NB－IoT标准全解析，技术方案选择不迷
作者：Doctor M
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（图源：Counterpoint）
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（图源：前瞻产业研究院）
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Arm®Cortex®-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（图源：Counterpoint）
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。
