一文读懂NB-IOT
1. 概述
NB-IoT（NarrowBand Internet of Things， NB-IoT）是IoT物联网领域一种基于蜂窝的运营商级窄带物联网的新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWA）。NB-IoT是 国际标准组织3GPP在成熟商用的 4G LTE 技术基础上面向5G mMTC场景代表的大连接、广覆盖、低功耗等要求而提出的一种更为精简的物联网新型终端通信技术。NB-IOT使用License授权频段，并依赖运营商进行大规模网络部署，支持直接部署于现有的2G/3G/4G网络环境下采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式并接入5G 核心网，是目前的唯一的商用5G物联网技术，并在中国和全球等70多个国家进行了广泛的商用部署和运营。
l 2014年5月，NB-IoT最早由华为、Vodafone等共同提出，当时被称为窄带技术NB M2M，而后又进化成NB-CIoT；
l 2015年7月，Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技术；
l 2015年9月,在3GPP的第69次RAN全会上，NB-CIoT和NB-LTE这2种技术规范合并为NB-IoT；
l 2016年6月，NB-IoT获得国际组织3GPP通过标准冻结；
l 2020年7月9日，3GPP技术正式被接受为ITUIMT-2020 5G技术标准，包含中国提交的3GPP NR+NB IoT RIT。NB-IoT协议演进、能力持续做强，将成为窄带物联主力承载技术。
NB-IoT 技术基于蜂窝技术实现，完整的端到端业务数据的收发一般需要先连接到运营商IoT平台再到达应用平台进行数据的各种应用。参考如下的网络架构。
NB-IoT主要实现采集数据上报传输，网络下发控制指令，短信传输，端到端数据透传，以及基于基站的定位等功能。可满足对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率连接业务，更适合静态及低速业务、对时延不敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景，基本可以承接大部分2G网络承载的物联网业务。其业务场景主要可以分为以下几类
l 自主事件触发业务类型：如烟雾报警探测器、 设备工作异常等， 上行极小数据量(十字节量级 )，周期多以年、月为单位。
l 自主周期上报业务类型：如公共事业的远程抄表、 环境监测等， 上行较小数据量(百字节量级 )，周期多以天、小时为单位。
l 远程控制指令业务类型：如设备远程开启 /关闭、设备触发发送上行报告，下行极小数据量 (十字节量级 )，周期多以天、小时为单位。
l 软件远程更新业务类型：如软件补丁 / 更新，上行下行较大数据量需求 (千字节量级)，周期多以天、小时为单位。
各场景的具体差异，可以从上行速率，下行速率，时延、移动性、低功耗要求、语音播报等方面的传输能力以及在单用户日均流量、单次传输带宽、传输频次和业务发生时间分布等业务模型两个维度进行区分。具体参考如下统计。
NB-IoT作为5G mMTC的唯一技术，具有如下典型的特点以及对应的不足之处。
需要特别指出的是，NB-IoT相比其他已有无线技术，最大的特点是从网络设计上引入了 PSM 和eDRX 两种省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。 NB-IoT 可以让设备时时在线，但是通过减少不必要的信令和在PSM 状态时不接受寻呼信息来达到省电目的。在 PSM 模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。 eDRX 省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于 PSM，大幅度提升了下行可达性。
截至目前，全球已经有71个国家投资建设了129张移动物联网，其中NB-IoT网络达到93张，实现了部署和商用，其中中国已建成全球最大NB-IoT窄带物联网，实现了全国主要城市乡镇以上区域的连续覆盖。根据相关官方数据及从运营商获取的信息，截止2022年9月,中国电信部署NB-IoT基站数量超过42万台，在网NB-IoT终端数1.77亿，中国移动部署NB-IoT基站数35万，在网NB-IoT终端数超过1亿，中国联通部署基站数10万, 国内NB-IoT网络的整体覆盖率超过97%。
随着物联网概念和技术的逐步普及，人们对物联网相关优势以及对产业数字化转型升级的认识不断提高，有力地推动了对NB-IoT网络和NB-IoT芯片组的需求。Grand ViewResearch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%。
从全球看，移动物联网连接数量增长自2022年起提速，根据IoT Analytics的预测，2022年全球物联网连接数量预计144亿，同比增长18%，到2025年物联网连接数将达到270亿。其中LPWAN及NB-IoT预计在2019-2026年这七年期间继续保持蜂窝模组出货第一及稳健的增速。但随着5G网络的完善，预计传统基于R14版本的NB-IoT模组的出货量将会不断萎缩而逐步升级到基于R16/17/18版本的NB-IoT模组。
根据工信部官网数据，中国市场的蜂窝物联网连接数截止2022年7月底存量16.6732亿,其中一季度增长1.19亿，1-7月同比增长2.6955亿，同比增长率27.7%（对比2021年全年2.64亿，2020年1.08亿）。出货量排在前五大关键技术包括NB-IoT、4G Cat.1、4GCat.4、4G Cat.1 bis 和LPWA-Double Mode，这些技术对应的模组也占到了第二季度出货量的80% 以上。其中NB-IoT的历年及2022年预期的出货量数据参考如下。
未 来 5 ~ 1 0 年，蜂 窝 物 联 网 将 由 N B - I oT 、LTE-Cat.1、LTE-Cat.4和5G Redcap组成从低速到中速、从中速到高速的梯队建设，满足物联网应用场景的多种通信诉求。基于速率，成本和功耗三个主要维度和因素的考虑，预计有60%的2G用户将迁移到NB-IoT，约40%的2G用户将迁移到LTECat.1；100%的3G用户将迁移到LTE Cat.1；约40%的LTECat.4用户将因为成本问题迁移到LTE Cat.1，部分CAT4用户将迁移到5G Redcap；LTE Cat.6以上的高速用户将逐步迁移到5G网络。
在LPWAN市场，NB-IoT以47%的份额领先；其次是LoRa，市场份额为36%；LTE-M为10%，Sigfox为3%。其中NB-IoT和LoRa具有明显领先优势，占据83%的份额。
2020年支持LPWAN的设备激活数依然达到4.5亿台，同比增速为62%，尤其是在疫情防控和供应链可视化发挥重要作用的物联网应用增长迅速；预计2021年这一数字为6.6亿，同比增长47%，5年后LPWAN连接数预计达到27亿。
根据BergInsight统计，2020年全球3GPP LPWAN年出货量超过7500万个，Non-3GPP LPWAN超过6000万个，预计到2025年新增3GPPLPWAN年出货量超过3亿个，Non-3GPP LPWAN超过2.5亿个，年复合增长率超过30%
全球蜂窝/LPWA批量设备的年发货量(2019年-2025年) -BerInsight
对于蜂窝物联网的主流应用方向的市场占比方面，根据counterPoint数据，在2022年第二季度，全球前五大蜂窝物联网应用分别为智能表计、 POS、工业、路由器/CPE 和资产跟踪，占据了物联网模组市场的一半以上。
其中，NB-IoT已在水表、燃气表、消防烟感和电动自行车防盗4个行业实现千万级规模连接。智能井盖、智能门锁、追踪定位和智慧路灯等十余个行业实现超过百万级连接，未来还将更多地应用到工业互联网、车联网、远程医疗等领域。NB-IoT的主流应用在当前及今后一段时间预计将主要分布在水表，气表，建筑楼宇自动化，环境监测，工业传感器监测，智能电网，工业网关，电池管理及储能等。参考业内相关机构的统计数据如下。
NB-IoT的产业生态主要涉及芯片，模组，运营商以及各行业的方案商。
在上游芯片环节，目前全球NB-IoT芯片供应商格局，基于成本和功耗等性能原因已经基本被国内芯片厂商主导，尤其是国内市场，已开始完全以海思(爱旗)、展锐、移芯、芯翼、智联安、粒子微等企业为主。联发科，高通等企业基本已退出国内市场。未来预计市场的集中度将持续加强，各芯片厂商将从不同的技术特点切入和细分行业应用推进各自的生态和市场发展。
在蜂窝物联模组供应商格局方面，从2020年全球蜂窝物联网模组市场逐步开始由国内厂商主导的格局。如今，几家中国厂商已经完全撑起全球蜂窝物联网模组市场半壁江山，地位也在进一步得到巩固。2022第一季度，由于受到疫情和部分地区出货受阻的影响，全球蜂窝物联网模组出货量同比增长35%，相比去年全年的同比增速59%有所下降。其中国内模组厂占据了前十名出货中的六席，整体份额已经达到85.7%，居于绝对主导地位。尤其是移远占比接近40%处于行业龙头地位。而根据最新发布的报告数据，尽管进一步面临供应链收紧、疫情导致的阻塞以及宏观经济下行等不利因素，今年第二季度全球蜂窝物联网模组市场依然坚挺，蜂窝物联网模组出货量同比增长20% 。报告显示，这一增长是由正在进行的数字化转型推动的，涉及部分关键基础设施和物流领域的潜在应用，并由Cat.1和NB-IoT等蜂窝技术来满足。此外，随着物联网行业进入新的增长阶段，模组厂商也在不断改进产品、在整个价值链上建立伙伴关系，同时也出现了部分的并购整合以实现更大的发展。
运营商除了NB-IoT基站的建设和运营以外，充分发挥了其对NB-IoT的行业应用引领与产业发展的推动作用。三大运营商均已形成了完善的NB-IoT模组和终端的入库认证测试规范并组织完成了芯片，模组和终端的入库认证工作，推动了产业的健康稳定发展。
以中国电信为例，在产业协同上，中国电信天翼物联以天翼物联产业联盟、天翼物联开发者大赛、CTWing物联网市场、物联网实验室等创新生态为载体，通过持续的能力开放和合作引入，不断做大做强物联网生态“朋友圈”，推动物联网产业链规模发展。在NB-IoT应用上已经覆盖智慧消防、安防监控、市政设施管理、智能家居、乘用车、充电设备管理、智能家电等智慧物联全场景，并已先后发布水务，燃气，家电等多份行业白皮书。中国电信的 NB-IoT用户规模于2021年全球首家运营商里面率先突破1亿，截止2022年9月用户规模超1.7亿。5G窄带物联网连接规模全球第一，中国电信成为全球规模最大的NB-IoT运营商，也是全球规模最大的NBIoT智能抄表运营商。
在社会治理领域，中国电信提供NB-IoT智能烟感、NB-IoT智能门磁、NB-IoT智能燃气报警器、NB-IoT智能井盖等系列智能化社区应用，提升社区治理管理水平和物业管理效能，赋能社区治理体系现代化，激发数字经济发展动能。打造天翼智慧社区防疫智能门磁助力疫情防控
在社会民生领域，中国电信打造了NB-IoT智慧水务、NB-IoT智慧燃气千万级规模场景。其中，NB-IoT智慧燃气、智慧水务规模分别达到近3000万，成为全球规模最大的NB智能水表、燃气表服务提供商。针对独居老人的生活现状，通过NB-IoT智能水表，实现水表自动读数，异常告警，贴心守护独居老人的安全。
在智能家电领域，中国电信携手海尔集团打造全球首台“NB-IoT物联自清洁空调”，填补了智慧校园共享空调的空白，创造共享经济领域下的家电消费创新模式；联合多家知名家电企业打造基于NB-IoT技术的共享空调租赁方案，为高校学子提供智能化服务。
此外，中国电信于2022年提出NB-IoT标准化通信模组技术规范，通过统一的PIN脚定义和AT命令，来降低智能终端使用NB-IoT通信模组的设计复杂度，便于不同模组之间零成本无缝替换。目前已于2022年5月启动，并于2022年8月和9月完成两次NB-IoT的集采招募。预计随着运营商统一规范的大规模集采的持续开展，将进一步推动NB-IoT整体模组成本的下降和产业的规模发展。
考虑到NB-IoT技术的数据传输带宽较低，时延较大，以及睡眠时间较长等特点，不利于需要在现场进行的一些操作，比如现场固件升级，设备的现场部署和运维，流量资费欠费停机后需要尽快的重新缴费开机等。目前主流方案将逐步出现NB-IoT+BLE的双模方式实现。其中BLE基于低功耗的广播模式运行，或者采用硬件关断和物理按键方式来唤醒蓝牙连接实现数据传输。目前在水表，气表，手持监测类设备等产品和行业有较大应用。
此外，针对仓储物流和工业产线的资产跟踪，室外人员及宠物、畜牧、赛鸽的跟踪，电池跟踪等场景下，通过在NB-IoT芯片或模组层面将GNSS定位能力进行集成可以实现更小的尺寸和更低的功耗，以满足部署的运维的需要。目前已经在电动车定位器，宠物跟踪器，穿戴手环，老人卡，工卡等产品和行业有较大应用。未来预计还将进一步集成亚米级高精度定位能力以及室内外连续定位能力，可广泛用于景区游客管理，共享停车管理，智慧养老，AGV/AMR等低速车自带驾驶等场景。
基于2021年出现的MCU缺芯带来的供应链及成本上涨压力，以及伴随着物联网行业的发展，越来越多的物联网设备都逐渐趋于低成本、小型化、高集成的模式，传统的MCU+物联网模组的方式已经很难满足需求。目前各行业均对NB-IoT芯片和模组提出了开放CPU的需求，通过使用芯片或模组内置的MCU及存储单元，采用单芯片单模组的方式来实现完整的产品方案。
采用OpenCPU解决方案，可以使终端的硬件设计结构得到优化，从而降低产品成本。能够帮助终端节省外部MCU、晶体、Flash等元器件，助力客户有效解决“缺芯难”问题，满足客户对成本、功耗、安全性等方面的需求。其特点包括：
1、更低的成本 无需外部处理器，以及相关的存储器和外围设备，降低了硬件成本
2、更少的时间周期 不进行本地通讯协议开发，缩短产品开发周期
3、更高的集成度 减小产品尺寸，减少体积，适用于一些手持设备
4、更低的能耗 去掉MCU部分的能耗，更少的中间资源占用，更高的交互效率
6、更高的安全性 避免近端攻击窃取的可能，不再需要通过UART传递关键业务数据
目前在门磁，定位器，环境监测器等产品和行业已经较大规模的应用。同时水表等主流NB-IoT场景下也在同步推进开放CPU方案的全面开展。
以粒子微的NB-IoT芯片产品为例，在硬件能力和软件架构层面已完全支持openCPU需求，并在手持监测设备，定位器，门磁等产品上得到应用。
基于对成本，尺寸和功耗等多方面因素的驱动，从2021年开始行业出现模组级SIP芯片方案。相比模组等板级设计，SiP技术的优势主要体现在小型化、低功耗、高性能、周期短、成本低、易成功等方面。实现和PCB同样的功能，SiP通常只需要PCB面积的10-20%左右，功耗的80%左右，性能也会有比较大的提升。
通过SIP系统级封装技术，裁剪繁多复杂的表板器件数量，根据行业共性需求，高度集成NB-IoT终端所必须的主控MCU、NB-IoT通信模组、存储等为一体芯片，也可根据用户定制需求，再集成蓝牙、安全等定制功能，高度的集成化，降低产品整体设计难度。
SIP封装方案核心目标可以实现降本增效，在BOM成本相当的情况下，整体方案成本降低，整体方案性能提升，同时新增端管协同运维能力和FOTA远程升级能力。比如以中国电信针对水表和燃气表行业打造的水燃云芯集成芯片方案为例，BOM器件数量较传统分立模式减少1/3降低物料成本，可使表板PCB尺寸减小1/3，PCB成本降低，云芯集成方案，焊点数减少，生产贴片成本降低，管理成本也降低，云芯集成方案，测试直通率高，测试成本降低1/3。性能方面同样有显著提升，云芯方案表板，表端休眠液晶常显模式功耗降低30%，表板散热能力增强，射频接收灵敏度提升1.5 dbm。此外生产工艺环节减少，可靠性增强，能解决超声波清洗晶体器件损坏等问题，实现更高的良品率。
此外以广州粒子微为例，目前已实现第一款SIP芯片，将传统20*24mm和16*18mm封装的模组升级为10*10mm的SIP芯片。未来还将支持集成BLE蓝牙和GNSS定位的SIP芯片方案。
NB-IoT和eMTC作为3GPP阵营的低功耗广域网络技术，为海量低功耗、低成本、低速率物联网节点提供接入服务，已成为这一领域的主流，，NB-IoT和eMTC广覆盖的优势非常明显。然而，NB-IoT和eMTC需要专门部署基站，尤其是在一些偏远地区甚至人迹罕至的区域，包括海洋，沙漠，森林等这些场景不具备基站部署的条件，此时卫星通信就能发挥作用，NB-IoT、eMTC与卫星通信的融合可以完美解决覆盖难题。
北京时间6月9日，在匈牙利布达佩斯召开的3GPP RAN第96次会议圆满结束。在本次会议上，5G R17标准宣布冻结，标志着5G第二个演进版本标准正式完成。R17在物联网方面的一个新增特性是NB-IoT/eMTC支持非地面网络（Non-Terrestrial Networks, NTN），R17新增支持NB-IoT和eMTC的NTN，定义NTN整体架构，包括定时和同步机制，非连续覆盖的辅助消息、移动管理、馈线链路切换等。通过支持以低轨卫星为主的非地面上的网络节点和通过馈线链路互连的NTN网关，可以为NB-IoT/eMTC节点提供非地面接入，相关终端通过服务链路能够访问NTN网络服务。NB-IoT/eMTC与卫星通信融合，将进一步拓展低功耗广域网络的覆盖范围，进一步增强了3GPP阵营低功耗广域网络的能力。
目前业内相关系统和芯片厂商均已着重开展基于NB-IoT的低轨卫星物联网方向的研究与产品化开发。预计将在未来2~3年内逐步实现规模产业化应用。
根据相关的新闻报道，美国Skylo Technologies 于 2020 年夏季推出基于卫星的全球化 NB-IoT 网络，这一 NB-IoT 网络旨在为移动性设备提供服务，主要应用于农业、交通、航海、应急等领域，网络首先在印度提供服务。Skylo 公司基于卫星的 NB-IoT 网络是采用地球同步通信卫星连接 Skylo 部署在地球上的网关，网络运行频段除了专门的同步卫星通信业务频段外，也运行在3GPP 所定义的频段上。这是一个双向通信的网络，除了网关将数据回传给卫星外，由于专有的天线技术，卫星无需额外设备也可以将数据反馈至网关。该网络连接成本比现有卫星通信方案节约 95%的成本。具体来说，该网络连接资费大约为每个用户每月 1 美元，硬件成本低于 100 美元。
2021年西班牙卫星电信运营商Sateliot与丹麦卫星电信提供商GateHouse Telecom签署了合作协议。根据合作条款，两家公司将开发全球首个天基窄带物联网(NB-IoT)网络，可在覆盖范围有限或没有覆盖范围的偏远地区提供5G连接以用于石油和天然气，海事，运输和环境监测等场景。今年早些时候，GateHouse Telecom与欧洲航天局(ESA)签署了一项合同，开发一种扩展现有NB-IoT协议的解决方案，从而实现一个基于空间的NB-IoT网络，从而增强物联网服务的潜力。该项目以现有的NB-IoT标准为基础，该标准在为GEO，LEO和MEO卫星量身定制时，有潜力将现有的地面网络扩展到没有覆盖范围或覆盖范围有限的偏远地区。通过这种方式，NB-IoT有潜力以合理的价格为地球的所有区域提供稳定的连接-也正在走向5G市场。
在 3GPP 5G R17 版本 ASN.1 正式冻结之际，2022 年6 月 21 日，紫光展锐率先完成全球首个基于 R17 IoTNTN 标准的 5G 卫星物联网上星实测。本次测试采用卫星物联网终端基于紫光展锐IoT NTN芯片开发，通过L波段卫星，在预商用基站上完成了通信组网测试，并实现数据传输。测试中使用的卫星是一颗位于赤道上空36000公里的商用地球同步轨道移动通信卫星，测试攻克了终端面临的长时延和大衰减等技术难点，在与卫星通信距离长达38000公里的条件下，完成了广播、接入、数据传输等通信过程，并实现了多终端接入和并发通信业务的组网测试。本次上星实测所用卫星物联网测试终端，发射功率为23dBm，与手机相同，这意味着IoT NTN终端已具备低功耗、小型化、轻量化等优势，上星实测的成功，意味着基于5G R17 IoT NTN标准的卫星物联网系统技术具备了可商用性，将有利于M-IoT实现更广阔场景的无缝服务，有效促进地面蜂窝物联网的按需部署与协同。
2022年8月26日下午，中国移动研究院携手中兴通讯、交通运输通信信息集团、中国移动北京公司等产业伙伴共同发布全球首个运营商5G NTN技术外场验证成果。本次验证基于3GPP R17 NTN协议，突破3.6万公里超远单程距离和普通手机直连两大挑战，形成超大时延动态补偿、星地间射频数据转化两大创新解决方案，实现了5G NTN端到端全链路技术贯通。结合卫星物联市场需求及NB-IoT NTN场景价值，中国移动联合合作伙伴先行基于高轨卫星进行试点，由用户终端、卫星、卫星信关站、基站、核心网及业务服务器组成，网络拓扑如下，L波段卫星和地面信关站位于NTN终端和基站之间，完成空口消息传输，地面信关站与5G NTN基站进行对接，终端依次通过卫星、信关站、NTN基站接入地面核心网和业务平台，实现星地融合的端到端业务贯通。
5) NB-IoT与其他非蜂窝广域低功耗技术的融合
在目前5G NB-IoT网络覆盖尚无法做到类似4G网络的广度和深度全面覆盖的背景下，在部分区域和部分应用场景下存在因为网络信号的问题导致一些5G NB-IoT终端应用的体验较差或无法实现，典型如定位器等移动类场景以及部分室内场景或地下室等场景。尽管如上文所示3GPP开启了卫星物联网等扩展和补充方案的标准化建设，但当前产业应用阶段确实需要一种可以实现蜂窝+非蜂窝的融合组网方案且依然保持低成本低功耗的部署要求。为此以粒子微为代表的企业在探索并推出一种基于WI-SUN广域MESH自组网与NB-IoT的全场景融合组网的方案，并有望即将推出对应的芯片产品来满足产业的应用需求。
