NB-IoT

窄帶物聯網（NB-IoT）是當下最熱門的一項無線通信技術，它從最初的NB-M2M演進而來，于2016年標準凍結。NB-IoT屬于低功耗廣域網（LPWAN）范疇，能夠連接需要少量數據、低帶寬和長電池壽命的設備，非常適用于物聯網的各種應用和用例。

NB-IoT市場情況

隨著物聯網的普及，人們對物聯網相關優勢的認識不斷提高，有力地推動了對NB-IoT網絡和NB-IoT芯片組的需求。Grand View Research的一項最新市場研究表明，到2025年，全球NB-IoT的市場規模預計將達到60.20億美元，2019年至2025年的復合年增長率為34.9%。

由于NB-IoT是蜂窩物聯網的一個主要部分，迎合了70%以上的物聯網場景需求，即使在沒有互聯網的情況下，它也能實現物聯網M2M環境。為此，各國政府在智慧城市建設過程中不斷加強與電信運營商的合作，此舉也為NB-IoT的發展起到了推動作用。

NB-IoT芯片組是啟用NB-IoT網絡和低功耗廣域網（LPWAN）所必需的硬件組件。基于設備，NB-IoT芯片組市場可細分為智能家電、智能儀表、跟蹤器、警報和探測器、可穿戴設備等。就價值而言，智能電表市場將在全球NB-IoT芯片組市場中占據重要的市場份額。

就市場份額而言，中國是全球NB-IoT芯片組市場上最具主導地位的國家。根據Counterpoint全球蜂窩物聯網模塊和應用程序芯片組跟蹤器的最新研究，2021第四季度全球蜂窩物聯網芯片組發貨量同比增長57%。中國繼續主導著移動物聯網芯片組市場，占出貨量的近60%。高通公司、UNISOC和ASR在全球蜂窩物聯網芯片組市場上占據前三位，占總出貨量的近75%。

其中，高通公司以38%的出貨量領跑全球蜂窩物聯網芯片組市場。零售、汽車、工業物聯網和智能城市等特定垂直領域是高通公司的重點發展領域，近些年，隨著這些領域的高速發展，高通公司的份額也隨之逐年上升。然而，在LTE Cat-1/Cat-1 bis和NB-IoT等快速增長領域，中國本土公司的競爭力也得到了極大提升。

圖1：2021第4季度全球蜂窩物聯網芯片發貨量情況

紫光展銳（Unisoc）是全球第二大蜂窩物聯網芯片組提供商，在NB-IoT和4G Cat 1技術方面表現強勁。其蜂窩物聯網芯片組出貨量的增長持續了近四個季度。紫光展銳V8811是業界首款通過PSA Level2安全認證的NB-IoT芯片平臺，集成了可信執行環境（TEE）/安全啟動/安全升級/安全存儲/身份認證/國密加解密等安全能力。該產品基于3GPP R16標準，可與5G NR網絡共存并接入到5G核心網。總體來看，紫光展銳的產品主要專注于部分低端應用，如智能計量、POS和工業應用等。位居第三名的翱捷科技（ASR）在4G Cat 1和4G Cat 4模塊應用方面與紫光展銳展開了激烈競爭，不過，翱捷科技至今尚未有NB-IoT解決方案面世。

隨著NB-IoT技術的應用范圍不斷擴大，進入該領域的企業越來越多，物聯網的使用和連接設備的數量成倍數增長，這些都是推動NB-IoT芯片組市場增長的重要因素。根據Markets and Markets的預測，NB-IoT芯片組市場預計將從2020年的4.61億美元增長到2025年的24.84億美元，復合年增長率為40.0%。

NB-IoT技術發展

3GPP是負責所有主要移動通信標準的國際標準機構，包括LTE等4G標準和5G NR等5G標準。NB-IoT是由3GPP開發的無線通信技術標準，這是一種窄帶無線電技術，用于M2M和IoT設備和應用，需要以相對較低的成本在更大范圍內進行無線傳輸，并使用很少的功率以延長電池壽命。NB-IoT使用與4G LTE技術相同的6GHz以下無線頻譜，但與4G LTE和其他以前的無線電標準不同，NB-IoT（以及LTE-M）是在考慮IoT的應用情況下開發的，用于解決快速擴展的低功耗廣域連接市場。

NB-IoT也稱為LTE Cat NB，其規范凍結在版本13（LTE Cat-NB1）中，因此，Cat-NB1也是NB-IoT標準的第一個版本。該版本的NB-IoT提供的下行峰值數據速率為26kbps，上行峰值數據速率為62kbps，延遲范圍為1.6到10秒。

Cat-NB2是增強型NB-IoT規范，已在3GPP版本14中引入。Cat-NB2將NB-IoT的下行峰值數據速率提高到127kbps，上行峰值數據速率提高到150kbps。3GPP版本14還引入了用于NB-IoT的高級定位技術，例如OTDOA（觀測到達時間差）和E-CID（增強的小區ID），這兩種技術都提高了定位精度。此外，3GPP版本14還將無線資源控制（RRC）連接重建功能引入到NB-IoT設備。當設備在小區之間移動時，該功能允許NB-IoT設備將其小區連接從一個小區轉移到另一個小區，如果設備遇到無線鏈路故障，則無需再次啟動該轉移過程。

圖2：NB-IoT規范演進路線圖

NB-IoT使用半雙工通信，具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、耗電少等特點。突出的特點主要體現在以下四個方面：

成本低

半雙工通信的使用，再加上NB-IoT較低的數據速率及其使用較低的射頻（RF）帶寬和單個天線，大大降低了NB-IoT設備的復雜性，從而降低了設備的成本。與常規的LTE Cat-1蜂窩模塊相比，NB-IoT模塊的成本降低了50%。

耗電少

NB-IoT具備的諸如節能模式（PSM）和eDRX（擴展不連續接收模式）等功能，有效減少了網絡信令負荷，節省了終端耗電量。與常規LTE Cat-1模塊相比，NB-IoT將電池供電的邊緣模塊在傳輸數據時的能耗降低了75%，電池供電的物聯網設備可以運行10年或更長時間。

容量大

NB-IoT采用窄帶傳輸、信令優化、自適應調制和混合自動重復請求（HARQ）等技術，使得每平方公里多達100萬個NB-IoT設備能夠連接到網絡。

廣覆蓋

在NB-IoT系統中，在更長的時間內重復發送相同的信號是一項關鍵技術。雖然這降低了NB-IoT的數據速率，并增加了功耗，但該技術將NB-IoT的覆蓋范圍提高了5-10倍，超過了其他蜂窩技術。

當然，NB-IoT技術也存在一定的局限性。因數據傳輸速率較低，限制了NB-IoT在各種應用中的蜂窩能力，例如需要高帶寬的視頻監控和語音通信。

與其他蜂窩標準一樣，NB-IoT使用許可頻譜，不過它的網絡部署并不復雜。這是因為，NB-IoT網絡主要基于4G LTE網絡，當運營商建立NB-IoT網絡時可在現有的4G基站中選擇其中的一部分通過軟件升級成為NB-IoT的基站，簡單易行。這些都是NB-IoT得以迅速普及的有利因素。

據愛立信最新發布的移動報告預測，全球蜂窩物聯網連接將從2022年的24億增長到2027年的55億，復合年增長率為18%。而大規模物聯網連接（LTE-M、NB-IoT）預計將在同一時期以37%的復合年增長率增長，占所有蜂窩物聯網連接的一半以上。另據ABI的研究，到2026年，NB-IoT和LTE-M將收獲36億個LPWA網絡連接的60%以上。在剩下的40%份額中，LoRa和Sigfox將占非蜂窩LPWA網絡連接的80%以上。

如何選擇NB-IoT模塊？

盡管所有NB-IoT模塊都基于通用技術標準，但不同供應商的模塊差異很大。選擇時可著重考慮下列因素：

模塊是否為多模：同時支持NB-IoT和LTE-M的多模模塊可能更易于在全球部署IoT應用，所開發的應用程序可根據需要連接到NB-IoT或LTE-M網絡。當然，為了簡化物聯網應用的全球化部署，也可以考慮使用具有智能嵌入式SIM（eSIM）的模塊，該模塊能自動連接到NB-IoT和LTE-M網絡并在兩者之間切換。

模塊的安全性：模塊是否包括內置的安全功能，如HTTPS、安全套接字、安全引導等，這些安全功能將保護物聯網數據免受黑客的攻擊。

模塊是否支持邊緣處理：該功能可降低數據傳輸成本，并延長設備的電池壽命。

CEVA Dragonfly NB2平臺是一個預認證的完整NB-IoT IP解決方案，可以服務于廣泛的應用。它集成了一個CEVA-BX1處理器、一個優化的射頻收發器、基帶和一個協議棧，提供了一個符合第15版Cat-NB2標準的調制解調器解決方案，縮短了上市時間。CEVA Dragonfly NB2還是一種完全軟件配置的解決方案，專為超低功耗和低成本設備設計，可通過多星座GNSS和傳感器融合功能進行擴展。

Nordic nRF9160開發套件是基于NB-IOT/LTE-M的低功耗系統級解決方案，在緊湊的SIP封裝中包含了ArmCortex-M33應用處理器、集成RF前端（RFFE）的多模式LTE-M/NB-IoT調制解調器、GPS和電源管理，其中的64MHz處理器除1MB閃存和256KB RAM外，還帶有各種模擬和數字外設、自動電源和時鐘管理，以及用于可信執行的Arm TrustZone和用于應用層安全性的Arm CryptoCell 310，具有很好的安全性和可靠性。nRF916的典型應用包括智能表、智慧農業、智慧城市、預測與維護系統、物流和資產追蹤以及醫療和可穿戴設備等。

高通212 LTE IoT調制解調器被高通稱作是目前業界最節能的單模NB2芯片組，在休眠狀態下電流不足1μA，專為低功耗設備和應用而設計。該調制解調器集成了基帶芯片、應用處理器、RF射頻以及電源管理等，支持單模3GPP Release 14 Cat，支持700MHz到2.1GHz頻段。

NB-IoT產業生態

NB-IoT的早期部署主要集中在智能計量等傳統垂直領域，現在，NB-IoT已經整合到更廣泛的產品中，包括家用電器、門鎖和煙霧探測器等。根據Counterpoint的最新研究，智能電表、POS、路由器/CPE、工業和汽車是2021第四季度出貨量排名前五的蜂窩物聯網應用。對于NB-IoT而言，智能電表、資產跟蹤和能源是前三大應用，資產跟蹤預計將成為NB-IoT智能應用市場中增長最快的市場。從出貨量看，能源和公用事業將占據最大規模的NB-IoT芯片組市場，其中智能計量是目前NB-IoT技術在能源和公用事業領域的主要應用。

圖3：按應用劃分，2021第4季度

全球蜂窩物聯網芯片組出貨量市場分布

NB-IoT最初部署主要在歐洲和亞洲。在美國和北美，運營商首先部署的是LTE-M網絡，現在他們陸續開展了NB-IoT的建設。在歐洲，許多運營商在推出NB-IoT后，也開始研究LTE-M的部署。至目前為止，NB-IoT的主要市場是中國。

根據GSMA的信息，截至2021年2月，全球已部署103個NB-IoT網絡。實際上，NB-IoT的部署已經推遲了幾年，一些運營商的觀望態度可能對市場的普及產生了較大影響。作為公認的未來物聯網技術，NB-IoT解決了很多低效問題。智能城市是向現有城市系統和互聯應用添加數字智能的關鍵，能源和資源、物理基礎設施、移動和運輸以及安全和安保是目前全球正在進行的1，000多個智能城市項目的主要功能領域，這些項目為NB-IoT進一步拓展市場提供了顯著的增長機會。

NB-IoT與5G

NB-IoT和LTE-M最初是為4G LTE標準開發的。幾年前，負責5G以及NB-IoT和LTE-M標準的3GPP開始謀劃將NB-IoT和LTE-M納入到5G標準中。2020年7月，隨著NB-IoT技術正式被接納為5G的一部分，意味著通過NB-IoT接入網絡的物聯網設備，最終也可以連接到5G核心網，從而享受5G邊緣計算、網絡切片等服務。

全球的商業和技術領導者正在考慮如何利用5G更快的數據速率、超高的可靠性、極低的延遲及其他先進技術使其組織實現數字化。許多公司已經開始研究如何利用5G建立智能化工廠、自愈電網、自動駕駛等更多新型物聯網應用。這其中，兩種低功耗廣域（LPWA）網技術NB-IoT/LTE-M也將為他們開發和推出變革性物聯網應用提供更多的幫助和支撐。與此同時，NB-IoT/LTE-M的商業化或將迎來新一輪發展機遇。

審核編輯：彭靜