一文看懂NB-IoT和他的兄弟们

作者: 310e7c946a3c | 来源:发表于2017-06-14 09:50 被阅读197次

按照业界共识，根据应用场景不同，物联网的需求可以分为高速、中档、低功率广覆盖三层，NB-IoT所在的层级具备覆盖 90%业务场景的能力。

高通产品市场高级总监沈磊曾对此作出简明总结：

“蜂窝网络技术的发展极为迅速，目前已经发展出载波聚合的4G+阶段，同时5G的研发和商用也指日可待。但是这些网络通讯协议，通通不适合物联网，这并不是它们达不到物联网的需求，而是它们对物联网来说，明显的性能过剩了。它们是专门针对人与人之间通讯、针对手机使用所设计的，具有很高的可靠性。物与物之间的通讯，则选不需要这么复杂。”

LPWAN（Low Power WideArea Network）：低功耗广域网络，就是专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。正如短距离无线网络包含WIFI、蓝牙、ZigBee等多种技术，LPWA也包含多种技术，如LoRa、Sigfox、NB-IoT、eMTC等。

目前 LPWAN 技术可被分为授权频段的广域网技术及非授权频段的广域网技术两类，不同的 LPWAN 技术在接入网络、部署方式、技术特点、功耗性能及服务模式上都有所差异。

授权频段的广域网技术包括核心标准协议被 3GPP 通过的 NB-IOT 以及由 LTE 技术演进而来的 eMTC。非授权频段广域网技术包括 Sigfox、 LoRa等。那么他们到底有哪些不一样呢？下面为大家一一介绍。

LoRa

LoRa技术核心专利是由美国Semtech公司于2012年3月从法国Cycleo公司购买，Semtech公司作为最大的芯片供应商，是全球LoRa产业的主要推动者。

Semtech 芯片

2015年3月，Semtech牵头成立了一个开放的、非盈利的组织——LoRa联盟，发起成员还有法国Actility，中国AUGTEK和荷兰皇家电信等企业。不到一年时间，就发展成员公司150余家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级产商。

产业链（终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商）中的每一环均有大量的企业，这种技术的开放性，竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

LoRa 采用线性扩频调制技术，其通信距离可达 15km 以上，空旷地方甚至更远。相比其他广域低功耗物联网技术（如 Sigfox）， LoRa 终端节点在相同的发射功率下可通信的距离会更远。

从接入网络上看，LoRa 系统为非授权频段技术，主要工作在 1GHz 以下免许可频段，在欧洲常用频段为 433MHz 和 868MHz，在美国常用频段为 915MHz。LoRa 上下行数据工作在同一频段，因此数据的上传和下传不能同时工作。目前国内单芯片支持的 LoRa 系统带宽为2Mbit/s。

技术上，LoRa 采用星型网络架构，与网状网络架构相比，它是具有最低延迟、最简单的网络结构。基于 LoRa 的扩频芯片，可以实现节点与集中器直接组网连接，构成星形。对于远距离的节点，可使用网关设备进行中继组网连接。

LoRa网络架构

功耗和性能方面，LoRa 终端接收电流仅 10mA，睡眠电流 200nA，电池寿命可达 10 年。LoRa 还有网络层和应用层及设备的多重加密方式。 LoRa 基于测量多点对一点的空中传输时间差试点定位，使得在 10km 的范围内终端的定位精度可达 5m。

从成本和市场推广上看，LoRa 终端通信模块成本约 5 美元，适用于具备功耗低、距离远、容量大以及可定位跟踪等特点的物联网应用。目前 LoRa 网络已经在全球多地进行试点或部署。

据统计，全球有 16 个国家正在部署 LoRa 网络，56 个国家开始进行试点，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等。荷兰 KPN 电信、韩国 SK 电信在 2016 年上半年部署了覆盖全国的 LoRa 网络，并提供基于 LoRa 的物联网服务。

LoRa技术在国外发展如火如荼。不过就国内来看，LoRa的应用似乎并不多，目前可看到的公开应用是国内AUGTEK公司，在京杭大运河完成了 284 个 LoRa 基站的建设，覆盖了 1300km 的流域。长远来看，部分企业出于数据安全等考量，可能会部署独立于运营商网络的私有物联网，LoRa 届时将有更多用武之地。

国内从事LoRa模块和方案开发的厂商也有不少，有洲斯物联、思创汇连、普天通达、八月科技、NPLink、门思科技、利尔达、通感微电子、上海雍敏、武汉拓宝、博大光通、唯传科技、三凡信息等公司。

SigFox

Sigfox 是一家法国窄带物联网公司，成立于 2009 年。该公司坐落于法国的西南部图卢兹的郊区，被称为“物联网小镇”的 Labège，是法国的科技创业中心。

SigFox公司不仅是标准的制定者，同时也是网络运营者和云平台提供商，目标是与合作伙伴使用旗下的 Sigfox 技术建造一个覆盖全球的IoT网络，独立于现有电信运营商的移动蜂窝网络。

芯片商、方案商、网络运营商组成的SigFox生态系统

从接入网络上看， Sigfox 技术工作在 1GHz 以下的免许可 ISM 射频频段，频率根据国家法规有所不同，在欧洲广泛使用 868MHz，在美国则使用 915MHz，每个载波占用 100Hz。 Sigfox 有双向通信功能，通信往往是从终端到基站向上传送比较容易，但从基站回到终端其性能是受限制的，这是因为终端上的接收灵敏度不如基站。

从技术上看，SigFox具有成本低、功耗低的特点。

1）成本低

谈到成本问题，必须考虑 Sigfox 所采用的 UNB 技术，该技术每秒只能处理 10 到 1000 比特的数据，能支持成千上万的连接。基于该技术的网络，不仅成本远低于传统的蜂窝网络，而且其网络所占用的 900MHz 无线频段在美国不需要授权。当电信运营商更希望通过部署短波技术以最大限度地提高携带数据的时候，SigFox 公司反其道而行，其所使用的是波段是最长波。

2）功耗低

Sigfox 网络设备消耗仅 50 微瓦到 100 微瓦的功率。相比较而言，移动电话通信则需要约 5000 微瓦。这就意味着，接入 Sigfox 网络的设备每条消息最大的长度大约为 12 字节，并且每天每个设备所能发送的消息不能超过 140 条。再说说覆盖范围，该公司希望他们的网络可以覆盖至 1000 公里并且每个基站能够处理一百万个对象。

从成本和市场推广上看， Sigfox 使用的通信芯片成本低于 1 美元，每个基站可以连接 100 万个终端。据估算，仅需建设 1 万个基站其网络就可以覆盖整个美国，建成覆盖全球的物联网仅需数百亿欧元。

Sigfox ceo

Sigfox商业模式采取了自上到下的方式。公司拥有全部的技术，从后台数据和云服务到终端软件。但Sigfox对终端市场基本上是开放的。Sigfox不做芯片而是交给了半导体公司，如 ST、Atmel、TI等。SIGFOX通过销售技术栈专利费来赚钱。

换句话说，Sigfox不从硬件中赚钱，而是将软件/网络作为一种服务来销售。2016年底，Sigfox 已完成1.6亿美元E轮融资，成为近几年融资金额最高、影响力最广的物联网创业企业之一。

目前，Sigfox 在 29 个国家建有应用网络，主要为欧洲国家，如：西班牙、法国、俄罗斯、英国、荷兰、德国等，覆盖 170 万平方公里。在中国还没有部署。

NB-IoT

2014年，华为先提出了窄带技术NB M2M，先后与高通、爱立信等公司的方案融合，演进成了NB-IoT。2016 年 6 月， NB-IoT 核心协议标准在 3GPP 获得通过。

Sigfox 和 LoRa 属于私有技术，应用时需要单独组建网络，而且使用的频谱没有授权，在安全性上也可能存在缺陷。NB-IoT是3GPP推出的标准技术，经过多次讨论、已成为了目前被全球广泛接受的全新窄带物联网技术标准，可谓是技术演进和市场竞争的综合产物。

从接入网络上看，由于 NB-IoT 是在 LTE 基础上发展起来的，其主要采用了 LTE 的相关技术，并针对自身特点做了相应的修改。当 NB-IoT 与 LTE 并存部署时，下行链路上 NB-IoT 和 LTE 可以做到互不影响。

从技术特点上看，NB-IoT 的部署方式较为快捷、灵活，支持 3 种部署场景。此外， NB-IoT 也可以部署在 2G/3G 网络。NB-IoT 单扇区支持 5 万个连接，比现有网络连接数高 50 倍，目前全球有约 500 万个物理站点，假设全球有约 500 万个物理站点，所有站点全部部署 NB-IoT，每站点三扇区共计可接入终端数将达 4500 亿个。

从功耗和性能上看，

基站覆盖范围广，终端以低于 2G 的功率即可接入网络；

维持网络接入的开销减少；

终端工作在低功耗模式下，如采用节能模式可使得 99%的时间里功耗只需 15 微瓦；

芯片采用低功耗。对于户外应用的位置跟踪（老人、动物、非机动车）的应用，电池可以使用 2-5 年。对于资产定位，如农林、环境、能耗数据采集与监测，电池可以使用 5-10 年。和 2G 相比， NB-IoT 能实现多达 20dB 以上的增益，使得 NB-IoT 网络能够覆盖更广、更深，并有能力覆盖到地下停车场、地下管网。

从成本和市场推广上看，因为 NB-IoT 可直接部署于 2G/3G/4G 网络，现有无线网络基站的射频与天线可以复用。对于小流量、时延不敏感的应用场景，NB-IoT 单个扇区可以支持 5-10 万个终端的接入，较现有 2G/3G/4G 蜂高出 50-100 倍以上。因此，运营商只需要很低的建设成本，就可以快速形成 NB-IoT 的承载能力。目前 NB-IoT 芯片的成本在 5 美元左右，未来有望降低成本至 1 美元左右。

目前，NB-IoT已被沃达丰、中国移动、中国电信、中国联通等大运营商采纳，并被华为、爱立信、高通、英特尔等产业链上游厂商追捧。 NB-IoT 阵营得到全球主流电信运营商、设备商和芯片厂商的支持。

全球运营商及主设备商在积极布局NB-IOT

在国外，沃达丰已于 2016 年 9 月 9 日宣布在在西班牙马德里成功完成首个基于现有网络的标准化 NB-IoT 商用网络试验，并计划在 2017 年正式商用部署。在国内，中国电信计划在 2017 年上半年部署基于 800MHz 的 NB-IoT 网络，并实现全网覆盖；

中国联通于 2015 年 7 月在上海建成并开放全球第一个 4.5G NB-IoT 新技术示范点， 2016 年全年已在在国内 7 个城市启动基于 900MHz、1800MHz 的 NB-IoT 外场规模组网试验， 2017 年开始推进国内重点城市的 NB-IoT 商业部署。

eMTC

3GPP一直将物联网作为LTE的重要演进方向。在R12/R13中，3GPP多次针对物联网做进一步优化。2016年3月，3GPP正式宣布eMTC相关内容已经在R13中被接纳，标准已正式发布。

eMTC 是 3GPP 在不改变 LTE 自身技术体制基础上，通过适当改造，实现对物联网的支持，核心标志是推出 CatM 类别的终端。未来会根据技术、应用场景等发展随着 LTE 协议共同演进。

NB-IoT、eMTC同属3GPP标准内的LWPA技术。两者有很多相似之处，真可谓是3GPP组织下的一对双胞胎。两者的技术特点与功耗性能方面也接近。

NB-IoT与eMTC对比

eMTC

NB-IoT

带宽

1.4Mbps

200Kbps

峰值数率

DL：1Mbps UL：1Mbps

DL：20Kbps UL：60Kbps

双工模式

半双工FDD/TDD

半双工 FDD

移动性

有限移动性到全移动性

无移动性

VoLTE

支持

不支持

部署方式

LTE带内部署

带内部署、保护带部署、独立部署

容量

数万

5万/cell

增益（相对GSM）

15dB

20dB

电池寿命

5-10年

固件升级能力

有

无

两者主要差异在于：

NB-IoT正如其窄带物联网的名字一般，它基本上是把LTE的能力压缩到极致了，它追求的是最低的成本，最长的续航时间，没有移动性、数据速率非常低，它比较适合对成本很敏感但是终端数量级大，同时单个能力要求比较弱的应用，比如各种表计类，每个月上传一下数据就行，运营商调整资费需要接收的数据也很低。

eMTC则具有移动性，它的传输速率比较，并支持语音通讯，它对LTE的能力保留相对比较多，适合做一些需求比较强的，比如说楼宇安防、穿戴设备等。

在中国，NB-IoT 的风头完全盖过了 eMTC，但在美国却是另一番景象，AT&T、Verizon 两家巨头都在力推 eMTC。

MWC2017上，9大运营商联合宣布支持eMTC

2017 年 3 月底，Verizon 在美国本土推出了第一个全国性的商用 LTE Cat-M1 网络，覆盖面积达到 240 万平方公里。Verizon 借此也狠狠夸了自己在物联网发展方面的领先地位。

实际上，美国另一家运营商巨头 AT&T 的步伐也不慢。2016年 10 月在旧金山建立了 LTE-M 物联网的首个站点，之后在俄亥俄州建立了第二个站点。按照 AT&T 之前的计划，其 LTE-M 网络将在 2017 年底覆盖美国，不过现在 AT&T 决定将时间表提前到今年年中。

在完成美国全国性覆盖后，AT&T 还计划今年底将 LTE-M 网络覆盖墨西哥。热衷于“买买买”的 AT&T 在 2014 年、2015 年先后收购了墨西哥两家主流运营商 Iusacell 和 Nextel Mexico，由此成为墨西哥电信市场上的一股重要力量。

Verizon 推出的是采用 LTE CAT-M1 技术的物联网，AT&T 则乐意称自己试点的是 LTE-M 网络，其实这是一回事，就像西红柿也能称为番茄一样，也许 AT&T 觉得 LTE-M 这个名字更时尚一些。

也许，正是看到 eMTC 产业链的优点，特别是能够利用运营商现有的网络、无需新建网络，所以美国这两家主流运营商都选择了相同的道路。而且 eMTC 支持 VoLTE 功能，可以适用于有声音的场景，比如说语音报警。但在其他一些领域，比如说烟雾报警器、智能电表、工业监视器等低带宽应用，NB-IoT占有优势。

结语

2017 年，被称为 NB-IoT商用元年。

国内三大运营商与设备制造商的强强联手促使 NB-IoT 产业链日渐完善，推动下游细分应用频频落地，尤其是华为已经具备了 NB-IoT 芯片的量产能力，预测到年底将在全球范围内支持 30 张 NB-IoT 商用网络，加速促NB-IoT 技术在智能表计、共享单车、智慧家庭、水污染监测以及车联网等领域的规模化商用。