赛迪内刊:我国低功耗广域网络(LPWAN)发展及展望
通信产业网|2017-11-14 10:47:10
作者:孙美玉来源:赛迪智库无线电管理研究所

所长导读——赛迪智库无线电管理研究所所长 李宏伟

当前,物联网实现泛在互联通信是新一代信息通信领域的创新目标,按照通信距离应用,可以分为短距离通信技术和远距离通信技术。为解决当前物联网终端功耗较高、无法适应海量终端连接、广域覆盖能力不足和成本问题等难题,远距离无线通信技术(LPWAN)作为当前物联网技术的重要组成部分,成为该领域的新热点,它能够适应长距离、广覆盖终端设备连接的应用场景需求。

当前,低功耗广域网在全球快速发展, 根据全球GSMA的统计数据,到2020年,整个物联网行业将具备更大发展能力,其中LPWAN的应用连接数将占到物联网总连接数的60%,其重要性不言而喻。我国也一直积极推进物联网相关产业发展,国内产业政策支持力度不断加强,产业和市场规模持续扩展,具有巨大发展潜力。

“本期主题”围绕“我国低功耗广域网络(LPWAN)发展及展望”这一主题,介绍了我国低功耗广域物联网市场规模及产业概况、面临的机遇、应用场景和重点案例,并提出我国低功耗广域网络发展建议。“国际观察”栏目,研究探讨了国外低功耗广域网发展情况及对我国的启示。“政策解读”对《工业和信息化部办公厅关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》进行了解读。“热点分析”对工信部正式发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》、IMT-2020推进组主办的5G峰会、《无线电频率使用许可管理办法》发布三个热点事件进行了解析。

期望本期内容能得到各级政府部门和业界的关注。希望我们的研究成果能为上级领导部门以及地方无线电管理机构起到决策支撑作用,为相关产业发展提供理论支持。


一、概述

当前,物联网实现泛在互联通信是新一代信息通信领域的创新目标,按照通信距离应用,可以分为短距离通信技术和远距离通信技术。为解决当前物联网终端功耗较高、无法适应海量终端连接、广域覆盖能力不足和成本等困难,远距离无线通信技术(LPWAN)作为当前物联网技术的重要组成部分,成为该领域的新热点,适应长距离、广覆盖终端设备连接的应用场景需求。

当前,LPWAN应用主要分为两大主流阵营,一是LoRa、SigFox等给予非授权频段的应用,二是由3GPP主推的基于授权频谱,采用蜂窝移动通信技术的NB-IoT等,在国际化产业推进过程中,LoRa和NB-IoT属于相对研究和应用较为超前的,两者技术参数对比如下:

表1.png

二、我国低功耗广域物联网市场规模及产业概况

当前,低功耗广域网在全球快速发展, 根据全球GSMA的统计数据,到2020年,整个物联网行业将具备更大发展能力,其中LPWAN的应用连接数将占到物联网总连接数的60%,其重要性不言而喻。我国也一直积极推进物联网相关产业发展,国内产业政策支持力度不断加强,产业和市场规模持续扩展。根据相关统计数据,预计到2020 年,国内物联网市场的总体规模将超过1.8万亿元。二、我国低功耗广域物联网市场规模及产业概况

(一)低功耗广域物联网产业潜力持续增加

2015年是LPWAN技术及产业发展的重要一年,国内相应市场的整体规模达到5.474亿元人民币,其中模块约为2.32亿元,网关约为8000万元,其他设备约为1640万元。与此同时,根据物联网智库的预测数据,预计到2020年,国内LPWAN接入设备将达到1.97亿个,与2015年(580万)相比增长两倍多,而行业市场规模将达到30.14亿元,相比2015年5.474亿增加近五倍,显示出强大的发展潜力。尤其是2017年NB-IoT开始正式推进规模化试点和商用后,2017-2020年是国内LPWAN连接数量大规模爆发的年份,各个层面都将得到深入扩展。

(二)低功耗广域物联网链基本完备

当前国内LPWAN产业链基本完备,相应的芯片、技术市场和规模试点应用等各个环节推进比较顺利,而且国内低功耗物联网市场没有被动的等待欧美市场发展成熟后的复制,而是自始至终参与到相应的技术标准制定、试点应用当中,致力于占据竞争主动权,如华为、中兴等国内设备商和三大运营商,在技术研发创新和规模试点应用等领域都取得了一系列先进经验。

三、我国低功耗广域网络发展面临的机遇

当前,我国低功耗广域网络发展的重点是窄带物联网(NB-IoT)。随着2016年NB-IoT标准获得国际组织3GPP通过,以及近期工业和信息化部《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》的发布,NB-IoT技术和产业在2017年迎来重大发展机遇,总体来讲有以下几个方面:

1、标准化工作完成助推NB-IoT产业化进程

相比于目前诸多非标准化的技术,有着全球标准的NB-IoT对于蜂窝移动通信运营商更为安全、可靠,标准化工作的完成,也使得产业链相关企业开始加速布局,标准化工作的完成为NB-IoT进入规模化商用阶段带来重大利好。作为窄带蜂窝物联网的唯一通信标准,使得NB-IoT相较其他技术如LoRa等更具优势。

2、产业政策出台为我国NB-IoT产业的健康发展提供有力保障

2017年6月,工业和信息化部发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》,从政策层面明确支持NB-IoT技术标准和行业应用,从技术标准、资源分配、资金管理、政策保障多个方面助力和保障我国NB-IoT产业的健康可持续发展,从推广NB-IoT在细分领域的应用、逐步形成规模应用体系、优化NB-IoT应用政策环境、创造良好可持续发展条件等多方面提出14条具体措施,对我国NB-IoT产业的健康快速发展意义重大。

3、NB-IoT规模化商用迎来发展机遇

当前,我国三大运营商NB-IoT加速布局,中国移动在江西鹰潭建成全国首个地级市全域覆盖的窄带物联网(NB-IoT),同时实现了业务终端与物联网平台的双向数据传输。并于8月3日和8月4日发布了两则关于NB-IoT的重磅采购公告共计投入395亿元。中国电信发布“NB-IoT(窄带物联网)企业标准”,并启动了广东、江苏等7省12市的大规模外场实验。中国联通则在广东开通了首个标准化NB-IoT商用网络,并在上海迪士尼乐园进行了大规模NB-IoT外场启动实验,为游客提供实时停车位信息等服务。随着三大运营商NB-IoT商用部局的加快,整个产业链迎来重大发展机遇,一批设备商、芯片商、终端厂商将先后受益。

四、低功耗广域网络应用场景

LPWAN能够实现城域范围内物联网低成本全覆盖,非常适合城市中远距离传输、通信数据量很少、需电池供电长久运行的物联网应用:

(一)智能停车

停车难是城市、风景区等车流量大的地区交通管理面临的最大问题之一,也是造成交通拥堵的一个重要原因。基于NB-IoT的智能停车解决方案可以轻易实现停车行为的实时监控,实时协调停车位的供求,远程对停车位进行预订和转租,实现对交通的科学引导和停车资源的高效利用。除了智能停车以外,NB-IoT技术还被成功应用于智能路灯、智能垃圾箱、智能井盖等智慧城市领域。

(二)智能抄表

智能抄表是NB-IoT最重要的应用之一。对于水、电、气、热等城市基础设施管理来说,人工抄表是行业管理的重要成本之一。基于NB-IoT的智能抄表通过蜂窝网络远程自动采集水、电、气、热等数据,而且由于功耗低智能计量终端能够连续工作多年,从而可以节省大量现有人工成本。由于水、电、气、热等公共事业涉及到上亿规模用户,市场前景十分广阔。

(三)智能物流追踪

对于集装箱运输、冷链运输等一些大宗或贵重物品的运输来说,通过NB-IoT系统传递GPS、北斗等定位信息,可以实现全国范围内实时地跟踪人、货物甚至动物的位置和状态。当目标位置或者状态发生了异常变化,能够及时通知或者向管理人员告警,以便他们实时获取状态,并能够提供信息供下一步工作参考。智能跟踪有助于对突发事件做出及时的反应。这一类的应用场景还包括车辆防盗、车辆调度、旅行箱位置追踪、快递品追踪、易失物品追踪等。

(四)可穿戴应用

NB-IoT网络与消费电子产品、可穿戴设备相结合可以实现老人、小孩、残疾人、宠物等的关爱定位,可以用于慢性病患者血压、心跳、体温等健康状态的无线监测,当病人状态发生了异常变化,能够及时通知家属或者向关联医护中心告警,准确定位病人并采取急救措施。

(五)智能环境监测

由于环境污染来自生产生活的方方面面,种类繁多且很多污染对于人工检查来说会产生危害。基于NB-IoT技术的智能传感器可以长期工作在各种有风险的恶劣环境中,及时提供水质、土壤、空气及各种污染的监测数据,及时发现和预防环保问题。NB-IoT技术还可以用于智能道路设施监测、重要设备状态监控、家电管理、管道管廊安全监控、智能水浸以及塌方、泥石流、森林火灾等灾害监测和预防。

(六)智慧农业

智能化是大规模现代农业、畜牧养殖业发展的方向。智慧农业需要采集大量的大气压力、湿度、温度等环境数值以及光照、土壤、水质等数据,畜牧业需要采集草场生长情况、气候情况等数据。NB-IoT技术一方面可以有效地满足这些需求,另一方面低成本优势有利于在中小农场中的推广应用。 在林业、渔业生产以及菌类养殖等领域也存在类似的情况。

五、国内低功耗广域网重点应用案例

(一)华为

1、基于NB-IoT的智能垃圾箱解决方案

在“2016年巴塞罗那通信展”期间,华为公司展示了基于NB-IoT的智能垃圾箱解决方案,提升垃圾车运行效率1倍以上,大大提升城市垃圾车调度效率,节省了城市管理运维成本。

通过采用NB-IoT相关技术对设定环保服务区域中的垃圾箱进行智能化升级改造,装入NB-IoT无线芯片,对垃圾箱中垃圾数量进行智能监控并及时将相关的数量信息上传给上层管理服务器。通过对区域内垃圾箱信息的综合统计和深入分析,对相应的垃圾车辆派送规划最佳的出行方案,是“智慧城市”中重要的组成内容。

2、上海智能停车解决方案

2016年7月1日,华为与上海联通正式公布NB-IoT智能停车解决方案。双方在上海国际旅游度假区进行了全球首个基于NB-IoT技术的区域覆盖:在停车场进行了300多个智能车检器的布控,并提供了基于手机终端的一体化服务,实现了终端、基站、服务器、手机客户端应用的端到端一体化服务。区域内用户可以通过手机查询实时了解车位信息,并通过预定、导航、支付等手段及时找到合适的车位,提高了停车场车辆统筹管理效率,一定程度上实现了智能泊车,成为城市智慧交通的范例。

2017年4月,上海闵行浦驰路公用路面停车系统也采用了基于NB-IoT通信模块的车检器,同样提供包括终端、基站、管理平台、业务应用在内的端到端服务。通过对车位占用、用户缴费等信息的统计分析,每位路面交通管理员有效管理车位数量从15个提升到30-50个,未来该系统与当地征信系统连通后,有效管理车位数量估计可达百余辆,能大大提升提高管理效率,并为智慧城市中的交通管理提供数据支撑。

3、共享单车创新经济应用

共享单车在我国的发展势头迅猛, 2017年2月,ofo、华为和中国电信开发基于NB-IoT技术标准的新型共享单车解决方案,致力于打造全球领先范例,华为提供NB-IOT相关硬件芯片和网络技术。

2017年4月,ofo在北京大学投放100辆NB-IOT共享单车进行了测试,2017年9月在北京市投放10万辆NB-IOT共享单车。NB-IoT技术将实现车辆定位、故障上报、开锁和关锁等功能的智能控制,与中国电信的无线网络连接,为用户提供更好的出行体验。2017年,6月ofo宣布,联合华为共同研发的全球首款共享单车NB-IoT“物联网智能锁”,开始正式应用到ofo小黄车上。

4、深圳智慧水务案例

2017年3月,深圳水务集团与华为公司等共同发布全球首个NB-IoT物联网智慧水务商用项目,成为与智慧城市应用的成功案例之一。该项目采用基于NB-IoT技术标准的智慧水表为水务部门提供高精度、广覆盖的监测水务数据,通过深圳电信的网络将水表信息与数据与深圳水务集团水务管理平台进行互接联通,实现水务统筹与调度的有效和规范化。

当前,该项目已经在福田、盐田等地域 的很多小区进行了NB-IoT智慧水表布控,数量超过1200只,后期逐渐向深圳至全国扩展。未来将进一步扩展社会管理功能,通过对用户数据的采集和挖掘分析,为当地政府部门实现水资源有效管理提供依据,主力提升“智慧城市”创新管理与民生服务的能力。

5、杭州智慧路灯案例

2017年3月,华为联合杭州电信等建成浙江省内第一个基于NB—IoT技术标准(窄带物联网)的智慧照明项目,打造省内创新物联网应用范例。通过无线控制,智能路灯可以按需实现动态照明,同时根据数据挖掘分析,还可以对灯光的亮度等进行控制,解决能源。

此外,依托全杭州市灯杆覆盖范围广的特点,后期将考虑将多种市政管理应用与其相结合,打造以路灯杆为管道枢纽的泛在城市管理物联网。

(二)中兴

1、基于NB-IoT的智能井盖解决方案

井盖是影响道路安全中的重要因素之一,在我国南方很多城市,尤其是发生降水季、洪水发生等情况,城市道路无法及时排水,井盖被冲开或者移位不能及时被发现,就会造成很大安全隐患。

中兴公司与中国移动合作研发了一款基于市政管理的物联网应用---智能井盖。采用NB-IoT技术实现对区域内所有井盖的有效、可控监测,对于井盖的实时状态进行采集、上报和分析处理,尤其是在井盖被打开、发生位置移动等情形下,能够及时发布状态和警示信息,消除很多安全死角隐患,降低了城市运维成本。

2、智能停车项目

2016年10月,中兴和浙江移动开发成功智能停车业务,打造有效NB-IoT业务案例,对推动NB-IoT产业进一步完善具有积极作用。

该项目通过地埋式检测设备对周围磁场变化情况进行检测,从而获取到有关车位的占用信息并进行及时上报。NB-IoT网络负责将相关的信息传送到中心的指挥管理平台,通过对相应的车辆分布和车位状态信息的实时了解,司机可以快速找到合适自己的车位并进行及时的费用支付,操作简单,提高了停车场的管理运行效率,节省管理成本。同时,也提升了城市道路停车管理的科学和规范化,对提升交通效率、减缓交通污染也有积极作用。

3、“智能水检测”五水共治

2016年10月,中兴、浙江移动在乌镇开展“智能水监测”试点,通过广覆盖,在大范围水域布控多采集点,及时采集相关水域的数据信息并进行上报,管理中心对信息进行智能处理和分析,同时实现与乌镇政府部门的“五水共治”平台应急联动。

“智能水检测”五水共治项目终端中布控多种水监测传感器、NB-IoT芯片和通讯模块,对水质变化参数进行实时采集,并通过网络传输至云平台控制中心。处理中心对信息进行挖掘处理,可以形象的获取覆盖水域水质、水位、温度、流量等信息,对于一些紧急情况进行预警和及时处理,提升城市水环境管理的工作效率,成为智慧城市建设的重要内容之一。

4、雄安新区NB-IoT部署

2017年,为助推雄安新区打造对外开放新高地,中兴通讯配合中国电信在雄安新区的网络建设,推进新区智慧市政管理等新型智慧应用部署实施。

(1)智慧停车:在雄安新区管委会办公地院内部署智慧停车系统,该系统除正常的停车识别外,还可实现车位管理、车位预定、停车诱导、反向寻车等多种智慧管控功能。

(2)智慧井盖:在奥威路部署智慧市政井盖监测系统,实现对井盖的异常位移、大角度偏转等危险动作进行监测和报警,确保车辆和行人安全。

(3)智慧路灯:在奥威路部署智慧路灯管控系统,实现路灯的开关、光照调节、手自动控制、异常告警等功能。

目前,上述系统均已完成终端测试及安装调试。

(三)海尔

1、全球首款NB-IoT海尔智能门锁

2017年7月27日, “智能家居行业NB-IoT应用推广高峰论坛”在北京召开。海尔正式公布全球首款搭载NB-IoT技术的海尔智能门锁—云锁上市,为打造NB-IoT在智能家居领域的创新应用体验和新生态提供了很好的范例。

NB-IoT海尔智能门锁能实现稳定的“永在线”服务,操作简单,稳定性强。与此同时,海尔将以此为切入点,带动一系列智能家居采用NB-IOT技术,衍生一系列新型增值服务。最终通过连通家庭安防、娱乐、生活在内的所有智能生活场景网络设备,实现对整个家庭生活环境的远程控制、安防预警、节能环保等,助推海尔智慧安防生态产业落地。

2、NB-UHomeKit智慧家居解决方案

2017年7月,海尔发布智能家居行业首个NB-IoT开源应用解决方案NB-UhomeKit,引领行业迈入物联标准新台阶。目前,智能空调、智能门锁、智能社区洗衣机三类设备以NB-IoT技术接入U+平台。

(1)家用电器类设备——家用空调:采用优化的设备端、APP端、云端的NB-UhomeKit,轻松接入、无需配网、使用简便,泛在连接稳定。

(2)电池供电类设备——智能门锁:功耗低、安全性强、信号覆盖好、信息传送及时。

(3)商用电器类设备——社区洗衣机: 实时监控、上电即用、信号广覆盖、成本低。

(四)鹰潭NB-IoT示范应用

鹰潭市是全球首个具有三张全域覆盖NB-IoT网络的城市。目前,鹰潭成功孵化出NB-IoT产品30余种,在实际场景试点应用的领域15个,终端连接数近2000个。

表2.png

六、我国低功耗广域网络发展建议

(一)成立低功耗广域网络创新应用生态联盟

统筹政府部门、企业、科研单位和院校资源,提供低功耗广域网络创新应用产业咨询、管理与重大前瞻性、战略性问题研究等服务,使政府统筹具体情况制定有针对性的扶持政策,成为衔接政府、企业和用户之间的桥梁。同时合理设计产业联盟架构,平衡“产学研”中“学研”和“产”的比例,更好地发挥作用。

(二)地方政府及时制定针对低功耗广域网络发展应用的规划

目前,我国部分经济发达地区针对低功耗广域网络的产业应用有一些成功案例,但总体上还缺乏科学合理的上层规划设计。因此各地应结合自身智慧城市建设等时机需求制定相关规划,发挥对当地低功耗广域网络产业的纲领性作用。同时因地制宜,结合城市管理和产业发展需求,拓展基于低功耗广域网络技术的新应用、新模式和新业态,开展低功耗广域网络试点示范,并逐步扩大应用行业和领域范围。

(三)加大投资和企业支持力度

统筹运用支持产业发展、促进科技创新等方面的专项资金,对符合条件的企业给予重点支持,培养一批有创新竞争力的骨干企业和品牌。积极推广政府和社会资本合作(PPP)模式,拓展云计算融资渠道,培育市场投资主体。鼓励政策性担保机构加大对低功耗广域网络产业融资担保的支持力度。推动金融机构强化信贷支持,围绕产业发展开发创新金融产品,积极开展定向服务。

(四)探索在公安、消防等专网领域开展低功耗广域网络的创新应用范例

结合实际工作需求,探索低功耗广域网络技术与智能消防探测、警用监控相结合的应用场景,推动创新融合。利用低功耗广域网络技术搭建广覆盖的网络,实现对救灾、案件的监控和控制,提升政府服务效能。同时探索与典型低功耗广域网络公网中数据资源的互通和共享模式,强化沟通和协作,进一步扩展和深化低功耗广域网络在各行业中的应用。

(五)探索运营商移动互联网业务合作收费模式

当前中国移动、中国电信和中国联通三大运营商都积极响应政策号召,开展低功耗广域网络部署和产业应用示范,取得很多成果和先进经验。未来低功耗广域网络技术及产业化在国内大规模推进是趋势,运营商之间可以统筹规划资源,强化交流和协作,创新合作模式,开展网络基础设施、技术方案共享和运营模式协作等方面的研究,提高区域内资源利用效率。

(六)强化周边地区协同合作

统筹多方产业链上、中、下游资源,推进周边省市区域性合作创新发展模式,创建产业协同发展共同体,打造一批知名区域低功耗广域网络品牌。在推进重点、中心城市城域网建设和应用示范的基础上,强化资源共享和互通,同周边地区在电子政务、重点行业和民生服务等领域积极开展协同合作,推动低功耗广域网络创新应用产业的区域化协同发展。

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责任编辑:党博文

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