NB-IoT詳細解讀

2015年9月份，全球通信業對共同形成一個低功耗、廣域覆蓋(LPWA)的物聯網標準達成共識， NB-IoT標準應運而生。而今年，隨著NB-IoT即將完成測試，正式進入商用階段，業界對于它的關注度和討論也是逐漸升溫。

一、為什么NB-IoT會出現?

據預測，2016年全球將會使用64億個物聯網設備每天將有550萬個設備連網，而“萬物互聯”實現的基礎之一在于數據的傳輸，不同的物聯網業務對數據傳輸能力和實時性都有著不同要求。

根據傳輸速率的不同，可將物聯網業務進行高、中、低速的區分：

高速率業務：主要使用3G、4G技術，例如車載物聯網設備和監控攝像頭， 對應的業務特點要求實時的數據傳輸;

中等速率業務：主要使用GPRS技術，例如居民小區或超市的儲物柜，使用頻率高但并非實時使用，對網絡傳輸速度的要求遠不及高速率業務;

低速率業務：業界將低速率業務市場歸納為LPWAN(Low Power Wide Area Network)市場，即低功耗廣域網。目前還沒有對應的蜂窩技術，多數情況下通過GPRS技術勉力支撐，從而帶來了成本高、影響低速率業務普及度低的問題。

也就是說目前低速率業務市場急需開拓，而低速率業務市場其實是最大的市場，如建筑中的滅火器、科學研究中使用的各種監測器，此類設備在生活中出現的頻次很低，但匯集起來總數卻很可觀，這些數據的收集用于各類用途，比如改善城市設備的配置等等。

而NB-IoT就是一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN(低功耗廣域網)技術，可以幫助我們解決這個問題。

二、NB-IoT的優勢是什么?

作為一項應用于低速率業務中的技術，NB-IoT的優勢不難想象：

強鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。舉例來說，受限于帶寬，運營商給家庭中每個路由器僅開放8-16個接入口，而一個家庭中往往有多部手機、筆記本、平板電腦，未來要想實現全屋智能、上百種傳感設備需要聯網就成了一個棘手的難題。而NB-IoT足以輕松滿足未來智慧家庭中大量設備聯網需求。

高覆蓋：NB-IoT室內覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區域能力。不僅可以滿足農村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。以井蓋監測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當，就可以很好的解決這一難題。

低功耗：低功耗特性是物聯網應用一項重要指標，特別對于一些不能經常更換電池的設備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區中的各類傳感監測設備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質的需求。NB-IoT聚焦小數據量、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小，設備續航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

低成本：與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網，射頻和天線基本上都是復用的。以中國移動為例，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優勢。模塊預期價格不超過5美元。

不過，NB-IoT仍有著自身的局限性。在成本方面，NB-IoT模組成本未來有望降至5美元之內，但目前支持藍牙、Thread、ZigBee三種標準的芯片價格僅在2美元左右，僅支持其中一種標準的芯片價格不到1美元。巨大的價格差距無疑將讓企業部署NB-IoT產生顧慮。

此外，大部分物聯網場景如智能門鎖、數據監測等并不需要實時無線聯網，僅需近場通信或者通過有線方式便可完成。若更換NB-IoT，是否物有所值?

三、NB-IoT的產業鏈

相對于傳統產業，物聯網的產業生態比較龐大，需要從縱向產業鏈和橫向技術標準兩個維度多個環節進行分析。

對于低功耗廣域網絡，從縱向來看，目前已形成從“底層芯片—模組—終端—運營商—應用”的完整產業鏈。

而其中，芯片在NB-IoT整個產業鏈中處于基礎核心地位，現在幾乎所有主流的芯片和模組廠商都有明確的NB-IoT支持計劃。

華為收購公司Neul的芯片實現的比較早，已有測試樣片;

高通的芯片預計會在2016年四季度階段發布，而且高通的芯片是NB-IoT和eMTC雙模的芯片;

Intel的芯片預計今年四季度會提供第一批的芯片，但是主要是以測試為主，商用芯片也是在明年年初發布;

MTK的芯片也在研發當中，明年上半年會發布;

中興微、大唐的芯片也都在研發當中。

下面我們就選取華為和高通兩家來具體聊聊。

1、 華為

作為NB-IoT的積極參與者華為而言，NB-IoT是一個大戰略，據說華為所有的部門都積極參與其中。

其實早在2014年，華為就斥資2500萬美元收購了英國領先的蜂窩物聯網芯片和解決方案提供商Neul，還計劃以Neul為中心，打造一個全球級物聯網。

不出所料，在標準公布后，Neul即將在本月底火速推出NB-IoT商用芯片，這將會是業內第一款正式商用的NB-IoT芯片，而且其芯片價格向短距離通信芯片價格靠近。

據悉，華為推出的NB-IoT芯片在硬幣大小的尺寸內集成了BB和AP、Flash和電池管理，并預留傳感器集成功能。其中AP包含三個ARM-M0內核，每個M0內核分別負責應用、安全、通信功能，這樣在方便進行功能管理的同時降低成本和功耗，后續推出的芯片還將會集成Soft SIM，進一步降低成本。

另外，在九月底提供第一批芯片之后，華為還將會和ublox、移遠合作提供第一批的商用模組，商用模組大概是在10月中旬或下旬發布。第一批提供的量并不大，明年年初將大規模商用。

除了芯片以外，華為在NB-IoT領域的布局可謂是全方位覆蓋式的。

在今年的世界移動大會物聯網峰會上，華為正式面向全球發布了端到端NB-IoT解決方案，主要包括：Huawei Lite OS與NB-IoT芯片使能的智能化終端方案、平滑演進到NB-IoT的eNodeB基站、可支持Core in a Box或NFV切片靈活部署的IoT Packet Core、基于云化架構并具有大數據能力的IoT聯接管理平臺等，滿足了運營商IoT業務低功耗廣域覆蓋的核心需求。

另外在上個月舉辦的第二屆中國NB-IoT產業聯盟高峰論壇上，華為的NB-IoT項目負責人許海平更是表示了華為正在建設的開放實驗室將更好地為NB-IoT端到端業務服務。“從今年開始，華為在全球設立了七個開放實驗室，現已開放了兩個，一個是沃達豐，另外一個是華為的上研所。開放實驗室主要是搭建整套的端到端NB-IoT環境，提供NB-IoT的芯片和模組，和一些關系比較密切的合作廠商一起來做端到端的對接，包括芯片模組的集成、后端的聯接管理平臺、業務服務器的對接等。沃達豐的開放實驗室主要是針對的歐洲的合作廠商，上海的實驗室主要是針對中國區的，九月份還將在韓國成立一個open lab，意大利等國家也會相繼推進。”

2、高通

高通認為在未來5年里，從物聯網的角度來說，LTE依然是發展基礎。3GPP Release 13下引入的NB-IoT將繼續隨著3GPP的發展而演進，大規模物聯網(Massive IoT)所需的低成本、低功耗等將依靠LTE NB-IoT技術從蜂窩連接的方面推動其發展，為物聯網5G技術發展打好基礎。

高通今年年初推了的MDM 9x07，支持Cat 4，最高支持150Mbps;另外一個是MDM 92071，支持Cat 1的標準;還有去年10月推出的MDM 9206，支持CatM1，后期通過軟件升級可以支持NB-IoT。模塊OEM廠商預計將于2017年初發布基于MDM 9206、支持Cat M1的模塊，而對于Cat NB1的支持預計在此之后不久，通過軟件升級的方式實現。

另外，在目前的Release 13中，NB-IoT不支持VoLTE，不過在未來的Release 14中，高通就會嘗試增加語音功能的支持。隨著NBIoT不斷演進，高通希望它能為適用于5G的物聯網標準打下基礎。

講完了芯片廠商，下面來講講運營商。

從去年開始，包括中國、韓國、歐洲、中東、北美的多家主流運營商已經開展了基于pre-standard 的NB-IoT技術的試點，并開啟了端到端的技術和業務驗證。

1、中國電信

中國電信正在積極跟進NB-IoT技術發展，并正式立項對NB-IoT關鍵技術、終端和業務開展研發。在具體部署方案上，將基于全覆蓋的800M LTE網絡部署NB-IoT;基站同時支持LTE和NB-IoT與800MLTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。同時，為了規避可能的頻率干擾，并考慮LTE800后續演進的靈活性，優先考慮獨立工作模式。

另外，在今年7月召開的“2016年天翼智能終端交易博覽會”上，中國電信聯合高通、華為、中興、英特爾、博世、SAP、IBM、愛立信、深創投、中科院上海微系統所、北郵和東南大學12家單位,共同發起成立“天翼物聯產業聯盟”。

2、中國移動

對于中國移動來說，其公眾物聯網平臺自2014年11月底正式商用,截至今年6月,用戶已超過2700萬。目前，中國移動正加快推進全球統一標準窄帶物聯網產業成熟和物聯網應用創新，構建物聯網開放實驗室，促進芯片和模組成熟發展，打造一張低成本、低功耗、廣覆蓋、高可靠的公共物聯網，力爭2017年實現商用。為了建設NB-IoT物聯網，預計在2016年年底至2017年年中，中移動將會獲得FDD牌照，并且允許重耕現有的900MHz、1800MHz頻段。

3、中國聯通

中國聯通在2015年7月，建成并開放全球第一個NB-IoT新技術示范點;2016年上半年上海迪斯尼物聯網啟動商用; 2015年-2016年開展了NB-IoT業務試點及試驗，目前正推進重點城市(北京、上海、廣州、深圳、銀川、長沙、福州)的NB-IoT商用部署，計劃在2017年實現規模商用，2018年則將開始全面推進國家范圍內的商用部署。

中國聯通部署在900MHz、1800MHz頻段，用于NB-IoT和VoLTE。在900 MHz采用DSSS動態頻譜解決方案，在1800MHz連續覆蓋區域，部署5MHz帶寬的LTE，在沒有1800MHz連續覆蓋的區域，帶寬自動縮窄到 3MHz，但中心頻點保持不變，兩側空出的頻譜，自動部署14個GSM頻點。

從橫向來看，產業鏈每一環節都有NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu等不同技術標準的廠商存在。

說到這些，不得不重提下之前的LPWAN，NB-IoT、LoRa、Sigfox、ZETA、Ingenu都是LPWAN的分支。

像Lora、Sigfox等，屬于工作在非授權頻段的技術，這類技術大多是非標、自定義實現;而像GSM、CDMA、WCDMA等較成熟的2G/3G蜂窩通信技術是工作在授權頻段的技術，這類技術基本都在3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演進技術的相關標準)或3GPP2(主要制定CDMA相關標準)等國際標準組織進行了標準定義。

下面我們會選取目前已形成較為完善產業生態的NB-IoT和LoRa兩種技術標準，對每一環節的市場集中度進行大體預估，集中度的大小反映在下圖對應矩形框的長度，長度越長，集中度越高，長度越短，集中度越小。(集中度越高表示市場壟斷率越高)

在底層芯片領域，眾所周知，當前華為海思、高通、英特爾、MTK、中興微電子、大唐、展訊等廠商已有NB-IoT芯片的研發計劃和實施步驟，原有LTE芯片能力的廠商均可參與，沒法形成前2-3家壟斷大部分市場，不過由于這一領域的廠商數量并不多，因此也不會形成大量市場參與者，市場集中度會保持在50%以下;而在LoRa陣營中，目前射頻芯片供應集中在Semtech一家廠商，占據絕大多數市場份額，從而形成大于80%的市場集中度。

在模組環節，由于具備渠道、技術、規模的優勢，很多NB-IoT模組的出貨量應該掌握在原來擁有2G/3G/LTE模組產品線的廠商手中，這一群數量相對較多，再加上一些新的廠商進入該領域，故也無法形成較高的市場集中度;在LoRa模組群體中，原有廠商多為中小企業，在LoRa應用越來越多的情況下，還有不少廠商入局，使得整個市場形成相對充分競爭狀態，市場集中度較低。

在終端環節中，由于低功耗廣域網絡通信技術是大量行業、消費終端所需要的，而終端的種類多種多樣，無法形成少數企業擁有大規模終端的市場，因此終端市場極為分散，市場集中度較低。

在通訊設備和平臺環節中，由于華為、愛立信、中興、諾基亞等通訊設備廠商是NB-IoT標準的核心參與者和推動者，在蜂窩通信市場上，這些主流設備廠商占據絕大多數市場份額，在NB-IoT的商用中，也不可避免占據絕大多數份額，可以說在這一環節的市場集中度較高，可能達到80%以上;而對于LoRa來說，一開始就有大量中小企業參與LoRa基站設備和管理平臺的研發和生產，目前具備整體方案提供能力的廠商很多，因此并不能形成高市場集中度，而在國內中興通訊發起的中國LoRa應用聯盟(CLAA)推出的共享模式或在一定程度提升設備和平臺的集中度，但仍然不會達到NB-IoT在這一環節的高集中度。

在運營商環節，主流運營商非常明確會部署并運營NB-IoT網絡，也就是說，未來的NB-IoT網絡運營仍將集中在三大運營商手里，所以這一領域的市場集中度為100%;而對于LoRa網絡運營來說，由于要滿足各類政企行業用戶多樣化的需求，將來可能會出現多種形式的運營商，包括CLAA的跨地域云網絡運營商、行業級網絡運營商、企業私網運營商等，因此市場集中度非常低。

至于應用環節，不論是NB-IoT還是LoRa網絡，均要面對成千上萬多樣化的應用需求。這些物聯網的應用沒法形成如傳統通信時代數億級同質化應用業務，而是碎片化特點突出，即時同一行業中也有千差萬別的需求，因此應用環節不會形成高度的市場集中態勢。

總結來看，非常明顯的是NB-IoT的產業鏈上多個環節具有高度市場集中度，可以看出這一領域更多是巨頭主導;LoRa產業鏈上芯片環節形成高度市場集中度，其他環節皆是大量參與者的形態。

四、NB-IoT市場投資機會

目前NB-IoT市場炒作非常熱，產業鏈也包含了許多不同的硬件：芯片、模塊、終端設備等等，可以說給各個層面的企業及產業資本提供很大的機會，縱觀這些投資機會，DR君覺得以下兩個創投領域非常值得關注：

1、傳感器

NB-IoT無疑促進了物聯網的產業生態，讓傳感器可以深入到細分市場，帶來巨大的商業機會。全球傳感器產業到2020年前后將擁有接近3000億美元的市場規模，而有券商認為，中國企業將在這個千億級的傳感器市場中占有三分之一的份額，發展空間巨大。

2、應用

雖然底層硬件非常重要，但真正讓這些裝置發揮加值效果，體現數據的價值和利益分享的價值，還是需要為了特定服務目的開發的應用軟件，這些更是未來巨大的市場，將為進入該領域的業者和資本提供更大的機會。

相比面向娛樂和性能的物聯網應用，NB-IoT面向低端物聯網終端，更適合廣泛部署，在以智能抄表、智能停車、智能追蹤為代表的智能家居、智能城市、智能生產等領域的應用將會大放異彩。

人與人通信的移動終端數量增長已看到天花板，而物與物通信才剛剛開啟，我們相信未來隨著NB-IoT的落地，物聯網將得到飛速發展，應用前景將大大廣闊，大量的數據勢必帶來的無窮無盡的價值。

為了達到涵蓋范圍延伸(CoverageEnhancement, CE)以滿足布建在細胞(Cell)邊緣或地下室等信道質量較低的NB-IoT UE，基地臺與NB-IoT UE之間透過采用較少數量的子載波(Subcarrier)與將欲傳遞的數據作重復傳送以利于接收端提高正確解出數據的成功率。依照目前規格的規范，在隨機存取(Random Access)信道、控制信道與數據信道所傳遞之訊息的重復傳送次數最高可高達128、2,048與2,048次。

三種運行模式各有發揮　靈活運用頻段資源

涵蓋范圍延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)共分為三種等級，分別為達到可對抗最大耦合損失(Maximum Coupling Loss, MCL)為144dB、154dB、164dB的訊號能量衰減。基地臺與NB-IoT UE間會根據所在的CE Level來選擇相對應的訊息重復傳送次數。

另一方面，為了使營運商能靈活地使用LTE頻段或非LTE頻段來布建NB-IoT系統以及考慮到對LTE系統的兼容性，單一載波帶寬被限制為180KHz，相當于一個PRB(Physical Resource Block)的帶寬。

NB-IoT支持在頻段內(In-Band)、保護頻段(Guard Band)以及獨立(Stand-alone)共三種運行模式。In-Band運行是利用LTE載波(Carrier)內的PRB進行數據傳輸，Guard Band運行是利用LTE載波內的Guard Band來進行數據傳輸，Stand-alone運行則是使用非LTE頻段的載波來進行數據傳輸。為了提高NB-IoT的市場需求性，三種運行模式的設計具有一致性，但In-Band與Guard Band兩種運行模式則需特別考慮到對LTE系統的兼容性。NB-IoT所支持的最大數據速率(Data Rate)在上行(Uplink)為64Kbit/s，下行(Downlink)為28Kbit/s。

目前正值標準討論中的階段，接下來我們將針對物理層與接口訪問控制層受影響的信道設計、功能與程序做介紹。由于截稿前，NB-IoT第十三版本的規格尚在RAN大會上等待通過，故以下的介紹以基于規格送審前的數據為主。

物理層的變更

NB-IoT在多重存取(Multiple Access)技術的選擇上，使用與LTE系統相同之Multiple Access技術，亦即在下行使用正交分頻多路存取(OrthogonalFrequency Division Multiple Access, OFDMA)，在上行使用單載波分頻多重存取(Single CarrierFrequency Division Multiple Access, SC-FDMA)，且子載波間距 (SubcarrierSpacing)以及訊框架構(Frame Structure)與LTE系統相同。

另外，考慮到NB-IoT UE的低成本需求，在上行亦支持單頻(Single Tone)傳輸，使用的Subcarrier Spacing除了原有的15KHz，還新制訂了3.75KHz的Subcarrier Spacing，共48個Subcarrier。

由于帶寬最多僅有1個PRB，所以不同物理層通道之間大多為分時多任務(Time Division Multiplexed, TDD)，也就是在不同時間上輪流出現。另外，考慮到NB-IoT UE的低成本與低復雜度，Release-13 NB-IoT僅支持分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)且為半雙工(Half Duplex)，亦即上行與下行使用不同的載波，且一NB-IoT UE傳送和接收需在不同時間點進行。

在NB-IoT中，因為帶寬大小以及NB-IoT UE能力的限制，舍棄了LTE系統中如實體上行共享信道(Physical UplinkControl Channel, PUCCH)、實體混合自動重傳請求或指示通道(Physical HybridARQ Indicator Channel, PHICH)等物理層通道。

HARQ的實認信息(HARQ-ACK)/否定應答(NACK)將會傳送在NB-IoT中新制定的數據信道中，而LTE系統中的周期性信道狀態信息(Periodic CSI)回報，也因為考慮到資源有限與NB-IoT UE的電量耗損，在NB-IoT中不予支持。

原有LTE系統中的其他物理層信道如實體下行控制信道(Physical DownlinkControl Channel, PDCCH)以及傳送實體隨機存取信道(Physical RandomAccess Channel, PRACH)也都有對應功能的新物理層信道設計，本文將逐一簡介。

調變與編碼機制

NB-IoT中下行使用的調變為正交相位位移鍵控(QPSK)，上行若為多頻傳輸(Multi-ToneTransmission)則使用QPSK，若為單頻傳輸則使用π/2 BPSK或π/4 QPSK，此為考慮到降低峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的需求。

信道編碼方面，為了減少NB-IoT UE譯碼的復雜度，下行的數據傳輸是使用尾端位回旋碼(Tail BitingConvolutional Coding, TBCC)，而上行的數據傳輸則使用Turbo Coding。

混合式自動重新傳送程序

在NB-IoT中，由于可用資源有限以及重復傳送的行為，若在上行使用同時(Synchronous)的混合式自動重新傳送程序(HARQ Process)會使得上行資源運用更加困難，因此在NB-IoT中上行和下行都使用非同時(Asynchronous)的HARQ Process，亦即若需重傳則會根據新接收到的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)來做重傳。另外，為了減少NB-IoT UE的復雜度，只支持一個HARQ Process，且在下行不支持冗余版本(Redundancy Version, RV)，在上行則支持RV 0、RV 2。

單頻傳輸

NB-IoT UE在上行可使用單頻傳輸，其中Subcarrier Spacing可為15KHz以及3.75KHz。因為15KHz為3.75KHz的整數倍，所以對LTE系統有較小的干擾。由于下行的Frame Structure與LTE的相同，且為了使上行與下行的時間有清楚的關系，制定Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個符槽(Slot)包含7個符元(Symbol)共2ms長，是LTE系統中一個時槽(Slot)時間長度的4倍。

NB-IoT系統中的取樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個Symbol的時間長度為512 Ts(SamplingDuration)加上循環前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。因此，一個Slot包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長。

資源單位

有別于LTE系統中資源分配的基本單位為子訊框(Subframe)，NB-IoT在上行中根據Subcarrier的數目分別制訂了相對應的資源單位做為資源分配的基本單位，如表1。

表1NB-IoT上行資源單位的subcarrier數目與slot數目組合。