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运营商物联网低功耗M2M技术的应用现状与展望

2016-08-12  来源:中国联通研究  作者:

低功耗M2M技术及业务市场前景

随着人与物、物与物连接的增多,未来将是千亿连接的时代,加之国际标准组织对技术标准制定工作的积极推动,低功耗M2M业务的市场前景十分广阔。目前,已有物与物的连接大多由蓝牙、Wi-Fi等短距离通信技术承载,而非运营商的移动网络,低功耗M2M在技术、需求侧重等方面与传统移动通信业务存在的差异,也使得其运营工作面临挑战。

GSMA的研究报告定义了7种LPWA应用分类:农业、环境、消费品、工业、物流、智能楼宇以及智慧城市/公共事业。GSMA的LPUC项目组将这些应用分类细分为以下应用案例,具体划分如下。

1)公共事业:天然气以及水计量,配水网络监控,微型发电。

2)工业:设备状态,工厂控制、处理以及安全监控。

3)物流:工业资产,集装箱跟踪(位置及状态更新)。

4)智能楼宇:报警系统,制动器,空调系统,接入控制。

5)消费品及医疗:可穿戴,家用电器,VIP跟踪(动物或小孩),智能自行车,辅助生活,临床远程监控。

6)农业及环境:农业应用(养殖及土地监测、禽畜跟踪),环境监测(污染、噪声、雨、云、河水流速、健康危害、井等的数据采集和实时监控)。

1.1 低功耗M2M技术标准及应用情况

目前,国际上主流的低功耗M2M候选技术主要有4种:3GPP LTE演进技术LTE eMTC、3GPP

NB-IoT窄带物联网技术NB-LTE,以及非3GPP技术中Sigfox主导的技术和LoRa联盟主导的技术。四种候选技术的主要指标对比和部署方案如表1、表2所示。

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表1 低功耗M2M候选技术主要指标对比

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表2 低功耗M2M候选技术部署方案

以上所述的4种低功耗M2M候选技术中,两种非3GPP技术均已实现商用。SigFox公司的低功耗M2M网络已覆盖法国、西班牙、荷兰和英国的部分城市,并正在开拓包括美国在内的新市场,另外,SigFox还计划与一些创业公司和设备制造商开展合作,以求创造出最好的资源。荷兰电信和比利时电信选择了LoRa技术作为其M2M行业解决方案支撑,并进行了少量的商业化部署,法国Actility公司则将LoRa与oneM2M相结合,形成M2M整体结合方案并进行相关的商业化推广。在国内,中国电信对LoRa技术进行了相关实验,富士康等非电信运营商企业也将LoRa技术与自身生产结合,如采用LoRa建立工厂网络等。

从以上4种LPWA主流技术的参数对比中可以看出,相对于其他三种技术,NB-IoT在成本、可靠性等诸多方面都存在着明显的优势。具体体现在以下4个方面。

1)广覆盖。基于4.5G的NB-IoT能够提供百倍于4G的连接规模和百倍于2G的灵敏度,覆盖增益高达20dB。

2)低功耗。简化的NB-IoT技术协议降低了芯片的功耗,同时提升功放效率,缩短了发射和接收过程消耗的时间,终端电池寿命可达20年。

3)大连接。NB-IoT具有频谱效率高,小包数据发送的特征,终端激活比极低,每小区的连接数可高达5万。

4)低成本。NB-IoT通过对射频硬件、协议以及基带实现复杂度的简化,大大降低了技术实现成本,模组成本仅为5$。

以上四大显著优势使得NB-IoT技术能够专门定位“低频、小包、时延不敏感”的物联网业务,因此,NB-IoT也成为了主流运营商窄带蜂窝物联网的首选技术,预计于2017年可实现商用。

1.2 低功耗M2M业务特点及运营挑战

低功耗M2M业务与当前移动宽带业务的区别主要可概括为以下三个方面。

首先,主体客户不同。移动宽带业务的主体客户为个人客户,低功耗M2M业务的主体客户为政企客户。其次,主体客户的需求不同。移动宽带业务主体客户的需求主要是较低的网络时延、较低的流量资费和高带宽的网络连接,低功耗M2M业务主体客户的需求则是低功耗低成本的连接、批量灵活的计费、可配置的连接管理、快速的M2M业务部署和使用、IDC和云虚拟机等基础设施的建立健全等。再次,两种业务的ARPU值和连接数特点不同。与低连接数高ARPU值的移动宽带业务不同,低功耗M2M在M2M业务中具有最多的连接数和相对较低的ARPU值。如何让低ARPU值的M2M业务形成具有显著收益的业务板块,也是低功耗M2M运营工作面临的一大挑战。

1.3 低功耗M2M业务市场预测

据市场分析公司Analysys Mason的预测报告,按单一LPWA连接平均年收入2~3美元计算,预计2015~2017年间,LPWA业务全球总年收入为4.5亿美元。到2018年,LPWA业务将实现快速增长,连接数达到4.2亿,年收入将达9.7亿美元。而到2022年,LPWA的连接数将增长至27亿,全球LPWA业务总年收入有望达到75亿美元。图1、2展示了全球LPWA总连接数和业务年收入的变化趋势。根据这一市场预测我们也可以看出,运营商在2018年之前加速完成LPWA商业化部署的迫切性。

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图1 全球广域低功耗M2M连接年收入

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图2 全球LPWA业务连接数占比及变化趋势

运营商M2M业务运营现状

随着行业应用的广泛以及客户需求的增加,国内外电信运营商对M2M业务的投入都在不断加大。在国外,大部分运营商都已经成立了专门针对M2M物联网发展的运营中心、专业支撑平台和高素质的专家队伍。他山之石,可以攻玉,研究国外运营商M2M业务的运营现状,一方面可以把握当前国际上M2M业务运营的前沿动态和发展趋势;另一方面,鉴于国外运营商在M2M领域的发展较为领先,我国运营商也可以参考借鉴其运营思路,并从中吸取经验。

2.1 国外运营商M2M业务运营现状

1)AT&T。作为最早进入M2M市场的主要运营商,AT&T将M2M业务作为公司发展的重心,积极实行开放平台战略。主要进展有:

开发了M2X平台构建M2M设备云,可提供M2X平台设备时间序列数据存储、设备接入和管理API、数据分析和可视化API、时间触发和通知API支持;

基于M2X平台构建了M2M开发社区,可提供包含开发板、设备接入API、各开发环境SDK在内的M2M设备开发套件支持。

2)德国电信。在运营商中,德国电信也是积极推动M2M发展的一家。

德电于2012年推出全球首个M2M市场平台,之后一再加大对M2M的投入,力求将其打造成公司级规模,为客户提供一站式服务。主要进展有:

开发了M2M设备云形成M2M开发社区,可提供M2M设备开发套件、M2M云设备接入API、M2M云设备管理API、数据可视化API支持。

利用M2M行业解决方案交流平台推动M2M设备云,可通过其向用户展示收集的物联网行业解决方案、帮助用户与行业解决方案提供商建立联系、向用户和解决方案提供商提供运营商网络及设备云服务。

3)Orange。在法国,SigFox已在全国部署物联网络,Bouygues则宣布2016年支持LoRa,在此形式下,法电考虑到NB-IoT标准还未冻结,急于快速部署物联网而选择了LoRa技术。Orange已于2016年第一季度推出了LoRa网络。

4)Vodafone。跨国性移动电话运营商Vodafone曾于2014年5月与华为一起提出了NB-IoT的前身——NBM2M,并在2015年3月的巴塞罗那通信大会上展示了其端到端智能水表业务。2016年,Vodafone计划启动外场验证,试点部署NB-IoT,计划在2017年启动国家级规模部署商用。

总结来看,对于M2M业务,国际运营商的运营思路可大体概括为:从单纯的网络运营不断向上层M2M应用支撑服务进行渗透。在初期主要以网络连接为盈利核心,通过低价或者免费的设备及云服务发展用户、培育生态、汇聚数据。待到M2M生态成熟之后,实现三大类业务产品的盈利,之后再逐渐引入M2M增值服务,探索从M2M流量计费到业务计费转变的运营策略。

2.2 国内运营商M2M业务运营现状

中国移动于2012年出资成立中移物联网有限公司,专业运营物联网专用网络,推动物联网在各行各业的规模应用。中国移动高层表示,公司要尽快研究基于900MHz或1800MHz的物联网解决方案,做好专项研究及试点工作,并分省份提出应用需求,制定NB-IoT计划。

中国电信物联网分公司也在全面布局物联网行业,推动中国电信物联网业务全面深化改革,希望通过公司化,实现在物联网领域的实体化跨越式发展。中国电信将物联网作为公司2016年的重点工作,希望尽快启动针对电信的NB-IoT方案设计,同时找省分、行业一起做验证测试工作,预计于2016~2017年试点NB-IoT,2017~2018年实现规模商用。

运营商在物联网低功耗产业链的合作机会

继工信部发布《物联网“十二五”发展规划》以来,电信运营商将物联网作为一个新的收入增长点大力推进。在这一过程中,运营商应当把握住网络核心,以发展用户为目的,在物联网低功耗产业链中不断探索,寻找业务合作机会。

3.1 终端层面生态培育与合作

运营商在终端层面的生态培育与合作可分为以下三个部分展开。

1)通信模组:运营商应大力推广能够支持低功耗M2M通信协议的模组,推动模组和芯片成本不断降低。

2)终端解决方案:运营商应对包括模组、芯片以及OS等在内的成熟终端解决方案进行推广,并在成熟终端解决方案中合作引入运营商低功耗M2M平台SDK支持。

3)行业终端:运营商应积极推动终端解决方案以实现行业终端的整合,发布一些模式化的成功案例,定制和推广满足需求的物联网低功耗行业终端,必要时可实行终端补贴。

3.2 平台层面生态培育与合作

在平台层面,运营商应基于松耦合架构,合作建设运营商低功耗M2M平台。如图3所示,此低功耗M2M平台应当能够提供包含连接管理平台、共性业务能力平台、云解决方案、数据开放与应用开发平台在内的M2M平台总体解决方案,并对外开放API。

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图3 运营商低功耗M2M平台建设

进一步地,运营商要利用行业生态合作的机会进行平台生态共建。基于上述运营商低功耗M2M平台,基于授权频段下的NB-IoT接入技术,利用oneM2M标准API及自定义API与第三方合作共建oneM2M生态圈,并将运营商低功耗M2M平台SDK结合上述API形成白皮书和指南发布,用于终端及行业应用解决方案方面的推广合作。

3.3 行业解决方案层面生态培育与合作

如图4所示,在行业解决方案层面,运营商一方面要多渠道收集各类物联网低功耗行业解决方案(如智能抄表、油田监控、智慧医疗等),其自身也可以向合作厂商或者运营商内部研发团队定制优质的物联网低功耗行业解决方案,建立起物联网低功耗行业解决方案需求池;另一方面,从行业客户以及省公司、集团客户部那里收集需求,进而从中帮助客户与行业解决方案提供商建立联系,也可利用自身的客户优势推广行业解决方案。

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图4 物联网低功耗行业解决方案层面的生态培育与合作

结论

庞大的通信业务量加之多种多样的应用场景,使得低功耗成为了M2M通信的一个主要需求。目前,从技术标准的制定、设备的研发到业务的运营推广,各方对于广域低功耗M2M的研究都在积极开展中。

低功耗M2M的兴起对于运营商来说是一次前所未有的机遇和挑战。

在这种形势下,运营商一定要密切跟踪各类LPWA技术标准进展,做好技术储备,避免单一LPWA技术不能满足所有物联网业务需求的问题。

同时,积极开展各类LPWA技术方案试验和评估,与主流通信设备和技术方案厂家建立广泛的合作关系,以实现物联网业务的全面开展和持续运营。

关键词:物联网 LTE 智能水表 Actility LPUC