中國聯(lián)通研究院 北京 100032

引言

作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)被預(yù)言為全球信息產(chǎn)業(yè)的又一次科技與經(jīng)濟(jì)浪潮，受到各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的重視[1-2]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及市場需求的多樣化，移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用。然而，基于移動蜂窩通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在功耗大、成本高等劣勢，移動網(wǎng)絡(luò)的承載能力很難滿足物與物的連接需求，當(dāng)前，真正承載在移動網(wǎng)絡(luò)上物與物的連接僅占到連接總數(shù)的6%[2-4]。在這種情況下，若要滿足日益增長的遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接需求，必須要引入一些新的技術(shù)來增強移動網(wǎng)絡(luò)的能力，由此，LPWA技術(shù)應(yīng)運而生。

LPWA (Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù) )是一種可適配M2M(Machine to Machine，機器對機器)業(yè)務(wù)的新型無線接入技術(shù)，具有流量小、連接數(shù)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(wǎng)絡(luò)[4-6]。而目前，低功耗正是M2M通信應(yīng)用的一個主要需求[7]。為此，國際標(biāo)準(zhǔn)組織對于廣域低功耗M2M技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成一直在積極推動中，其中，3GPP已加快NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，計劃于2016年正式形成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)。GSMA方面也通過發(fā)起Mobile IoT Initiative項目，積極授權(quán)頻譜廣域低功耗接入技術(shù)。

1 低功耗M2M技術(shù)及業(yè)務(wù)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(biāo)準(zhǔn)組織對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作的積極推動，低功耗M2M業(yè)務(wù)的市場前景十分廣闊。目前，已有物與物的連接大多由藍(lán)牙、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)承載，而非運營商的移動網(wǎng)絡(luò)，低功耗M2M在技術(shù)、需求側(cè)重等方面與傳統(tǒng)移動通信業(yè)務(wù)存在的差異，也使得其運營工作面臨挑戰(zhàn)。

2015年4月，GSMA的研究報告定義了7種LPWA應(yīng)用分類：農(nóng)業(yè)、環(huán)境、消費品、工業(yè)、物流、智能樓宇以及智慧城市/公共事業(yè)。GSMA的LPUC項目組將這些應(yīng)用分類細(xì)分為以下應(yīng)用案例，具體劃分如下。

1)公共事業(yè)：天然氣以及水計量，配水網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，微型發(fā)電。

2)工業(yè)：設(shè)備狀態(tài)，工廠控制、處理以及安全監(jiān)控。

3)物流：工業(yè)資產(chǎn)，集裝箱跟蹤(位置及狀態(tài)更新)。

4)智能樓宇：報警系統(tǒng)，制動器，空調(diào)系統(tǒng)，接入控制。

5)消費品及醫(yī)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(yuǎn)程監(jiān)控。

6)農(nóng)業(yè)及環(huán)境：農(nóng)業(yè)應(yīng)用(養(yǎng)殖及土地監(jiān)測、禽畜跟蹤)，環(huán)境監(jiān)測(污染、噪聲、雨、云、河水流速、健康危害、井等的數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控)。

1.1 低功耗M2M技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用情況

經(jīng)過2015年底3GPP會議對3GPP NB-IoT技術(shù)范圍的進(jìn)一步明確，目前，國際上主流的低功耗M2M候選技術(shù)主要有4種：3GPP LTE演進(jìn)技術(shù)LTE eMTC、3GPP NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-LTE，以及非3GPP技術(shù)中Sigfox主導(dǎo)的技術(shù)和LoRa聯(lián)盟主導(dǎo)的技術(shù)[5]。四種候選技術(shù)的主要指標(biāo)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(shù)中，兩種非3GPP技術(shù)均已實現(xiàn)商用。SigFox公司的低功耗M2M網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的新市場，另外，SigFox還計劃與一些創(chuàng)業(yè)公司和設(shè)備制造商開展合作，以求創(chuàng)造出最好的資源[6]。荷蘭電信和比利時電信選擇了LoRa技術(shù)作為其M2M行業(yè)解決方案支撐，并進(jìn)行了少量的商業(yè)化部署，法國Actility公司則將LoRa與oneM2M相結(jié)合，形成M2M整體結(jié)合方案并進(jìn)行相關(guān)的商業(yè)化推廣。在國內(nèi)，中國電信對LoRa技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)實驗，富士康等非電信運營商企業(yè)也將LoRa技術(shù)與自身生產(chǎn)結(jié)合，如采用LoRa建立工廠網(wǎng)絡(luò)等。

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

表1 低功耗M2M候選技術(shù)主要指標(biāo)對比

表2 低功耗M2M候選技術(shù)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(guī)模和百倍于2G的靈敏度，覆蓋增益高達(dá)20dB。

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

3)大連接。NB-IoT具有頻譜效率高，小包數(shù)據(jù)發(fā)送的特征，終端激活比極低，每小區(qū)的連接數(shù)可高達(dá)5萬。

4)低成本。NB-IoT通過對射頻硬件、協(xié)議以及基帶實現(xiàn)復(fù)雜度的簡化，大大降低了技術(shù)實現(xiàn)成本，模組成本僅為5$。

以上四大顯著優(yōu)勢使得NB-IoT技術(shù)能夠?qū)ｉT定位“低頻、小包、時延不敏感”的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，因此，NB-IoT也成為了主流運營商窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的首選技術(shù)，預(yù)計于2017年可實現(xiàn)商用。

1.2 低功耗M2M業(yè)務(wù)特點及運營挑戰(zhàn)

低功耗M2M業(yè)務(wù)與當(dāng)前移動寬帶業(yè)務(wù)的區(qū)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(yè)務(wù)的主體客戶為個人客戶，低功耗M2M業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)主體客戶的需求主要是較低的網(wǎng)絡(luò)時延、較低的流量資費和高帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接，低功耗M2M業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)部署和使用、IDC和云虛擬機等基礎(chǔ)設(shè)施的建立健全等。再次，兩種業(yè)務(wù)的ARPU值和連接數(shù)特點不同。與低連接數(shù)高ARPU值的移動寬帶業(yè)務(wù)不同，低功耗M2M在M2M業(yè)務(wù)中具有最多的連接數(shù)和相對較低的ARPU值。如何讓低ARPU值的M2M業(yè)務(wù)形成具有顯著收益的業(yè)務(wù)板塊，也是低功耗M2M運營工作面臨的一大挑戰(zhàn)。

1.3 低功耗M2M業(yè)務(wù)市場預(yù)測

據(jù)市場分析公司Analysys Mason的預(yù)測報告，按單一LPWA連接平均年收入2～3美元計算，預(yù)計2015～2017年間，LPWA業(yè)務(wù)全球總年收入為4.5億美元。到2018年，LPWA業(yè)務(wù)將實現(xiàn)快速增長，連接數(shù)達(dá)到4.2億，年收入將達(dá)9.7億美元。而到2022年，LPWA的連接數(shù)將增長至27億，全球LPWA業(yè)務(wù)總年收入有望達(dá)到75億美元。圖1、2展示了全球LPWA總連接數(shù)和業(yè)務(wù)年收入的變化趨勢。根據(jù)這一市場預(yù)測我們也可以看出，運營商在2018年之前加速完成LPWA商業(yè)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(yè)務(wù)連接數(shù)占比及變化趨勢

2 運營商M2M業(yè)務(wù)運營現(xiàn)狀

隨著行業(yè)應(yīng)用的廣泛以及客戶需求的增加，國內(nèi)外電信運營商對M2M業(yè)務(wù)的投入都在不斷加大[8]。在國外，大部分運營商都已經(jīng)成立了專門針對M2M物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的運營中心、專業(yè)支撐平臺和高素質(zhì)的專家隊伍[9-10]。他山之石，可以攻玉，研究國外運營商M2M業(yè)務(wù)的運營現(xiàn)狀，一方面可以把握當(dāng)前國際上M2M業(yè)務(wù)運營的前沿動態(tài)和發(fā)展趨勢；另一方面，鑒于國外運營商在M2M領(lǐng)域的發(fā)展較為領(lǐng)先，我國運營商也可以參考借鑒其運營思路，并從中吸取經(jīng)驗。

2.1 國外運營商M2M業(yè)務(wù)運營現(xiàn)狀

1)AT&T。作為最早進(jìn)入M2M市場的主要運營商，AT&T將M2M業(yè)務(wù)作為公司發(fā)展的重心，積極實行開放平臺戰(zhàn)略。主要進(jìn)展有：①開發(fā)了M2X平臺構(gòu)建M2M設(shè)備云，可提供M2X平臺設(shè)備時間序列數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備接入和管理API、數(shù)據(jù)分析和可視化API、時間觸發(fā)和通知API支持；②基于M2X平臺構(gòu)建了M2M開發(fā)社區(qū)，可提供包含開發(fā)板、設(shè)備接入API、各開發(fā)環(huán)境SDK在內(nèi)的M2M設(shè)備開發(fā)套件支持。

2)德電。在運營商中，德國電信也是積極推動M2M發(fā)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(guī)模，為客戶提供一站式服務(wù)。主要進(jìn)展有：①開發(fā)了M2M設(shè)備云形成M2M開發(fā)社區(qū)，可提供M2M設(shè)備開發(fā)套件、M2M云設(shè)備接入API、M2M云設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)可視化API支持。②利用M2M行業(yè)解決方案交流平臺推動M2M設(shè)備云，可通過其向用戶展示收集的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)解決方案、幫助用戶與行業(yè)解決方案提供商建立聯(lián)系、向用戶和解決方案提供商提供運營商網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備云服務(wù)。

3)Orange。在法國，SigFox已在全國部署物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，Bouygues則宣布2016年支持LoRa，在此形式下，法電考慮到NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)，急于快速部署物聯(lián)網(wǎng)而選擇了LoRa技術(shù)。Orange已于2016年第一季度推出了LoRa網(wǎng)絡(luò)。

4)Vodafone?？鐕砸苿与娫掃\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(yè)務(wù)。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(guī)模部署商用。

總結(jié)來看，對于M2M業(yè)務(wù)，國際運營商的運營思路可大體概括為：從單純的網(wǎng)絡(luò)運營不斷向上層M2M應(yīng)用支撐服務(wù)進(jìn)行滲透。在初期主要以網(wǎng)絡(luò)連接為盈利核心，通過低價或者免費的設(shè)備及云服務(wù)發(fā)展用戶、培育生態(tài)、匯聚數(shù)據(jù)。待到M2M生態(tài)成熟之后，實現(xiàn)三大類業(yè)務(wù)產(chǎn)品的盈利，之后再逐漸引入M2M增值服務(wù)，探索從M2M流量計費到業(yè)務(wù)計費轉(zhuǎn)變的運營策略。

2.2 國內(nèi)運營商M2M業(yè)務(wù)運營現(xiàn)狀

中國移動于2012年出資成立中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司，專業(yè)運營物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)，推動物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)的規(guī)模應(yīng)用。中國移動高層表示，公司要盡快研究基于900MHz或1800MHz的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，做好專項研究及試點工作，并分省份提出應(yīng)用需求，制定NB-IoT計劃。

中國電信物聯(lián)網(wǎng)分公司也在全面布局物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，推動中國電信物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)全面深化改革，希望通過公司化，實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的實體化跨越式發(fā)展。中國電信將物聯(lián)網(wǎng)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(shè)計，同時找省分、行業(yè)一起做驗證測試工作，預(yù)計于2016～2017年試點NB-IoT，2017～2018年實現(xiàn)規(guī)模商用。

3 運營商在物聯(lián)網(wǎng)低功耗產(chǎn)業(yè)鏈的合作機會

繼工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》以來，電信運營商將物聯(lián)網(wǎng)作為一個新的收入增長點大力推進(jìn)。在這一過程中，運營商應(yīng)當(dāng)把握住網(wǎng)絡(luò)核心，以發(fā)展用戶為目的，在物聯(lián)網(wǎng)低功耗產(chǎn)業(yè)鏈中不斷探索，尋找業(yè)務(wù)合作機會。

3.1 終端層面生態(tài)培育與合作

運營商在終端層面的生態(tài)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(yīng)大力推廣能夠支持低功耗M2M通信協(xié)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(yīng)對包括模組、芯片以及OS等在內(nèi)的成熟終端解決方案進(jìn)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(yè)終端：運營商應(yīng)積極推動終端解決方案以實現(xiàn)行業(yè)終端的整合，發(fā)布一些模式化的成功案例，定制和推廣滿足需求的物聯(lián)網(wǎng)低功耗行業(yè)終端，必要時可實行終端補貼。

3.2 平臺層面生態(tài)培育與合作

在平臺層面，運營商應(yīng)基于松耦合架構(gòu)，合作建設(shè)運營商低功耗M2M平臺。如圖3所示，此低功耗M2M平臺應(yīng)當(dāng)能夠提供包含連接管理平臺、共性業(yè)務(wù)能力平臺、云解決方案、數(shù)據(jù)開放與應(yīng)用開發(fā)平臺在內(nèi)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(shè)

進(jìn)一步地，運營商要利用行業(yè)生態(tài)合作的機會進(jìn)行平臺生態(tài)共建?；谏鲜鲞\營商低功耗M2M平臺，基于授權(quán)頻段下的NB-IoT接入技術(shù)，利用oneM2M標(biāo)準(zhǔn)API及自定義API與第三方合作共建oneM2M生態(tài)圈，并將運營商低功耗M2M平臺SDK結(jié)合上述API形成白皮書和指南發(fā)布，用于終端及行業(yè)應(yīng)用解決方案方面的推廣合作。

3.3 行業(yè)解決方案層面生態(tài)培育與合作

如圖4所示，在行業(yè)解決方案層面，運營商一方面要多渠道收集各類物聯(lián)網(wǎng)低功耗行業(yè)解決方案(如智能抄表、油田監(jiān)控、智慧醫(yī)療等)，其自身也可以向合作廠商或者運營商內(nèi)部研發(fā)團(tuán)隊定制優(yōu)質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)低功耗行業(yè)解決方案，建立起物聯(lián)網(wǎng)低功耗行業(yè)解決方案需求池；另一方面，從行業(yè)客戶以及省公司、集團(tuán)客戶部那里收集需求，進(jìn)而從中幫助客戶與行業(yè)解決方案提供商建立聯(lián)系，也可利用自身的客戶優(yōu)勢推廣行業(yè)解決方案。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)低功耗行業(yè)解決方案層面的生態(tài)培育與合作

4 結(jié)論

龐大的通信業(yè)務(wù)量加之多種多樣的應(yīng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定、設(shè)備的研發(fā)到業(yè)務(wù)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(zhàn)。在這種形勢下，運營商一定要密切跟蹤各類LPWA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，做好技術(shù)儲備，避免單一LPWA技術(shù)不能滿足所有物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的問題。同時，積極開展各類LPWA技術(shù)方案試驗和評估，與主流通信設(shè)備和技術(shù)方案廠家建立廣泛的合作關(guān)系，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的全面開展和持續(xù)運營。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱洪波,楊龍祥.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報,2011,31(1):1-9

[2] 嚴(yán)炎,陶志強.運營商應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)策略淺析[J].移動通信,2012(5):71-73

[3] 黃海峰.4.5G商用大潮來襲NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)將出爐[J].通信世界,2015(30):31-31

[4] 史敏銳.移動通信網(wǎng)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的研究[J].電信科學(xué),2010(4):12-15

[5] 夏瑩瑩,劉琛,邵震.LPWA,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機遇[J].通信企業(yè)管理,2007,22(2):12-14

[6] Xiong X,Zheng K,Xu R,et al.Low power wide area machine-to-machine networks:key techniques and prototype[J].Communications Magazine,IEEE,2015,53(9):64-71

[7] 續(xù)合元.M2M的業(yè)務(wù)范疇及其技術(shù)發(fā)展[J].中興通訊技術(shù),2014(1):44-47

[8] 王志勤.4.5G主要研究方向及產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景[J].移動通信,2015(17):19-19

[9] 孫亮,高寅欣,孫一平.電信運營商物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展挑戰(zhàn)及策略建議[J].郵電設(shè)計技術(shù),2015(2):83-87

[10] 張小東,王景福.國外運營商外向型M2M與移動互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展趨勢[J].廣東通信技術(shù),2015,35(5):7-9