络主要基于4g lte网络,当运营商建立nb-iot网络时可在现有的4g基站中选择其中的一部分通过软件升级成为nb-iot的基站,简单易行。这些都是nb-iot得以迅速普及的有利因素。
据爱立信最新发布的移动报告预测,全球蜂窝物联网连接将从2022年的24亿增长到2027年的55亿,复合年增长率为18%。而大规模物联网连接(lte-m、nb-iot)预计将在同一时期以37%的复合年增长率增长,占所有蜂窝物联网连接的一半以上。另据abi的研究,到2026年,nb-iot和lte-m将收获36亿个lpwa网络连接的60%以上。在剩下的40%份额中,lora和sigfox将占非蜂窝lpwa网络连接的80%以上。
如何选择nb-iot模块?
尽管所有nb-iot模块都基于通用技术标准,但不同供应商的模块差异很大。选择时可着重考虑下列因素:
模块是否为多模:同时支持nb-iot和lte-m的多模模块可能更易于在全球部署iot应用,所开发的应用程序可根据需要连接到nb-iot或lte-m网络。当然,为了简化物联网应用的全球化部署,也可以考虑使用具有智能嵌入式sim(esim)的模块,该模块能自动连接到nb-iot和lte-m网络并在两者之间切换。
模块的安全性:模块是否包括内置的安全功能,如https、安全套接字、安全引导等,这些安全功能将保护物联网数据免受黑客的攻击。
模块是否支持边缘处理:该功能可降低数据传输成本,并延长设备的电池寿命。
ceva dragonfly nb2平台是一个预认证的完整nb-iot ip解决方案,可以服务于广泛的应用。它集成了一个ceva-bx1处理器、一个优化的射频收发器、基带和一个协议栈,提供了一个符合第15版cat-nb2标准的调制解调器解决方案,缩短了上市时间。ceva dragonfly nb2还是一种完全软件配置的解决方案,专为超低功耗和低成本设备设计,可通过多星座gnss和传感器融合功能进行扩展。
nordic nrf9160开发套件是基于nb-iot/lte-m的低功耗系统级解决方案,在紧凑的sip封装中包含了armcortex-m33应用处理器、集成rf前端(rffe)的多模式lte-m/nb-iot调制解调器、gps和电源管理,其中的64mhz处理器除1mb闪存和256kb ram外,还带有各种模拟和数字外设、自动电源和时钟管理,以及用于可信执行的arm trustzone和用于应用层安全性的arm cryptocell 310,具有很好的安全性和可靠性。nrf916的典型应用包括智能表、智慧农业、智慧城市、预测与维护系统、物流和资产追踪以及医疗和可穿戴设备等。
高通212 lte iot调制解调器被高通称作是目前业界最节能的单模nb2芯片组,在休眠状态下电流不足1µa,专为低功耗设备和应用而设计。该调制解调器集成了基带芯片、应用处理器、rf射频以及电源管理等,支持单模3gpp release 14 cat,支持700mhz到2.1ghz频段。
nb-iot产业生态
nb-iot的早期部署主要集中在智能计量等传统垂直领域,现在,nb-iot已经整合到更广泛的产品中,包括家用电器、门锁和烟雾探测器等。根据counterpoint的最新研究,智能电表、pos、路由器/cpe、工业和汽车是2021第四季度出货量排名前五的蜂窝物联网应用。对于nb-iot而言,智能电表、资产跟踪和能源是前三大应用,资产跟踪预计将成为nb-iot智能应用市场中增长最快的市场。从出货量看,能源和公用事业将占据最大规模的nb-iot芯片组市场,其中智能计量是目前nb-iot技术在能源和公用事业领域的主要应用。
图3:按应用划分,2021第4季度
全球蜂窝物联网芯片组出货量市场分布
nb-iot最初部署主要在欧洲和亚洲。在美国和北美,运营商首先部署的是lte-m网络,现在他们陆续开展了nb-iot的建设。在欧洲,许多运营商在推出nb-iot后,也开始研究lte-m的部署。至目前为止,nb-iot的主要市场是中国。
根据gsma的信息,截至2021年2月,全球已部署103个nb-iot网络。实际上,nb-iot的部署已经推迟了几年,一些运营商的观望态度可能对市场的普及产生了较大影响。作为公认的未来物联网技术,nb-iot解决了很多低效问题。智能城市是向现有城市系统和互联应用添加数字智能的关键,能源和资源、物理基础设施、移动和运输以及安全和安保是目前全球正在进行的1,000多个智能城市项目的主要功能领域,这些项目为nb-iot进一步拓展市场提供了显著的增长机会。
nb-iot与5g
nb-iot和lte-m最初是为4g lte标准开发的。几年前,负责5g以及nb-iot和lte-m标准的3gpp开始谋划将nb-iot和lte-m纳入到5g标准中。2020年7月,随着nb-iot技术正式被接纳为5g的一部分,意味着通过nb-iot接入网络的物联网设备,最终也可以连接到5g核心网,从而享受5g边缘计算、网络切片等服务。
全球的商业和技术领导者正在考虑如何利用5g更快的数据速率、超高的可靠性、极低的延迟及其他先进技术使其组织实现数字化。许多公司已经开始研究如何利用5g建立智能化工厂、自愈电网、自动驾驶等更多新型物联网应用。这其中,两种低功耗广域(lpwa)网技术nb-iot/lte-m也将为他们开发和推出变革性物联网应用提供更多的帮助和支撑。与此同时,nb-iot/lte-m的商业化或将迎来新一轮发展机遇。


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