NB-IoT是什么?


NB-IoT是英語Narrow Band Internet of Things的縮寫,中文譯為窄帶物聯網。NB-IoT是由通信行業標準化組織3GPP開發的為大范圍蜂窩網與設備服務的低功耗廣域網絡(LPWAN)廣播技術,這種窄帶射頻技術使用的是License頻段,可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式。


 
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NB-IoT最早于2014年5月,由華為和Vodafone共同提出,當時被稱為窄帶技術NB M2M,而后又進化成NB-CIoT;2015年7月,Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技術;2015年9月,在3GPP的第69次RAN全會上,NB-CIoT和NB-LTE這2種技術規范合并為NB-IoT;2016年6月,NB-IoT獲得3GPP通過,開啟商用化進程;2020年7月3GPP 5G技術在ITU-R WP5D會議上正式被接受為ITU IMT-2020 5G技術標準,從此NB-IoT被納入全球5G標準。


根據數據統計顯示,截至2021年4月,全球已經有71個國家投資建設了129張移動物聯網,其中NB-IoT網絡達到93張。


NB-IoT與其他無線通信技術有何區別?


在說NB-IoT與其他無線通信技術的區別前,我們需要先來了解一下無線傳輸技術。根據信息傳輸距離的遠近程度,我們可以將其分為短距離傳輸技術和廣域網傳輸技術。


短距離傳輸技術包括兩類,一類是以Wi-Fi 和藍牙為代表的高功耗、高速率短距離傳輸技術,主要應用于智能家居和可穿戴設備等場景;另一類是以ZigBee為代表的低功耗、低速率的近距離傳輸技術,主要應用于局域網設備的靈活組網場景,如熱點共享等。


類似的,廣域網傳輸技術也分為兩大類,只是分類標準是所用的頻段是否是授權頻譜。上面提到的NB-IoT技術就屬于授權頻譜技術,主要應用于遠程設備運行狀態的數據傳輸、工業智能設備及終端數據傳輸的低功耗、低速率場景。此外,廣域網傳輸技術還包括我們熟知的高功耗、高速率的蜂窩通信技術,主要應用于 GPS 導航與定位、視頻監控等實時性要求較高的大流量傳輸場景。而與上面相對應的非授權頻譜技術則包括 LoRa、Sixfox 等技術。

 


 事實上,在應用場景的通信方式選型中,若我們決定啟動低功耗廣域網絡(LPWAN),那么被拿來和NB-IoT比較的多半是LoRa技術。從技術的角度出發,這兩種通信技術又有何區別呢?


我們知道NB-IoT工作于授權頻段,所以在信號傳輸的過程中不易受到其他頻段的干擾,穩定性相對有保障,并且在管理方面也更規范。此外,由于NB-IoT技術本身具有窄帶、重傳、低頻的特性,因此在覆蓋增強相當的情況下,NB-IoT運行的速率更快,設備連接量更大。以連接量為例,NB-IoT單扇區可支持10萬臺設備的連接,而LoRa單扇區可支持6.5萬臺設備的連接。


 
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在這些條件下,LoRa技術如何生存?打的其實是差異化優勢的牌。與 NB-IOT 技術相比,LoRa技術在網絡建設成本和數據保密性方面擁有絕對的優勢。在建設成本方面,LoRa作為非授權頻譜技術,通常由用戶自建而成,網絡部署簡單,無需建設大面積基站。假設建成一個LoRA基站的平均市場價格為5000元,那么建成一個NB-IoT基站的平均市場價格就需要達到8萬元(主要由運營商建造)。在數據保密性方面,因為LoRa網絡是由用戶自建而成的,所以終端數據的傳輸過程是自主可控的,更能滿足機控檢測、環境檢測等注重數據保密性的應用領域的要求。


綜上,關于NB-IoT和LoRa的選型取舍,要根據應用場景需求來定,而以上幾條便是最重要的依據。


NB-IoT全球市場和發展趨勢


至于對NB-IoT市場情況的解讀,中移物聯網智能模組部市場總監王超表示,“物聯網根據傳輸速度可以劃分為低速、中速和高速,其中高速(速率大于10Mbps)主要應用在視頻監控以及車載娛樂方面,市場占比10%;中速(速率在1Mbps和10Mbps之間)主要應用在智能穿戴、智能POS以及IoT網關方面,市場占比30%;而剩下的60%均是低速市場(速率小于100Kbps),需要滿足低功耗和廣覆蓋的需求,應用領域包括智能表計、物流追蹤、智能停車、智能路燈、環境監測等領域。”


而原本負責覆蓋這些移動性和時延要求不高、數據量小、對低功耗有要求的場景的通信技術是2G,自從NB-IoT技術出現后,從技術參數的角度可以發現,NB-IoT在覆蓋廣度、低功耗和連接數方面都比2G要來的強(根據測試結果顯示,NB-IoT的覆蓋廣度是164dB,而2G是144 dB;NB-IoT的休眠態功耗小于5μA,待機態功耗小于1mA,而2G的關機態功耗約60μA,待機態功耗約2mA;連接數方面,NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升,但小區容量超5萬),因此它被認為是國內市場中繼2G技術之后低速物聯網市場業務的主要承載技術。


 
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有需求就有市場,再加上政策的驅動,便如虎添翼。比如2017年6月,工信部發布《 關于全面推進移動物聯網(NB-loT) 建設發展的通知》,提出要加強 NB-IoT標準與技術研究, 打造完整產業體系;推廣NB-IoT 在細分領域的應用,逐步形成規模應用體系;優化 NB-IoT應用政策環境,創造良好可持續發展條件,并設下了到2017年末,實現NB-IoT網絡覆蓋直轄市、省會城市等主要城市,基站規模達到40萬個,到2020年,基站規模達到150萬個的目標。再比如2020年5月,工信部發布《關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》,總體目標是推動2G/3G物聯網業務遷移專網,提出建立NB-IoT(窄帶物聯網)、4G(含LTE-Cat.1)和5G協同發展的移動物聯網綜合生態體系等。


因此我們來看一組數據,截至2020年2月底,繼全球NB-IoT連接數破億之后,國內三大運營商NB-IoT連接數也沖破一億大關。截至2021年4月,我國已建成并投入使用NB-IoT基站總量超過85萬個,其中中國電信40萬+個,中國移動35萬+個,中國聯通10萬-個。


綜上,低速市場市占比高,總體容量大,并且在2G退潮和政策的驅動下,NB-IoT將發展迅猛。


NB-IoT本土賽道分析


NB-IoT網絡的逐步下沉不僅得益于產品設計的改進,比如性能的提高、功耗的降低,還依賴于產業活動的推動,比如運營商的決策。而運營商啟用某一項技術的前提是有市場、有錢賺,前面已經論證了市場容量的可觀性,但是錢的方面沒有談到,下面我們就來聊一聊。


根據統計,2020年NB-IoT通信模組售價為20元以上的,在市場中占比約60%,另根據5G物聯網產業聯盟的預計,到2021年,這一比例將下降到約30%。這意味著NB-IoT通信模組的價格將隨著時間的推移不斷下滑,直至市場平衡價的出現。價格下滑的背后得益于市場充分的競爭,而競爭的結果是NB-IoT模組的全面國產化。


事實上,根據金卡智能公開的信息顯示,目前NB-IoT智能終端已實現全面國產化,包括芯片、模組、電池以及基站等多方面。比如,基站技術提供者中的華為、中興、大唐移動,電池廠家億緯、昊誠,模組廠家移遠、中移、有方、利爾達、美格、廣和通、高新興,以及芯片廠家華為海思、聯發科、紫光展銳、芯翼、移芯以及智聯安等。今天我們就來剖析一下處于NB-IoT產業鏈最上游的芯片國產化情況。


根據與非研究院的統計,目前國內有20家從事NB-IoT主芯片研發的企業,分別分布在全國7個省的8個城市。其中北京和上海數量最多,分別為5家(北京:智聯安、諾領、創新維度、簡約納、升哲,上海:海思、紫光展銳、芯翼、移芯、翱捷);廣東省有4家,分別是深圳3家和廣州1家(深圳:中科無線、中興微、匯頂,廣州:慧智微);江蘇省的南京市有3家(南京:大魚、寧麒智能、新向遠);此外浙江省杭州市、四川省成都市和臺灣省各1家(杭州:芯象,成都:旋極星源,臺灣:聯發科)。


 


從公司規模的角度,根據天眼查的數據顯示,在職員工數量最多的是臺灣省的聯發科,有6000人,其次是海思的4251人以及匯頂的2226人,而最少的南京新向遠則只有3人,體量方面懸殊甚大。公司規模一定程度上體現了研發和生產的實力,但也不是全部,因為有的公司業務線比較廣,而NB-IoT只是其中很小的一部分。

 


從產品的角度,我們可以看到,這20家企業已經發布了30款以上的產品,以下是與非研究院以企業成立日期為軸,展示了各家企業已有NB-IoT產品的情況(注:請大家點開大圖查看,時間軸對應的是成立日期,而非產品型號發布日期)。


 

結合前面的信息,我們可以看到,目前NB-IoT芯片行業第一梯隊的海思、聯發科和紫光展銳在公司規模和成立日期相對應的芯片設計經驗方面都是相對靠前的。值得一提的是,上海海思雖然是2018年成立的,但是深圳海思早在2004年就成立了,而海思對于NB-IoT芯片的研發始于2014年,并于2015年推出了基于預標準的芯片原型產品,2016年推出業內首款商用的NB-IoT芯片Boudica 120,該芯片從2017年6月底開始大規模商用。此后,海思相繼推出了Boudica 150和Boudica 200。根據統計,截至2019年4月,海思的NB-IoT芯片總發貨量已突破2000萬,其中Boudica 120突破700萬,Boudica 150突破1300萬,目前海思和高通是全球NB-IoT芯片市場的兩大巨頭。海思是華為的先鋒部隊,而華為進軍NB-IoT市場的策略是先將NB-IoT芯片盡可能搭載到各種設備中,然后通過設備獲得數據,進而為其大數據業務服務。


當然,NB-IoT芯片國產化的亮點并不止于海思,各家產品都有自己的特色,在細分應用領域的戰略也有所不同,下面我們以點帶面地介紹一下其他部分廠商的情況。


?    紫光展銳(RDA8909、RDA8910、RDA8911、春藤8908、春藤8909、春藤8915)


紫光展銳的NB-IoT技術始于銳迪科,目前已經發布了6款芯片,包括NB-IoT/2G雙模單芯片RDA8909,eMTC/NB-IoT/GPRS三模單芯片RDA8910和RDA8911(其中RDA8911還支持Cat.1),NB-IoT單模芯片春藤8908,NB-IoT/GSM雙模單芯片春藤8909,以及NB-IoT/eMTC/GSM三模單芯片春藤8915。


展銳是全球前三的手機基帶芯片設計企業,全球場測覆蓋45個國家157家運營商,對于NB-IoT產品擁有很強的應用落地能力。


?    聯發科(MT2625、MT2621)


聯發科發布了MT2625和MT2621兩款NB-IoT芯片。MT2625是一款支持NB-IoT R14的系統單芯片,高度集成NB-IoT調制解調數字信號處理器、射頻天線及前端模擬基帶等單元,面向家庭自動化、智能抄表及其他靜態或移動型物聯網應用。而MT2621是一款雙模物聯網系統單芯片,支持NB-IoT R14與GSM/GPRS,主要面向超低功耗自動化應用和物聯網應用場景,比如可穿戴設備、安全傳感器等。


聯發科技是全球第四大無晶圓半導體公司,目前在臺灣證券交易所掛牌上市,在智能電視芯片領域位居霸主地位,同時具有強大的技術創新能力,擁有5G、4G、藍牙、GNSS、Wi-Fi、NB-IoT等眾多世界通用的領先無線網絡技術及先進SoC設計能力。


?    中興微(Wisefone7100、RoseFinch7100)


中興微發布了Wisefone7100和RoseFinch7100兩款NB-IoT芯片,其中Wisefone7100內部集成了中天微系統的CK802芯片,DSP IP來自CEVA,而RoseFinch7100則是一款NB-IoT SoC芯片,支持3GPP R13/R14 NB-IoT標準。


中興微電子為中國領先的通信IC設計公司,專注于通信網絡、智能家庭和行業應用等通信芯片開發,自主研發并成功商用的芯片達到100 多種,覆蓋通信網絡“承載、接入、終端”領域,服務全球160 多個國家和地區。


?    移芯(EC616、EC616S)


移芯目前的主要產品是NB-IoT 芯片EC616和EC616S,其中EC616支持3GPP R13/R14 NB-IoT標準,集成射頻收發機、PA、以及電源管理等(663MHz-2200MHz);而EC616S在EC616的基礎上還集成了全部射頻前端。


移芯是中國自主研發的超低功耗NB-IoT和Cat-M物聯網芯片供應商,迄今,移芯通信已經與國內前15大模組廠商建立了戰略合作關系。


?    智聯安(MK8010、MK8020)


智聯安發布了兩款NB-IoT 芯片MK8010和MK8020,其中MK8010銷量已過百萬片,這款SoC集成了射頻、基帶、MCU及電源管理模塊。而今年年初推出的MK8020號稱是全球最小的NB-IoT芯片,基于55nm低功耗工藝,QFN封裝僅4.5mmx4.5mm。


智聯安一直投身于NB-IoT的研發,是國內首批實現NB-IoT芯片量產的公司,產品應用主戰場為“三表”,即水表、氣表和熱量表。作為一家專業從事蜂窩物聯網芯片研發的IC設計公司,智聯安也將產品線擴展至LTE Cat.1bis、5G芯片。


?    旋極星源(AGP2121、AGP2122)


旋極星源發布了兩款NB-IoT 芯片IP產品AGP2121和AGP2122,其中AGP2121是一款NB-IOT Transceiver IP,應用于NB_IOT射頻信號收發,兼容3GPP R14 NB_IOT標準,支持R14標準頻段,單片集成CMOS PA(23dBm)。而AGP2122則是一款NB-IOT/GNSSTransceiver RFIP,應用于NB-IOT射頻信號收發和GNSS信號接收,兼容3GPP R15 NB_IOT FDD標準,支持R15標準FDD頻段,支持GNSS導航頻率(L1,B1,E1),單片集成CMOSPA(23dBm)。


旋極星源是國內領先的基于自主半導體IP的無線連接解決方案提供商,專注于低功耗物聯網、衛星導航等領域,為客戶提供平臺化、一站式射頻芯片定制服務和射頻IP授權服務。它是中國唯一家5G NB-IOT RF Transceiver IP成功商用授權的IP公司,公司已獲得52項專利。


?    大魚(松果NB-IoT芯片、U1)


大魚目前擁有兩款NB-IoT 芯片松果NB-IoT芯片和U1,其中U1是一款支持 NB-IoT R13 的高集成系統單芯片( SoC ),在一顆Die上同時集成了 GPS 和 PA。


大魚由小米旗下的全資子公司松果電子團隊進行重組、部分團隊分拆組建而成,已完成Pre-A輪融資,金額方面未透露。


?    芯翼(XY1100)


芯翼發布了一款NB-IoT 芯片XY1100,它是一款集成CMOS PA的NB-IoT系統單芯片。


芯翼是5G物聯網端側SoC創新的領導者,專注于物聯網通訊芯片(NB-IoT)的研發和銷售,屬于國內二梯隊成員,主要聚焦于智慧氣表、智慧水表、煙感、電動車、物流跟蹤、智慧穿戴等應用場景,在水表和燃氣表市場具有先發優勢。2020年6月完成近2億元的A+輪融資,2021年9月完成近5億元的B輪融資。


?    翱捷(ASR3601)


翱捷發布的ASR3601是一款支持NB-IoT、eMTC、LTE Cat.1、GSM四種制式的多模4G芯片,集成射頻、基帶和audio codec功能,支持450MHz~2.7GHz頻段。


翱捷致力于移動智能通訊終端、物聯網、導航及其他消費類電子芯片的平臺研發、方案提供、技術支持和服務等,產品線覆蓋包括2G、3G、4G、5G以及IoT在內的多制式通訊標準。


?    諾領(NK6010)


諾領發布的NK6010是一款NB-IoT物聯網系統級芯片,單芯片集成PA、PMU和超低功耗GNSS功能。


諾領是探索滿足IoT 需求的全集成、低功耗無線SoC解決方案的先行者,聚焦廣域網,提供一站式芯片解決方案,在定位方式領域擁有深厚技術積累,以“NB-IoT +GNSS”芯片為拳頭產品,瞄準“物流和供應鏈管理”應用場景。


?    匯頂(GR851x)


匯頂發布的GR851x是一款集成 NB-IoT 蜂窩網絡應用子系統的低功耗系統級芯片(SoC),支持 3GPP Rel-14、Rel-15 標準。


匯頂在2018世界移動通信大會上宣布正式進軍NB-IoT領域,通過并購全球領先的半導體蜂窩IP提供商——德國CommSolid,整合其全球頂尖的超低功耗移動無線基帶技術優勢與匯頂科技位于美國加州的射頻芯片設計及相關技術研發力量,加速公司在NB-IoT領域的戰略布局,志在開拓千億規模的NB-IoT市場。


?    創新維度(XD-7500)


創新維度發布的XD-7500是業界第一款基于SDR(軟件定義無線電)架構的NB-IoT芯片,已于2018年9月開始量產發貨。


創新維度科技(北京)有限公司是主要基于SDR平臺,從事物聯網(NBIOT)芯片的研發以及5G移動通信新技術的研究和應用平臺,能夠更有效地滿足物聯網碎片化的市場需求,支持行業定制化和二次開發。


?    慧智微(S8628)


慧智微發布的S8628是一款支持LTE Cat NB1 和NB2的線性射頻功率放大器,符合3GPP Rel13和Rel14規格要求,支持低頻Band5/8/20 /28和中頻Band 1/2/3,是業界首款全RF-SOI CMOS工藝NB-IoT射頻前端芯片。


慧智微是領先的高性能微波射頻前端芯片提供商,致力于通過軟件定義的射頻芯片使能萬物互聯的智能世界?;诳芍貥嫾夹g平臺,公司已經推出了面向5G/4G和NB-IoT的系列射頻前端芯片,應用于智能手機、平板電腦、無線通信模塊、車載智能后視鏡、智能手表等產品。


?    芯象(LH3200)


芯象發布的LH3200 是一款NB-IoT單芯片解決方案,支持3GPP R14,可軟件升級支持R15,集成BP、open AP、PMU、RF、ADC、溫度傳感器等,目前已經量產供貨。


芯象是NB-IoT領域的新秀,專注于5G物聯網核心通信芯片設計,公司認為2020年將是NB-IoT生態的大行業爆發之年。


結語


NB-IoT作為5G通信的有機組成部分,市場正在不斷下沉至智能抄表、智能煙感、智慧消防、智能井蓋、流量管理、安全和資產跟蹤、環境監控、遠程健康管理、智能樓宇、智慧農業、智慧能源、智慧工業、電力物聯網等應用市場,而根據市場的反饋情況,我們發現單顆芯片產品的利潤約為0.1美元,而在模組、硬件設備、通信網絡和應用服務端同樣面臨利潤空間較小的問題,對于國產廠商而言,增大出貨量是降低成本的一大準則,因此除了產品性能的提升外,如何和產業鏈上下游緊密合作,加快NB-IoT網絡的部署是未來發展的重點。

 

附:NB-IoT芯片國產芯片明細一覽表(排名不分先后)