文︱立厷

图︱网络

蜂窝物联网(IoT)将从2023年开始获得5G带来的全面收益,并在2026年达到每年9亿台的出货量。为什么要等到2023年?这期间还有一些梗,看看市场研究和战略咨询公司Yole怎么说。

市场和技术趋向

所谓蜂窝物联网就是蜂窝移动通信网与物联网相结合的产物。之所以说这个市场将在2023年上涨,是因为移动物联网市场将具有以下一些特点:5G模块成本较高,用于NB-IoT(窄带物联网)和LTE-M(机器对机器)应用的高容量低成本模块将取代目前部署的2G/3G设备。这方面的增长将导致射频前端市场价值超过8亿美元。蜂窝物联网将受益于私人或公共频率的私人网络以及公共网络部署的5G。中国、美国和欧洲将出现更大规模的部署与较高的5G SA(独立组网)渗透率。

问题在于,在供应链方面,只有少数公司有能力开发5G模块。高通是第一家提供商用5G芯片组的公司。虽然NB-IoT价位较低,但对于任何小型进入者来说仍然太高。

Yole电源与无线事业部总监Claire Troadec认为:“物联网连接已经不再是一个抽象的概念。如今每个人都有自己的连接体验,或至少听说过,可能是通过蓝牙耳机、健身手环或将电表连接到家庭Wi-Fi。这些应用通常使用Wi-Fi或蓝牙,被称为个人区域网络或家庭自动化。”

然而,这个基于短距离、非关键业务的市场已经存在。但物联网这一连接设备在社会和行业的各个方面的普及还没有完全实现。那么,下一步是什么呢?随着5G的到来,物联网领域出现了很多变化。

随着网络切片(network slicing)技术的发展,加上监管机构正在为私人公司直接授权私人网络开放频率,新的5G连接行业模块正在出现。

网络切片是一种主要用于物联网的技术,它是一种虚拟化,允许在一个共享的物理网络基础架构上运行多个逻辑网络。每个逻辑网络之间是隔离的,且能够提供定制的网络特性,如带宽、延时、容量等。同时每个逻辑网络里除了网络资源外,还包含了计算和存储资源。

网络切片被认为是5G至关重要的一个特性。在5G网络中,通信基础设施不仅限于移动语音和文本通信,切片后形成了非常多样化的各种服务,如工业物联网、智能家居物联网、低延迟医疗通信、高带宽移动宽带等。

网络切片

Yole射频设备与技术公司技术与市场分析师Mohammed Tmimi博士强调:“总的来说,价值链正在开始成熟,现在通过蜂窝连接为物联网开发提供了便捷的解决方案;预计它将解决以前看到的大多数物联网采用和开发的问题。”他补充道:“这也意味着,5G物联网和蜂窝物联网的容量将很快开始增加,但它们还不会达到不切实际的夸大容量。”

蜂窝协议推进蜂窝物联网

Yole通过对现有和新兴应用进行的深入分析,尤其是关注4G/5G公共和私人频率,在其最新的《2021年5G mMTC和物联网平台技术和市场分析报告》中指出,蜂窝物联网将继续作为利基应用的组合,而不会扩展到个人区域网络,即可穿戴设备和消费电子产品。

正如Yole团队在报告中所说,过去人们曾尝试过多种方法来开发物联网。他们通过基于IEEE802．15．4的Zigbee或Z-Wave、LoRaWAN和Sigfox协议或远程Wi-Fi等使用了非授权频率,但这些努力并没有成功,主要是因为对数据可靠性和安全性的一般要求,即机密性、完整性和可用性。但随着以物联网为目标的蜂窝协议的出现,这种情况正在发生变化。

这些蜂窝协议的范围从低数据速率NB-IoT到极高数据速率、高可靠性、低延迟的5G Cat20。后者也终于开始受到了行业的重视。

Yole射频设备与技术市场分析师Cedric Malaquin说,“无论是从专用网络的资本支出角度,还是从使用公共网络的运营支出角度来看,蜂窝部署都是昂贵的。但5G在数据安全方面提供了前所未有的能力,为关键应用创造了市场机会。这些都是利基应用,例如,在高度自动化的工业环境中,无线连接增加了很多价值。其他应用范围从机器视觉到自动导引车辆监控。这些现在正在推动对5G部署的投资,从而为所有其他基于蜂窝的部署打开市场。”

因此,Yole预计,到2026年市场容量将达到9亿台。从2020年开始,由于POS(销售终端)或远程信息处理等2G/3G设备的更换,市场容量可达2．98亿台。这些数量与几年前科技公司预期的数十亿台工业连网设备数量相去甚远。这主要是由于物联网应用的利基性质。但这仍然代表着巨大的市场机遇,将从2020年的2．57亿美元增至2026年的8．59亿美元;2020-2026年射频前端组件级别的复合年增长率将为22．3%。

蜂窝和LPWAN物联网模块交付量(百万单位)

历史的经验值得注意

传输协议塑造了物联网技术格局,基于不同的标准存在着多种协议。今天,业界感兴趣的协议是5G相关协议,范围从现在众所周知的NB-IoT和LTE-M到5G Cat20协议。在这两者之间,还存在多种基于LTE的协议,提供了广泛的解决方案,所有5G均前向兼容。目前使用最多的是LTE Cat1和LTE Cat4。

由于即将推出的5G独立组网,这些LTE类别将受益于预期的5G SA,尤其是在网络层面。因为它将允许实现新的功能,如网络切片和物理网络的数字化,以便有效利用网络功能。

一般来说,蜂窝协议有望成为远程连接和关键短程连接的最佳解决方案。唯一强大的竞争对手是近距离Wi-Fi。鉴于过去出现的所有其他物联网协议均未成功启动,在全球范围内采用蜂窝式物联网的情况下,我们很可能永远不会在这一领域看到新的非授权开发,至少是没有一家在市场上取得巨大成功。

如果蜂窝物联网因未知和意外的原因而失败,这将再次延迟物联网的预期采用。相反,我们将等待一种便捷、创新的方法,就像我们十多年来一直等待的那样。

早在2000年,蜂窝物联网即已存在,问题是缺乏用于高效无线传感器网络的低成本、低功耗电子器件;

2000年,无线传感器网络ULP(超低功耗)电子器件开发出来,但物联网的部署还是缺乏足够的协议和网络;

2010年,开发了IEEE 802．15．4和SigFox协议,但缺乏从传感器到云的完整价值链;

2015年,出现了第三方系统集成商和Microsoft Azure等平台,可还缺乏一个覆盖范围广且安全的工业级协议;

2019年,开发了NB-IoT和LTE-M,这时又缺乏激励部署的成熟的产业链和成熟的解决方案;

只有到了2023年,网络切片和第一个基于关键物联网的5G网络,才可能让物联网真正向上攀升。

蜂窝物联网挑战不断一直存活到现在,但它能否克服未来的挑战?

物联网技术前景何在?

从现在起五年后,我们对蜂窝物联网的期望是什么呢?由于在全球范围内部署了真正的5G公共网络,使用独立的5G实现网络切片,预计在2023年蜂窝物联网的使用将增加。

2023年有望在看到新的RF模块产品,因为如今唯一的解决方案是由高通以相当昂贵的成本提供的。市场正在等待其他玩家的发展,例如Sequans Communications,不过高通也将很快发布其第二代5G模块,预计价格是其当前解决方案的一半。这有助于为物联网行业提供多样化的产品和加强供应。

Sequans是一家无晶圆厂设计、开发和供应商,为大规模、宽带和关键物联网市场提供蜂窝半导体解决方案。其全面的5G/4G芯片和模块针对非智能手机设备进行了充分优化。

Sequans指出,大规模物联网指的是数据传输需求较低的应用,但该技术必须在功耗和成本方面进行极端优化,以实现大规模部署。其应用涵盖智慧出行和物流、智慧城市、电子健康和保健以及智能家居等。另一方面,对于宽带和关键物联网应用,其技术经过优化,可为家庭、企业和工业现场提供尽可能高的吞吐量和最低的延迟。

从事蜂窝物联网开发的主要公司

虽然这一要求与智能手机的要求类似,但解决方案需侧重于为宽带物联网设备(如企业路由器和家庭网关)提供更好的成本和性能权衡。

Sequans的产品组合由基带处理器和射频收发器芯片或IC以及包含这些芯片及无线电前端子系统的M2M模块组成,包括丰富的软件,以及先进调制解调器和信号处理代码及协议栈和更高层的应用程序。

蜂窝物联网模块制造商

在2023年,我们还将看到更多的私有网络部署。而今天,它们正从试点级别开始,仅适用于高价值应用。但是,一旦部署,它们也有望用于价值较低的物联网应用,尤其是那些使用LTE-M或未来NR-Light协议的应用。

因此,预计2023年物联网的未来增长将通过公共网络、设备和专用网络级别的方便定时连接来实现。一旦这种蜂窝物联网开始采用,该技术的普及将最终发生。从长远来看,随之而来的是行业整合,以及出于非消费目的而普遍使用的授权无线频率。

没有一刀切的物联网解决方案

蜂窝物联网没有一刀切的解决方案,一切都将是妥协。非授权协议价格低,可靠性低,数据安全性差;ISM LPWAN(未授权低功耗无线接入网络)数据吞吐量低,但低功耗;高功耗的数据吞吐量也高;而蜂窝物联网是高价格,还需要提高数据安全性和可靠性。

重点关注的技术

重点关注的4G/5G电信基础设施是基站、小蜂窝及其射频组件;针对消费市场的无线连接射频前端技术和移动手机的蜂窝射频前端技术,以及消费UE(用户体验)射频前端组件(BT、Wi-Fi、NFC、LTE/5G);5G mMTC(大规模机器通信)和物联网平台(LTE-M、NB-IoT和其他5G/非5G方式)。

基于频率的物联网划分后走向

4G/5G公共频率

由移动网络运营商(MNO)以数十亿美元的价格授权频率,覆盖范围很广,从低Sub-1GHz频段到毫米波。这些频率并非仅用于消费应用,实际上,5G的主要目的是开辟新的行业应用。因此,已在这些频段上开发了URLLC、mMTC和eMBB,以解决物联网的问题。

这些公共频率可由企业和行业通过所谓的网络切片来使用,网络已针对特定行业用途进行了虚拟化和优化。然而,新的完全私有的现场基础设施和公私混合解决方案开始出现,旨在将无线连接扩展到网络运营商作为基础设施管理者的多个行业。

4G/5G专用频率

专用频率仅在少数特定国家存在,没有取得很大成功。得益于5G,这些公司目前预计将实现实际增长。专用频率是电信网络运营商无法购买的授权频段。这些频段,如美国的CBR、德国的3．7GHz-3．8GHz和法国的38频段,可由私人实体在本地授权,有权在定义的地理区域内自己的网络上使用这些频段。为此,这些公司直接与诺基亚、爱立信、华为、三星等网络基础设施提供商合作,或与渴望通过构建完整的现场基础设施扩大其市场的电信网络运营商合作。然而,这些专用频率无法提供5G的所有优势,不能实现非常高的毫米波吞吐量或sub-1GHz频率的低功耗。

ISM频率是非授权频率

目前用于物联网包括 Wi-Fi / Zigbee / Bluetooth/  LoRaWAN / Sigfox 等。特别是由于潜在的干扰和安全问题,建立在这些频带上的协议尚未得到完全的行业认可。不过,随着物联网产业链的成熟,越来越多的部署开始在这些频段上出现。其主要目标是小型企业,因为大型企业可能更喜欢授权频带。这些非授权频率有各自的局限性,即范围对某些人来说太小,而吞吐量对另一些人来说太低,但一些新的联合开发正在出现,特别是通过无线宽带和LoRaWAN联盟实施互补Wi-Fi和LoRaWAN协议的举措。

非5G蜂窝频率

包括2G,在过去十年中用于远程通信或POS应用,代表了数百万设备的市场需求,但仅限于少数选定的应用。随着2G的宣布停产,5G频率NB-IoT和LTE CatM有望占领这一传统市场,创造其第一次销售。还有一些4G频率的专用网络,但仅限于具有特定需求的早期采用者,并且是一个利基市场,预计将很快被5G专用网络取代。