2023年将有超过86%的设备通过WAN低功耗广域网实现

2019-04-24 19:22 来源:未知

  根据GSMA智库2018年下半年发布的全球物联网市场报告预测,到2025年全球范围内将会有31亿蜂窝物联网连接和138亿工业物联网连接,市场规模(包括:连接、应用、平台与服务)将达到1.1万亿美元。随着物联网的逐渐铺开,越来越多的物联网应用充斥在我们工作和生活中,它们都是由感知层、网络层和应用层一一组建而成。在网络层,低功耗成为物联网不可避免的趋势,预计到2023年,将有超过86%的设备通过LPWAN(低功耗广域网)实现网联,这是一个巨大的市场机会。

  当然,除了LPWAN,短距离通信技术(包括:蓝牙、WiFi和ZigBee等)也有着自己的市场,两种技术将优势互补,实现真正的万物互联。

  物联网的LPWAN领域主要包括LoRa、Sigfox和NB-IoT网络,其中NB-IoT和LoRa将分别占据公共网络和私有网络的绝大多数份额。

  2015年9月份,全球通信业对共同形成一个低功耗、广域覆盖(LPWAN)的物联网标准达成共识, NB-IoT标准应运而生。在低速率业务中,NB-IoT拥有巨大的优势,能够实现强链接、高覆盖、低功耗和低成本。

  当然,NB-IoT的低成本是需要打引号的。从模组层面来看,NB-IoT的成本是高于短距离物联网技术的,一个NB-IoT模组的成本在5美元左右,而单独支持一种标准的短程物联网模组只要1美元,支持多种标准的模组也只需要3美元。NB-IoT的低成本在于与直接竞争对手LoRa相比,NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都是复用的,这让其受到运营商的热烈欢迎。为了帮助运营商完成NB-IoT布局,芯片和模组厂商也是马不停蹄地在赶进程,进而突破来自芯片的瓶颈。

  2016年,华为在世界移动大会物联网峰会上正式面向全球发布了端到端的NB-IoT解决方案,使物联网成为运营商未来的基础类业务之一。针对物联网的系统架构,华为提出“1+2+1”物联网解决方案。前一个“1”代表1个开源物联网操作系统Huawei LiteOS;中间的“2”代表2种连接方式,包括有线”代表统一开放的联接管理平台。目前,华为的NB-IoT已经能够实现超强覆盖、超低功耗和超低成本。根据世界物联网大会发布的“2018世界物联网排行榜500强企业”显示,华为荣登榜首,可见其在物联网发展上发挥着重要的作用,其代表产品是Boudica系列产品。

  高通深耕物联网领域多年,在“2018世界物联网排行榜500强企业”排名第2位。高通2017年3月发布的MDM9206芯片,已于2018年5月底实现量产。MDM9206是一款面向LTE物联网的多模芯片,集成了eMTC、NB-IoT和GPRS三种技术,是首款支持多模的芯片。高通的解决方案可以实现低成本、低功耗、低带宽、广覆盖的物联网服务。

  2017年的中国移动合作伙伴大会上,联发科发布了业界首款支持NB-IoT R14规格的双模物联网芯片MT2621.过去NB-IoT定义是在R13的通信标准中,只能做固定式传输,所以像共享单车很难使用NB-IoT,最新的R14标准支持设备移动,联发科率先切入R14标准,给NB-IoT的应用带来更多可能。

  2017年,中兴微电子联合中芯国际推出了大陆首颗自主设计并制造的基于蜂窝的NB-IoT商用芯片RoseFinch7100,可广泛应用于无线表计、共享单车、智慧家电、智慧城市、智慧农业等多个物联网行业和领域。目前,中兴微电子主推一高一低两个物联网芯片系列,高端是以极速Cat4为特质4G物联网芯片WiseFone系列,该系列累计发货达千万片;低端是以轻盈低功耗为特质的NB-IoT物联网芯片RoseFinch系列,将进一步引起物联网行业的深度变革。

  把紫光展锐具有代表性质的解决方案主要是RDA8909、RDA8910和RDA89101.其中,RDA8909支持2G、NB-IoT双模,通过合理规划芯片配置,产品覆盖面极为广泛。此外,RDA8909符合3GPP R13 NB-IoT标准,还可以通过软件升级支持最新的3GPP R14标准。

  2018年年初,Nordic发布了其首款NB-IoT/LTE-M双模芯片和模组nRF91系列。成为继高通、Altair和Sequans之后国外第四个发布商用版本的芯片公司。nRF91系列解决方案主打高集成度、安全性和低功耗。

  2018世界移动通信大会(MWC2018)上,汇顶科技宣布正式进军NB-IoT领域,通过并购全球领先的半导体蜂窝IP提供商德国CommSolid,整合其全球顶尖的超低功耗移动无线基带技术优势与汇顶科技位于美国加州的射频芯片设计及相关技术研发力量,加速公司在NB-IoT领域的战略布局。

  翱捷科技成立于2015年,是一家定位于基带芯片领域的IC设计公司。此前,翱捷科技完成了对Marvell的MBU(移动通信部门)的收购。经过了上述技术并购,翱捷科技积累了强大的研发实力。翱捷科技的芯片发展包括NBIoT、eMTC、Thin Modem等方向。

  目前,在NB-IoT芯片和模组方面涉猎的厂商有上百家。芯片方面,还包括思宽(Sequans)、Altair、英特尔等;在模组上面,也还有中兴通讯、上海移远通信、上海移柯通信、u-blox等。

  接下来,我们看看运营商层面。从2017年开始,包括中国、韩国、欧洲、中东、北美的多家主流运营商已经开展了基于pre-standard的NB-IoT技术的试点,并开启了端到端的技术和业务验证,在这中间进展最迅速的莫过于中国三大运营商:中国移动、中国电信和中国联通。

  中国移动是4G TDD-LTE的制式,若想建设NB-IoT网络只能采用新建FDD基站,或者升级2G网络方式,成本比电信、联通都要高。不过,中国移动还是表达了自己跟进NB-IoT的决心。从首张NB-IoT网络在鹰潭部署,中国移动的NB-IoT战略进行的如火如荼,在智慧交通、智慧能源、智慧照明、智慧物流等多个方面都有和合作伙伴共同推进。对于中国移动而言,它在GSM900上拥有丰富的频谱资源(890-909MHz/935-954 MHz),使其有了很大的操作空间。

  在国内三大运营商中,中国电信是对待NB-IoT最积极、最坚定、布局最早的运营商。2017年6月20日,中国电信就发布了NB-IoT业务套餐。据悉,该资费套餐是全球首个NB-IoT业务套餐。截止到2018年9月,中国电信已经建成了NB-IoT基站超过40余万个,实现城乡全覆盖,物联网用户规模超过了8000万。

  中国联通在2015年7月建成并开放全球第一个NB-IoT技术示范点。中国联通2017年三季度在全国11个省进行NB-IoT试商用,在北京、上海、天津等城市实现城区全覆盖。截止到2018年5月份,中国联通NB-IoT基站规模超过了30万个,基本可以做到全国性覆盖。

  当然,从运营商层面讲,除了NB-IoT还有eMTC.由于射频的接收带宽太大,3GPP在R13中又新增Cat.M1等级的终端,信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz.这个Cat.M1就是eMTC.eMTC相比NB-IoT拥有速率高、移动性强、可定位和支持语音等优点,是NB-IoT的完美补充。因此,在布局NB-IoT的厂商基本也都在关注eMTC.

  LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915MHz等。《微功率短距离无线电发射设备技术要求(征求意见稿)》发布之后,国内基于非授权频谱的低功耗广域网络部署主要集中在470-510MHz频段上,具有代表性的LoRa也在这个区间。

  LoRa使用线性调频扩频调制技术,在保持低功耗的同时,明显增加了通信距离和网络效率,并消除了干扰。成本低、分布广、耐用性强的特点让LoRa在全球范围内受到了欢迎。目前,世界上LoRa网络覆盖超过了一百个国家,包括美国、加拿大、巴西、中国、俄罗斯、印度和马来西亚等。

  LoRa是Semtech公司的创新发明。2013年的8月,Semtech公司向业界正式发布了一种新型的使用1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(命名为Long Range,简称LoRa)的芯片,其信号传送稳定性得到了业界的认可。

  提到LoRa,就不得不讲一下LoRa联盟。LoRa联盟是一个开放、非盈利的组织。自2015年3月成立以来,目前已有超过500多个会员。LoRa联盟致力于在安全、电信认证级别的IoT LPWAN 互联技术领域默默地耕耘,努力解决不同级别的IoT应用,并完善认证机制确保设备间的互联互通。

  作为LoRa技术的发明企业,Semtech 同时也是LoRA芯片供应商。据IHS Markit发布的资料显示,2018年初,全球范围内使用Semtech的LoRa技术进行概念验证(POC)的数量已经超过1000次,全球范围内部署的基于LoRa的网关数量已达7万+,预计到到2019年初网关数将达到20万,终端节点的数量将达到8000万。除了芯片,Semtech 还生产LoRa收发器。

  据统计,2017年STM32累计出货量达30亿。MCU是物联网的核心部件之一,凭借这样的优势,ST在物联网有着独特的优势。业界早有传闻ST会推出基于LoRa技术的SoC产品,相信就在不久的将来。

  Microchip推出的LoRa解决方案是SAM R34/R35.SAM R34/R35是高度集成LoRa系统级封装(SiP)系列产品,包含了超低功耗、高性能32位微控制器(MCU)、LoRa收发器和软件协议栈。

  国民技术融合了蓝牙芯片推出了超低功耗蓝牙双模LoRa SiP系列产品,并且还集成了安全芯片,支持AES和国密等算法。

  此外,在LoRa芯片和模组上,参与的厂商还有翱捷科技、华普微电子等。值得一提的是,中国互联网大佬级公司阿里和腾讯都在致力于LoRa解决方案的研发和推广。

  Sigfox是三大LPWAN技术中比较弱势的一个技术。2017年年底,由于Sigfox公司共同创始人兼CEO Ludovic Le Moan与Sigfox前任副总裁Xavier Drilhon之间的权利争斗,数位管理层人员离开了这家法国公司。当时业内言论是,还没有入华Sigfox可能就“凉”了。不过,最终Sigfox还是来到了中国,正在积极地响应和追随中国一带一路的战略。

  其实相较于NB-IoT和LoRa,Sigfox资历更老。Sigfox是一种采用超窄带技术,长距离、低功耗、低传输速率的LPWAN技术,主要应用于低功耗、低数据量的物联网或M2M连接方案。兼容性好是Sigfox的一个特点,Sigfox能够与WiFi、蓝牙相兼容。

  作为Sigfox技术的发起者,Sigfox公司近年来也取得了一定的成绩。营收方面,2016年Sigfox营收额为3000万欧元,2017年达到5000万欧元;融资方面,2016年和2017年Sigfox两次完成了1.5亿欧元的融资。

  Sigfox不做芯片,相关芯片由其他芯片公司来完成,ST便是其中之一。相较于ST在LoRa上只有传言没有实物,ST在Sigfox布局已久。2016年,ST推出了其当时最新的物联网射频收发器芯片,芯片的收发器可连接Sigfox全球网络。

  除了上述主流技术之外,也有一些国家的运营商在支持自己的网络技术和协议。比如,美国几家运营商就纷纷在LTECat-M1(简称LTE-M)领域发力。不过,LTE-M技术在其他地区的支持力度较弱,未来是否会在其他地区再有大规模突破仍有待时间的验证。

  物联网应用场景呈现碎片化,没有哪一种技术能够做到完整的覆盖,就算是全部的LPWAN技术也做不到这一点,因此具有低功耗特性的短距离通信技术在物联网时代同样有用武之地。短距离通信和长距离通信在技术实现、功耗、成本等各个方面均不同,是搭建物联网连接时需要考虑的因素之一。

  WiFi,全称Wireless-Fidelity,无线保真,是无线区域网(WLAN)中的一个标准。从1999年推出以来,WiFi一直是我们生活中较常用的访问网际网路的方式之一。2016年WiFi联盟最新公布的802.11ah WiFi标准WiFi HaLow,使得WiFi更加顺应了物联网时代的发展。

  作为移动芯片巨头,高通在各个物联网通信技术上面都有一定的参与度,在物联网WiFi领域也不另外。2013年9月份,高通Atheros推出低功耗单芯片WiFi平台QCA4002/4004,以期布局飞速发展的物联网市场,这也是高通专门为物联网应用推出的基于802.11n的单芯片平台。2015年,高通发布了QCA401x和QCA4531型Wi-Fi无线芯片,在家庭、汽车、医疗设备、智能城市和可穿戴设备等都有所应用。

  2013年6月份,博通发布针对物联网应用的单片WiFi解决方案BCM4390.作为博通嵌入式设备互联网无线连接WICED产品组合的一部分,这款芯片为后面低功耗、高性能、互操作性强的无线连接功能奠定了基础,帮助微控制器嵌入式设备降低功耗、减少成本。

  2015年,Marvell在半导体领域率先向物联网转型,并拉上小米、京东智能、Broadlink、庆科在中国巡展。Marvell全线无线MCU平台覆盖了WiFi、蓝牙、Zigbee,主打降功耗和降成本。

  新岸线年,是一家致力于宽带无线通信和智能处理器IC核心技术研发的高科技民营企业。2011年11月,新岸线推出了自主研发的WiFi芯片NL6621,这款芯片是号称“首款国产WiFi芯片”,填补了国产WiFi芯片的空白。

  南方硅谷是一家提供无线通信芯片和解决方案的集成电路设计的中外合资企业,2011年8月在深圳成立。南方硅谷拥有射频(RF)领域的核心科技,团队累计了10余年的通信研发技术与经验。

  乐鑫成立于2008年,是一家专业的无晶圆半导体公司,致力于研发设计 WiFi 和蓝牙技术的无线系统级芯片,提供移动通讯和物联网解决方案。2014年上半年,针对物联网市场,乐鑫推出了一款名为ESP8266 WiFi芯片,其核心是一块Diamond Standard 106Micro控制器的高集成度芯片。

  可以看出,物联网时代,传统的无线通信公司都开始业务扩展或者转型。在物联网WiFi领域,参与的厂商还包括TI、恩智浦、ST、联发科等,国内的企业包括澜起科技和上海庆科等。

  低功耗蓝牙已得到了IOS系统、安卓系统等主流手机操作系统的支持,预计在2020年,超过90%的智能手机将支持低功耗蓝牙,这种庞大的生态系统造就了低功耗蓝牙将在生活中广泛普及。除了移动设备,低功耗蓝牙在室内定位、智能家居和娱乐交互设备等方面也有丰富的应用。

  蓝牙技术联盟(SIG)最新发布的蓝牙5.0带来了更高速、更远传输距离的优势,理论上的有效距离达到300米以上,整个家庭或整间办公室里的移动设备都可以稳定连结,进一步加强了蓝牙在物联网领域的应用。

  同时,新的蓝牙Mesh技术也打破了传统蓝牙设备间“一对一”的配对,转变成“多对多”的讯号传输模式,能满足更多连接要求,加上其低功耗、低成本等诸多优势,将能为物联网应用创造更多商机。具体参与的厂商如下所示。

  TI在物联网领域布局很广,在蓝牙芯片方面,TI在2002年就推出了单芯片蓝牙,名为BRF6100,促使整个行业价格开始走低。CC2640是TI可以支持BT4.1及以上的协议栈的SoC芯片,不需要太多RF专业知识也能轻易发开,使得开发门槛降低。

  作为一个无线GHz无线产品奠定了其业界标杆的地位,罗技、微软等知名品牌2.4GHz产品均采用Nordic公司的nRF产品。其nRF51822 是功能强大、高灵活性的多协议 SoC,适用于Bluetooth低功耗和 2.4GHz 超低功耗无线月,Nordic推出了其新一代的nRF52系列的超低功耗无线解决方案的首款产品nRF52832,重新定义了单芯片蓝牙产品。

  博通在蓝牙领域也涉入颇深,其BK3431芯片是高度集成的蓝牙4.0低功耗单模设备。它集成了一个高性能RF收发器、基带、ARM内核微处理器、丰富的功能外设单元、可编程协议和配置文件,以支持BLE应用。

  从上面的参照图片可以看出,在蓝牙领域的国际厂商还有ST、高通和村田等,国内厂商有紫光展锐(锐迪科为前身之一)、中星微电子和义隆电子等。

  2002年,ZigBee Alliance成立。2006年,联盟推出比较成熟的ZigBee 2006标准协议。ZigBee技术现阶段以商业大楼自动化、家庭自动化控制与仪表控制为重点。目前,ZigBee最大的困扰是协议问题,优势在于可以自组网。

  从参与厂商的情况来看,ZigBee也并不如蓝牙和WiFi热闹,TI和jennic是国际厂商的代表,国内则有像联动元素这样的模组厂商在推动。

  秉持“存在即合理”的态度,哪一种物联网通信技术被发明和使用都说明了其有存在的价值,区别在于该技术自身价值能否形成规模。

  从当前的局势来看,在LPWAN领域,NB-IoT在公共网络的主导地位已经确立,而LoRa则在私有网络层面体现了自己的价值,Sigfox虽然历史更为久远,但是其市场规模处于劣势,参与的厂商也较少。

  在物联网的短距离通信领域,蓝牙和WiFi都找到了自己的定位,也都有厂商在积极地推进,ZigBee还需要继续完善自身,比如确立统一标准方面,标准不统一,规模就难以壮大。

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