運營商物聯網低功耗技術研究與展望

中國聯通研究院 北京 100032

引言

作為新一代信息技術的重要組成部分，物聯網被預言為全球信息產業的又一次科技與經濟浪潮，受到各國政府、企業和學術界的重視[1-2]。隨著通信技術的發展以及市場需求的多樣化，移動蜂窩網絡除主要滿足人與人之間的通信需求外，也越來越多地開始承載物聯網應用。然而，基于移動蜂窩通信技術的物聯網設備存在功耗大、成本高等劣勢，移動網絡的承載能力很難滿足物與物的連接需求，當前，真正承載在移動網絡上物與物的連接僅占到連接總數的6%[2-4]。在這種情況下，若要滿足日益增長的遠距離物聯網設備連接需求，必須要引入一些新的技術來增強移動網絡的能力，由此，LPWA技術應運而生。

LPWA (Low Power Wide Area，低功耗廣域技術 )是一種可適配M2M(Machine to Machine，機器對機器)業務的新型無線接入技術，具有流量小、連接數量大等特性，能夠形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無線接入網絡[4-6]。而目前，低功耗正是M2M通信應用的一個主要需求[7]。為此，國際標準組織對于廣域低功耗M2M技術標準的形成一直在積極推動中，其中，3GPP已加快NB-IoT標準化進程，計劃于2016年正式形成NB-IoT標準。GSMA方面也通過發起Mobile IoT Initiative項目，積極授權頻譜廣域低功耗接入技術。

1 低功耗M2M技術及業務市場前景

隨著人與物、物與物連接的增多，未來將是千億連接的時代，加之國際標準組織對技術標準制定工作的積極推動，低功耗M2M業務的市場前景十分廣闊。目前，已有物與物的連接大多由藍牙、Wi-Fi等短距離通信技術承載，而非運營商的移動網絡，低功耗M2M在技術、需求側重等方面與傳統移動通信業務存在的差異，也使得其運營工作面臨挑戰。

2015年4月，GSMA的研究報告定義了7種LPWA應用分類：農業、環境、消費品、工業、物流、智能樓宇以及智慧城市/公共事業。GSMA的LPUC項目組將這些應用分類細分為以下應用案例，具體劃分如下。

1)公共事業：天然氣以及水計量，配水網絡監控，微型發電。

2)工業：設備狀態，工廠控制、處理以及安全監控。

3)物流：工業資產，集裝箱跟蹤(位置及狀態更新)。

4)智能樓宇：報警系統，制動器，空調系統，接入控制。

5)消費品及醫療：可穿戴，家用電器，VIP跟蹤(動物或小孩)，智能自行車，輔助生活，臨床遠程監控。

6)農業及環境：農業應用(養殖及土地監測、禽畜跟蹤)，環境監測(污染、噪聲、雨、云、河水流速、健康危害、井等的數據采集和實時監控)。

1.1 低功耗M2M技術標準及應用情況

經過2015年底3GPP會議對3GPP NB-IoT技術范圍的進一步明確，目前，國際上主流的低功耗M2M候選技術主要有4種：3GPP LTE演進技術LTE eMTC、3GPP NB-IoT窄帶物聯網技術NB-LTE，以及非3GPP技術中Sigfox主導的技術和LoRa聯盟主導的技術[5]。四種候選技術的主要指標對比和部署方案如表1、表2所示。

以上所述的4種低功耗M2M候選技術中，兩種非3GPP技術均已實現商用。SigFox公司的低功耗M2M網絡已覆蓋法國、西班牙、荷蘭和英國的部分城市，并正在開拓包括美國在內的新市場，另外，SigFox還計劃與一些創業公司和設備制造商開展合作，以求創造出最好的資源[6]。荷蘭電信和比利時電信選擇了LoRa技術作為其M2M行業解決方案支撐，并進行了少量的商業化部署，法國Actility公司則將LoRa與oneM2M相結合，形成M2M整體結合方案并進行相關的商業化推廣。在國內，中國電信對LoRa技術進行了相關實驗，富士康等非電信運營商企業也將LoRa技術與自身生產結合，如采用LoRa建立工廠網絡等。

從以上4種LPWA主流技術的參數對比中可以看出，相對于其他三種技術，NB-IoT在成本、可靠性等諸多方面都存在著明顯的優勢。具體體現在以下4個方面。

表1 低功耗M2M候選技術主要指標對比

表2 低功耗M2M候選技術部署方案

1)廣覆蓋。基于4.5G的NB-IoT能夠提供百倍于4G的連接規模和百倍于2G的靈敏度，覆蓋增益高達20dB。

2)低功耗。簡化的NB-IoT技術協議降低了芯片的功耗，同時提升功放效率，縮短了發射和接收過程消耗的時間，終端電池壽命可達20年。

3)大連接。NB-IoT具有頻譜效率高，小包數據發送的特征，終端激活比極低，每小區的連接數可高達5萬。

4)低成本。NB-IoT通過對射頻硬件、協議以及基帶實現復雜度的簡化，大大降低了技術實現成本，模組成本僅為5$。

以上四大顯著優勢使得NB-IoT技術能夠專門定位“低頻、小包、時延不敏感”的物聯網業務，因此，NB-IoT也成為了主流運營商窄帶蜂窩物聯網的首選技術，預計于2017年可實現商用。

1.2 低功耗M2M業務特點及運營挑戰

低功耗M2M業務與當前移動寬帶業務的區別主要可概括為以下三個方面。首先，主體客戶不同。移動寬帶業務的主體客戶為個人客戶，低功耗M2M業務的主體客戶為政企客戶。其次，主體客戶的需求不同。移動寬帶業務主體客戶的需求主要是較低的網絡時延、較低的流量資費和高帶寬的網絡連接，低功耗M2M業務主體客戶的需求則是低功耗低成本的連接、批量靈活的計費、可配置的連接管理、快速的M2M業務部署和使用、IDC和云虛擬機等基礎設施的建立健全等。再次，兩種業務的ARPU值和連接數特點不同。與低連接數高ARPU值的移動寬帶業務不同，低功耗M2M在M2M業務中具有最多的連接數和相對較低的ARPU值。如何讓低ARPU值的M2M業務形成具有顯著收益的業務板塊，也是低功耗M2M運營工作面臨的一大挑戰。

1.3 低功耗M2M業務市場預測

據市場分析公司Analysys Mason的預測報告，按單一LPWA連接平均年收入2～3美元計算，預計2015～2017年間，LPWA業務全球總年收入為4.5億美元。到2018年，LPWA業務將實現快速增長，連接數達到4.2億，年收入將達9.7億美元。而到2022年，LPWA的連接數將增長至27億，全球LPWA業務總年收入有望達到75億美元。圖1、2展示了全球LPWA總連接數和業務年收入的變化趨勢。根據這一市場預測我們也可以看出，運營商在2018年之前加速完成LPWA商業化部署的迫切性。

圖1 全球廣域低功耗M2M連接年收入

圖2 全球LPWA業務連接數占比及變化趨勢

2 運營商M2M業務運營現狀

隨著行業應用的廣泛以及客戶需求的增加，國內外電信運營商對M2M業務的投入都在不斷加大[8]。在國外，大部分運營商都已經成立了專門針對M2M物聯網發展的運營中心、專業支撐平臺和高素質的專家隊伍[9-10]。他山之石，可以攻玉，研究國外運營商M2M業務的運營現狀，一方面可以把握當前國際上M2M業務運營的前沿動態和發展趨勢；另一方面，鑒于國外運營商在M2M領域的發展較為領先，我國運營商也可以參考借鑒其運營思路，并從中吸取經驗。

2.1 國外運營商M2M業務運營現狀

1)AT&T。作為最早進入M2M市場的主要運營商，AT&T將M2M業務作為公司發展的重心，積極實行開放平臺戰略。主要進展有：①開發了M2X平臺構建M2M設備云，可提供M2X平臺設備時間序列數據存儲、設備接入和管理API、數據分析和可視化API、時間觸發和通知API支持；②基于M2X平臺構建了M2M開發社區，可提供包含開發板、設備接入API、各開發環境SDK在內的M2M設備開發套件支持。

2)德電。在運營商中，德國電信也是積極推動M2M發展的一家。德電于2012年推出全球首個M2M市場平臺，之后一再加大對M2M的投入，力求將其打造成公司級規模，為客戶提供一站式服務。主要進展有：①開發了M2M設備云形成M2M開發社區，可提供M2M設備開發套件、M2M云設備接入API、M2M云設備管理API、數據可視化API支持。②利用M2M行業解決方案交流平臺推動M2M設備云，可通過其向用戶展示收集的物聯網行業解決方案、幫助用戶與行業解決方案提供商建立聯系、向用戶和解決方案提供商提供運營商網絡及設備云服務。

3)Orange。在法國，SigFox已在全國部署物聯網絡，Bouygues則宣布2016年支持LoRa，在此形式下，法電考慮到NB-IoT標準還未凍結，急于快速部署物聯網而選擇了LoRa技術。Orange已于2016年第一季度推出了LoRa網絡。

4)Vodafone。跨國性移動電話運營商Vodafone曾于2014年5月與華為一起提出了NB-IoT的前身——NB M2M，并在2015年3月的巴塞羅那通信大會上展示了其端到端智能水表業務。2016年，Vodafone計劃啟動外場驗證，試點部署NB-IoT，計劃在2017年啟動國家級規模部署商用。

總結來看，對于M2M業務，國際運營商的運營思路可大體概括為：從單純的網絡運營不斷向上層M2M應用支撐服務進行滲透。在初期主要以網絡連接為盈利核心，通過低價或者免費的設備及云服務發展用戶、培育生態、匯聚數據。待到M2M生態成熟之后，實現三大類業務產品的盈利，之后再逐漸引入M2M增值服務，探索從M2M流量計費到業務計費轉變的運營策略。

2.2 國內運營商M2M業務運營現狀

中國移動于2012年出資成立中移物聯網有限公司，專業運營物聯網專用網絡，推動物聯網在各行各業的規模應用。中國移動高層表示，公司要盡快研究基于900MHz或1800MHz的物聯網解決方案，做好專項研究及試點工作，并分省份提出應用需求，制定NB-IoT計劃。

中國電信物聯網分公司也在全面布局物聯網行業，推動中國電信物聯網業務全面深化改革，希望通過公司化，實現在物聯網領域的實體化跨越式發展。中國電信將物聯網作為公司2016年的重點工作，希望盡快啟動針對電信的NB-IoT方案設計，同時找省分、行業一起做驗證測試工作，預計于2016～2017年試點NB-IoT，2017～2018年實現規模商用。

3 運營商在物聯網低功耗產業鏈的合作機會

繼工信部發布《物聯網“十二五”發展規劃》以來，電信運營商將物聯網作為一個新的收入增長點大力推進。在這一過程中，運營商應當把握住網絡核心，以發展用戶為目的，在物聯網低功耗產業鏈中不斷探索，尋找業務合作機會。

3.1 終端層面生態培育與合作

運營商在終端層面的生態培育與合作可分為以下三個部分展開。

1)通信模組：運營商應大力推廣能夠支持低功耗M2M通信協議的模組，推動模組和芯片成本不斷降低。

2)終端解決方案：運營商應對包括模組、芯片以及OS等在內的成熟終端解決方案進行推廣，并在成熟終端解決方案中合作引入運營商低功耗M2M平臺SDK支持。

3)行業終端：運營商應積極推動終端解決方案以實現行業終端的整合，發布一些模式化的成功案例，定制和推廣滿足需求的物聯網低功耗行業終端，必要時可實行終端補貼。

3.2 平臺層面生態培育與合作

在平臺層面，運營商應基于松耦合架構，合作建設運營商低功耗M2M平臺。如圖3所示，此低功耗M2M平臺應當能夠提供包含連接管理平臺、共性業務能力平臺、云解決方案、數據開放與應用開發平臺在內的M2M平臺總體解決方案，并對外開放API。

圖3 運營商低功耗M2M平臺建設

進一步地，運營商要利用行業生態合作的機會進行平臺生態共建。基于上述運營商低功耗M2M平臺，基于授權頻段下的NB-IoT接入技術，利用oneM2M標準API及自定義API與第三方合作共建oneM2M生態圈，并將運營商低功耗M2M平臺SDK結合上述API形成白皮書和指南發布，用于終端及行業應用解決方案方面的推廣合作。

3.3 行業解決方案層面生態培育與合作

如圖4所示，在行業解決方案層面，運營商一方面要多渠道收集各類物聯網低功耗行業解決方案(如智能抄表、油田監控、智慧醫療等)，其自身也可以向合作廠商或者運營商內部研發團隊定制優質的物聯網低功耗行業解決方案，建立起物聯網低功耗行業解決方案需求池；另一方面，從行業客戶以及省公司、集團客戶部那里收集需求，進而從中幫助客戶與行業解決方案提供商建立聯系，也可利用自身的客戶優勢推廣行業解決方案。

圖4 物聯網低功耗行業解決方案層面的生態培育與合作

4 結論

龐大的通信業務量加之多種多樣的應用場景，使得低功耗成為了M2M通信的一個主要需求。目前，從技術標準的制定、設備的研發到業務的運營推廣，各方對于廣域低功耗M2M的研究都在積極開展中。低功耗M2M的興起對于運營商來說是一次前所未有的機遇和挑戰。在這種形勢下，運營商一定要密切跟蹤各類LPWA技術標準進展，做好技術儲備，避免單一LPWA技術不能滿足所有物聯網業務需求的問題。同時，積極開展各類LPWA技術方案試驗和評估，與主流通信設備和技術方案廠家建立廣泛的合作關系，以實現物聯網業務的全面開展和持續運營。

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