2018年中国物联网LPWA技术研究报告.pdf

中国物联网LPWA技术研究报告2018年22018.11 iResearch I来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。LPWA技术是一种无线通信技术，主流的LPWA技术有NB-IOT、eMTC、Sigfox与LoRa。NB-IOT由通信行业最具权威的标准化组织3GPP制定并由国际电信联盟ITU批准，属于国际标准；Sigfox与LoRa核心技术分别掌握在法国Sigfox与美国Semtech公司手中，属于企业私有技术。开篇摘要LPWA技术主要以文本类业务为主，适用于低速率，低功耗，广覆盖及大连接的物联网应用场景。目前国内已形成NB-IOT与LoRa两大技术阵营，国家政策频繁落地大力推动NB-IOT的发展，对LoRa持观望态度。LPWA技术在国内的应用仍处于试点和推广阶段，NB-IOT与LoRa主要聚焦于智能表计，智慧楼宇等应用场景，重叠严重。相较于LoRa，NB-IOT更适合数据量大且通信频繁的应用场景。NB-IOT属于运营商网络更适合地域分布广泛且具有移动属性的分散型应用场景，LoRa可实现灵活部署能更好的满足终端较为集中的行业性应用需求。因设计理念及实现方式不同，无线通信技术特性各异，部署网络时需根据具体的应用场景需求选择合适的通信技术。从应用场景需求角度分析，预计到2025年NB-IOT与LoRa在国内的发展趋于6:4的格局。相较于LoRa，NB-IOT发展时间短，产品稳定性差，网络全面覆盖和深度覆盖不足，预计需要两年时间进行技术完善及网络优化才能真正发挥出优势，而这段时间市场需求会推动相对更成熟的LoRa向更多应用方向发展；概况现状竞争趋势3物联网LPWA技术概况1中国LPWA技术发展现状2中国LPWA技术之争3中国LPWA技术发展趋势442018.11 iResearch I来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。LPWA技术背景介绍物联网的发展需求催生LPWA技术人联网主要的终端设备是手机。图片的清晰度，视频及游戏的流畅性主要受限于速率和时延，所以对高速率和低时延的执着追求驱动着无线通信技术的更新换代。但随着物联网的不断发展与应用场景的多元化，终端设备种类变得复杂多样，现有的无线通信技术无法满足物联网的发展需求。自动驾驶与远程医疗类应用场景的良好体验需要比4G更高速率，更低时延及更高可靠性的通信技术支撑，而低速率业务的终端往往分布广泛，数量巨大，安装环境常常不具备外部供电条件且单个终端通信频次少，目前承载低速率业务的2G网络功耗高且单小区接入设备量少导致成本较高阻碍了物联网的发展，为解决这一系列问题，无线通信技术在向高速率，低时延及高可靠性发展的同时也在向低速率、低功耗、远距离与大连接方向演变，低功耗广域LPWA（Low-Power Wide-Area ）技术应运而生。人联网物联网自动驾驶VR眼镜8K视频智能垃圾桶共享单车智能灯杆 智能表计短信2G图片3G视频4G游戏4G远程医疗物联网中高速率业务驱动无线通信技术向5G发展物联网中低速率业务驱动无线通信技术向LPWA技术演变物联网驱动无线通信技术向两个方向发展52018.11 iResearch I来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。LPWA技术发展历程NB-IOT是国际标准，Sigfox与LoRa是私有技术LPWA技术是专为低速率，低功耗，广覆盖及大连接的物联网应用场景而设计，目前主流的LPWA技术有NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）、eMTC、LoRa（long range）和sigfox。eMTC被看做是国际标准LTE技术（4G）的一种特性，相较于其它三种技术能提供更高的速率与更强的移动性支撑；NB-IOT由通信行业最具权威的标准化组织3GPP制定，并由国际电信联盟ITU批准，属于国际标准；Sigfox与LoRa的核心技术分别掌握在法国Sigfox与美国Semtech公司手中，属于企业私有技术。LoRa是一种基于扩频技术的远距离传输技术，最初由法国初创公司Cycleo提出，2013年美国Semtech公司将其核心技术购买，并与2015年3月成立了LoRa联盟共同推广LoRa应用。Sigfox是一家成立于2009年的法国物联网公司，该公司不仅是Sigfox标准的制定者，也是网络运营及平台的提供者。2013年沃达丰与华为提出NB-M2M2014年7月高通提出NB-OFDM2015年5月NB-M2M和NB-OFDM融合成为NB-CIoT爱立信，中兴、诺基亚等公司提出了NB-LTENB-CIoT与NB-LTE融合成NB-IOTNB-IOT规范冻结2015年9月2015年7月2016年6 LPWA技术发展历程62018.11 iResearch I来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。LPWA技术的“朋友圈”LPWA技术是物联网无线通信技术之一物联网无线通信技术按照覆盖距离划分，大致可以分为两类，一类是短距离通信技术，包括蓝牙（Bluetooth），Zigbee，WIFI，NFC，目前主要应用于室内智能家居，消费电子等场景；第二类是远距离通信技术,包括蜂窝通信技术2G/3G/4G/5G及LPWA技术LoRa，Sigfox，而eMTC和NB-IOT既属于蜂窝通信技术，又属于LPWA技术。短距离通信技术室内场景室外场景远距离通信技术NFCZigbee蓝牙蜂窝通信技术LPWA技术eMTCLoRaSigfoxNB-IOTWIFI视频监控智能空调智能洗衣机智能音箱智能窗帘智能插座5G4G3G2G自动驾驶VR眼镜POS机共享单车智能穿戴智能灯杆物联网无线通信技术分类72018.11 iResearch I来源：根据华为及其它公开资料绘制。无线通信技术关键指标对比LPWA技术特点：低功耗、低速率、广覆盖、大连接目前广域物联网高速率业务主要由4G网络承载，低速率的业务由2G网络承载，但是2G网络功耗高，单小区接入量小导致成本无法降低，阻碍了物联网的发展。LPWA技术专为低速率，低功耗，广覆盖与大连接的应用场景而设计，终端电池寿命可达10年，单小区最大可支持接入10W台设备，是2G网络单小区接入量的几百倍，在郊区空旷的环境理论覆盖距离可达20km，在实际复杂的无线环境中可达5km。距离速率1m100m10km100Mbps100Kbps100bpsWIFI短距离高速率BluetoothZigbee短距离低速率3G/4G长距离高速率2GLPWA技术长距离低速率传输速率与覆盖距离对比Months9year101次/天1次/天2G与NB-IOT功耗对比通信频次通信技术2G(GPRS)NB-IOT电池寿命数据量电池容量100Byte200Byte10000mAH2400mAH无线通信技术关键指标对比82018.11 iResearch I来源：根据Machina research及其它公开资料绘制。全球LPWA技术连接量占比2025年全球LPWA技术连接量占广域物联网总连接量的45%物联网是一种融合的技术，之前受限于传感器及通信技术瓶颈发展缓慢，近两年技术得以突破，物联网进入高速发展的快车道，连接量会呈现井喷状态。预计到2025年全球物联网总连接量将达到270亿，其中72%的连接将使用短距离通信技术，LPWA技术连接量占比将达到11%。因成本低，终端功耗低，网络易部署等优点，预计到2025年广域物联网连接量中45%将使用LPWA技术。20%28%30%32%32%30%1%5%15%20%30%45%28%28%25%22%18%16%51%39%30%26%20%9%201520172019e2021e2023e2025e2015-2025年全球LPWA技术连接量在广域物联网中的占比蜂窝网LPWAN城域网卫星固网92018.11 iResearch I来源：根据华为、信通院、semtech及其它公开资料绘制。国内LPWA技术连接量将进入爆发期2018-2020年NB-IOT连接量增长速率高于LoRa经过两年时间的发展，国内LPWAN产业链已初步形成，NB-IOT与LoRa作为国内主要发展的两种LPWA技术已进入激烈的竞争阶段，技术推动者不断加大应用的推广力度，LPWA技术的连接量即将进入爆发期。NB-IOT属于运营商网络且已经基本实现全国覆盖，服务提供商在制定解决方案时直接租用运营商网络，相对于LoRa按需部署的模式，节约了网络部署时间更有利于应用的迅速大规模推广，加上三大运营商高额补贴的刺激与政府的推动，促使LPWA技术发展初期NB-IOT的发展要比LoRa快，预计2018年-2020年NB-IOT连接量的增长速率要一直领先于LoRa。2018e2019e2020e0.5亿2亿7亿2017-2019年LoRa连接量2018-2020年NB-IOT连接量上文分析国内LPWA技术发展初期LoRa连接量的增长速率要低于NB-IOT。Ssemtech公司数据显示2017年底国内LoRa的连接量共计15.3万，2018年阿里，腾讯相继加入LoRa阵营，目前阿里在杭州与宁波建设的LoRaWAN已具备商用条件，在自有业务场景中头部应用预计能达到100万的连接量。根据semtech预测2019年全球网关（基站）数量能达到20万个，全球连接量预计能超过8000万。10物联网LPWA技术概况1中国LPWA技术发展现状2中国LPWA技术之争3中国LPWA技术发展趋势4112018.11 iResearch I来源：根据公开资料绘制。国家政策频发推动物联网发展国家大力支持NB-IOT发展，对LoRa持观望态度自2011年以来国家政策频发不断推动物联网的发展，“十二五”期间，国务院和各部委相继出台政策，物联网顶层设计不断完善，“十三五”时期，物联网依然是信息化发展中的重要一环，自2016年下半年以来物联网政策频繁落地，我国物联网已驶向高速发展的快车道。2017年6月工信部印发关于全面推进移动物联网（NB-IOT）建设发展通知，明确要求到2017年末，实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个，到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个，可见国家要大力发展NB-IOT的决心，相反自中兴引入LoRa以来国家一直持观望态度。2017年12月工信部印发微功率短距离无线电发射设备技术要求（征求意见稿）对LoRa在国内所使用的频段进行了限制，但目前该要求未正式实施。时间政策名称部门政策内容2016.12“十三五”国家信息化规划国务院提出若干物联网发展的专项行动，鼓励实施物联网应用示范工程并推进区域试点；2017.01物联网“十三五”规划工信部明确物联网产业未来的发展目标；2017.01信息通信行业发展规划（2016-2010年）工信部2020年前建成具有国际竞争力的物联网产业体系；2017.06关于全面推进移动物联网（NB-IOT）建设发展的通知工信部提出2017年末基站规模达到40万个，连接规模超2000万，2020年NB-IOT基站规模达到150万个，连接规模超6亿；2017.06工信部27号公告工信部批准NB-IOT在可运行于GSM的800/900MHZ频段与FDD-LTE的1800-2100MHZ频段；物联网相关政策梳理122018.11 iResearch I来源：根据公开资料绘制。国内已形成NB-IOT与LoRa两大阵营运营商加快NB-IOT基站建设，多地陆续开始部署LoRa网络国家政策保驾护航，三大运营商积极部署，目前NB-IOT网络已基本实现全国覆盖，但网络质量有待提升。从总体来看，电信建设进度领跑联通与移动，在2017年底开通30万个基站率先完成第一张NB-IOT网络，因移动只有部分基站支持升级实现NB-IOT功能，大部分区域要新建基站，建设进度最慢。为满足工信部2020年建设150万个NB-IOT基站的要求，三大运营商要加快建设步伐。2016年中兴与近20家厂商共同发起中国LoRa应用联盟，2017年底国内已建设16个私有网络试点共计1732个网关，2018年广电，铁塔及互联网巨头腾讯，阿里纷纷加入LoRa应用联盟共同推动产业生态的发展。目前阿里与联通在杭州及宁波建设的LoRaWAN网络已具备商用条件，国内其它地区已陆续开始小范围的LoRa网络建设。已建设40万+基站已建设30万+基站2018年9月2018年6月2017年12月已覆盖348个城市杭州，宁波阿里巴巴与浙江联通在杭州，宁波建设LoRaWAN城域网。LoRa在中国的部署正在快速增长三大运营商NB-IOT网络建设进度贵州，上海，深圳，广州，北京，南京，苏州，武汉，内蒙古等地某些区域已开始部署LoRa局域网络。132018.11 iResearch I来源：根据公开资料绘制。NB-IOT与LoRa促进物联网快速发展牺牲速率与时延满足更多物联网应用场景需求超大连接约10W台设备/小区超强覆盖郊区25km;市区5km上行链路损耗164db模组成本大约25元超低成本超低功耗5wh电池续航约10年NB-IOT与LoRa主要是以速率与时延为代价来满足低功耗、低成本、广覆盖与大连接的物联网应用场景需求，目前此类场景需求迫切且连接量巨大，因此NB-IOT与LoRa技术的出现能满足更多的物联网场景需求从而极大的促进物联网的发展。以下具体讲解NB-IOT技术是如何实现低功耗、低成本、广覆盖与大接连的。采用窄带，提升频率普密度，增强覆盖；重复发送，获得时间分集增益，采用低阶调制，提高解调性能，增强覆盖；采用天线分集技术，增强覆盖；系统设计了一套非连续接收的机制，空闲时终端可进入休眠状态且可按照需求设置休眠时间，节省终端功耗;按照休眠时间长短，终端可工作在 PSM,eDRX,DRX三种状态;牺牲时延允许更多用户接入，单小区最高可支持约10W台设备，大量终端处于休眠态，上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态;为降低成本，采用半双工方式进行通信，即终端在接收信息时，无法向基站发送信息导致下行时延高，但这种方式实现简单，从而实现了降低了终端成本的目的;NB-IOT以速率与时延为代价换取低功耗、低成本、广覆盖与大接连142018.11 iResearch I来源：根据公开资料绘制。LPWA类场景的业务特点以文本类业务为主，不支持语音业务没有一种通信技术能满足所有物联网场景的需求，根据对传输速率的需求不同可以将物联网业务分为低速率，中速率，高速率三类，预计2020年三类业务分别占物联网总连接量的60%,30%,10%。LPWA技术是低速率业务的主力，主要以文本业务为主，不支持语音业务。10%30%60%高速率（1Mbps）中速率（1Mbps）低速率（100Kbps）NB-IOT Sigfox LoRa Zigbee 蓝牙eMTCGPRS WIFI 主要业务应用场景物联网连接量分布 以图片，视频为主的高流量业务;对功耗不敏感;以文本业务为主的低流量业务，不支持语音业务;要求终端功耗低;以文本业务为主，需要语音业务;对终端功耗不敏感;自动驾驶远程医疗视频监控智能穿戴智能家居共享单车智慧灯杆智能表计物联网连接量分布及其业务特点152018.11 iResearch I2018.11 iResearch I国内LPWA技术应用场景目前智能表计是国内LPWA技术连接量增长最快的应用场景国内LPWA技术主要聚焦于智慧农业、智慧城市、公共事业领域的智能表计、共享单车、智慧照明、智能烟感等应用场景且NB-IOT与LoRa已落地应用场景重叠率很高，LPWA技术的应用空间尚未完全打开，两种技术的推动者需加大力度拓展其创新应用场景。智能表计作为公共事业领域主要的应用场景，水/电/燃气表数量巨大，智能化改造需求迫切，目前是LPWA技术的主要应用场景，根据中国移动数据显示，智能表计是NB-IOT连接量中增长最快的领域，占NB-IOT总连接量的42%。来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。来源：中移物联网。国内NB-IOT应用案例及参与厂商共享单车智能表计智能锁方案智能水表方案智能燃气表方案智能烟感烟感报警系统消防烟雾报警器智能照明智能路灯智能停车智能表计42%智能烟感26%环境保护15%智慧停车3%集成服务3%工业控制3%其它 8%2018Q3中国移动NB-IOT连接量占比分布16物联网LPWA技术概况1中国LPWA技术发展现状2中国LPWA技术之争3中国LPWA技术发展趋势4172018.11 iResearch ILPWA技术关键指标对比从理论值来看NB-IOT性能具备较大优势来源：根据华为，爱立信及其它公开资料绘制。前文讲到目前主流的LPWA技术有Sigfox，LoRa，NB-IOT与eMTC，相较于前三者eMTC速率较高，功耗较大，适用于中速率且对功率没有太敏感的业务，对于低速率，广覆盖，低成本，低功耗类业务，主要竞争在前三者之间，本文主要对前三者的关键指标进行对比,从理论值来看NB-IOT性能具备较大优势。支持链路损耗越高，覆盖距离越远NB-IOTLoRaSigfoxMCL=150dbMCL=154dbMCL=164dbNB-IOT理论覆盖距离最远覆盖距离相等时NB-IOT终端功耗最低3625.913.815.516.9NB-IOTNB-IOTNB-IOTLoRaSigfox144db154db164db155db133芯片厂商模组厂商网络运营商LPWAN产业链上下游平台厂商通信设备厂商物联网终端厂商系统集成应用服务商感知层网络层平台层应用层传感器厂商系统及软件开发商222018.11 iResearch I2018.11 iResearch ILPWA技术七大应用领域2025年消费与医疗将成为LPWA技术最大的应用领域LPWA技术可以满足不同的应用场景需求，按照应用领域划分可将其主要应用场景细分为公共事业，消费与医疗，智慧工业，智慧楼宇，农业与环境，智慧物流与智慧城市七大垂直市场。前文讲到目前LPWA技术主要聚焦于公共事业与智慧城市，智慧楼宇等领域中的少量应用场景，预计到2025年消费与医疗将成为LPWA技术最大的应用领域。来源：根据GSMA、machina research及其它公开资料绘制。来源：GSMA、machina research、公开市场资料，根据艾瑞统计模型核算。应用领域水与煤气监测：智能监控水位变化，天然气消耗和运输管道监测；新能源发电：通过传感器来监测太阳能/风电发电设备；智能电网：能源基础设施监控；农业野生动物监测：鱼类，畜类行迹追踪与监控；农业气候土壤监测；环境实时监控；环境数据收集：污染，噪声，降水；农业与和环境智慧城市智慧停车：通过传感器可以显示车位情况；城市垃圾管理：监测垃圾箱对的剩余空间及时回收垃圾；智慧灯杆：调整城市照明设备的开关和亮度；智慧物流车辆和工业运输的定位和实时跟踪；公共事业智慧工业环境安全监测；机控系统监测：自动贩卖机监控：库存及设备监控；自动贩卖机电子支付与信息验证；可穿戴设备；共享单车;跟踪定位：人/宠物跟踪定位；智慧医疗：临床数据监测；消费与医疗智慧烟感：自动日常火警监测，对相关灭火设施实时监控；楼宇警报；智慧家庭：温度，湿度，亮度的监测与调整；智慧楼宇LPWA技术七大应用领域11%14%15%29%31%产业智慧城市公共事业智慧楼宇消费与医疗产业=农业+工业+物流2025年LPWA技术各应用领域连接量占比预测232018.11 iResearch INB-IOT与LoRa应用场景分析应用服务商需根据应用场景需求选择合适的通信技术来源：艾瑞咨询研究院自主研究绘制。LPWA应用场景按照终端移动性及分散程度可划分为终端静止且较为集中的行业性应用与终端有移动性且地域分布较广的分散型应用两类，对于前者两种技术均能满足要求，但对于后者前文讲到因受限于资质等因素LoRa在国内不具备建设成公网在全国运营的条件，若企业自建网络实现连片覆盖成本较高，因此NB-IOT更适合后者应用。因设计理念及实现方式不同，无线通信技术特性各异，部署网络时需根据具体的应用场景需求选择合适的通信技术。领域场景主要受限因素分析选择领域场景主要受限因素分析选择公共事业智能表计该场景终端地域分布较广，NB-IOT更合适。智慧城市智能灯杆终端地域分散广泛且对通信质量及频率要求较高，NB-IOT更合适。消费与医疗智慧医疗这几种应用场景终端分散且有一定的移动性，NB-IOT更合适。环境管理环境管理包括垃圾桶，窨井盖，终端地域分散广泛，NB-IOT更合适。共享单车跟踪定位城市停车智慧楼宇智能烟感两种技术均能满足要求智慧工业环境监测终端静止且较为集中的行业应用，两种技术均能满足需求，但因涉及到企业数据隐私问题，可以用LoRa部署私有网络，因此LoRa更合适。农业与环境农业气候土壤监测两种技术均能满足，但NB-IOT在偏远地区及农村覆盖差，LoRa更合适。机控系统监测智慧物流物流终端有移动性且地域分布较广，NB-IOT更合适。自动贩售机终端地域分散广泛，NB-IOT更合适。24物联网LPWA技术概况1中国LPWA技术发展现状2中国LPWA技术之争3中国LPWA技术发展趋势4252018.11 iResearch I国内LPWA技术的发展趋势NB-IOT为主LoRa为辅共同促进LPWA技术发展来源：艾瑞咨询研究院自主研究绘制。60%11%29%万物互联将带来百亿级连接，正如前文所讲LPWA技术作为广域物联网的主力主要应用于七大垂直领域，应用场景具有极强的差异性且行业特征明显，单一技术不能满足所有的场景需求，目前国内NB-IOT与LoRa已落地场景重叠严重竞争激烈，未来两种技术必定在竞合之间找到各自定位最终呈现以NB-IOT为主LoRa为辅协同发展的局面，而周期的长短取决于两种技术的推动者认识到以场景需求驱动技术发展重要性的速度，在这个相互融合的过程中服务提供商是否能立足于网络环境和技术本身的特性，按照实际应用场景需求，有针对性的制定解决方案也是缩短该周期的关键。前文基于网络环境及应用场景需求对LPWA技术七大应用领域进行了技术选择分析，根据NB-IOT与LoRa应用领域的连接量进行预测，预计到2025年NB-IOT与LoRa在国内的发展趋于6:4的格局。2025年国内LPWA技术连接量分布NB-IOT 公共事业 智慧城市 智慧物流 消费与医疗LoRa 智慧工业 农业与环境 智慧楼宇NB-IOT属于运营商网络可实现全国连片覆盖且蜂窝网络能提供更高的服务质量，更适合公共事业，智慧城市，智慧物流及消费与医疗等终端地域分布广泛且有移动性的分散型场景。LoRa设备成本低、部署灵活且数据保密性强等特性使其能满足个性化需求的场景，农业及企业等专有网络是其最合适的应用领域。智慧楼宇主要包括商场，写字楼中智慧烟感，警报器等应用场景，终端静止且无移动性，虽然两种技术均能满足要求，但蜂窝网络先天性深度覆盖不足，在快速抢占市场的阶段LoRa更具竞争力，因此到2025年LoRa连接量占比趋于40%。2025年NB-IOT与LoRa发展格局趋于6:4LoRa优势明显262018.11 iResearch I国内NB-IOT需要在发展中不断完善NB-IOT自我完善期间给与LoRa更多发展机会来源：艾瑞咨询研究院自主研究绘制。正如前文分析自2016年6月NB-IOT标准冻结以来，在国家政策支持及运营商积极推动下，国内NB-IOT发展呈一片繁荣之态，上下游产业链初步形成，网络已实现全国覆盖，在高额补贴的刺激下应用种类与连接量也突飞猛进，貌似已超越LoRa发展多年的积累，虽然从技术本身NB-IOT具有较大优势，但与LoRa相比发展时间短，产品稳定性差，网络全面覆盖和深度覆盖不足，类比移动4G网络耗费近4年时间才被打造成一张精品网，NB-IOT虽不需打造一张精品网，但依然需要约两年时间进行技术完善及网络优化才能真正发挥出优势，而在这段时间网络及产品的不稳定性在一定程度上影响了NB-IOT的应用推广，同时市场需求会推动相对更成熟的LoRa向更多应用方向发展，换句话说近两年LoRa的发展直接影响其在中国LPWAN的占比。LoRa获得更多发展机会NB-IOT需要不断完善1网络覆盖深度网络覆盖广度产品稳定性在NB-IOT自我完善期间，对于两种技术均能满足的场景，LoRa更具竞争优势；虽然NB-IOT更合适终端地域分布广泛且具有移动性的分散型应用场景，但在网络覆盖广度和深度不足的区域给与LoRa更多的发展机会。例如，在NB-IOT覆盖较差且政府迫切发展物联网的城市，企业可建设LoRaWAN实现全城覆盖。NB-IOT自我完善期间给与LoRa更多发展机会