NB-IoT划归5G，为5G垂直行业的拓展“趟平道路”

近日，3GPP正式向ITU-R（国际电信联盟）提交5G侯选技术标准提案。其中，低功耗广域物联网技术NB-IoT被正式纳入5G候选技术集合，作为5G的组成部分与NR联合提交至ITU-R。据悉，ITU-R对提交的5G标准提案进行复核后，将于2020年正式对外发布。

这将意味着，NB-IoT可在NR in-band部署，支持接入5G核心网；同时，NB-IoT 3GPP标准将持续演进，成为5G mMTC关键组成部分。

对于NB-IoT未来的发展，3GPP曾指出NB-IoT将继续服务于5G LPWA用例（即mMTC，海量机器通信），成为5G技术规范中不可或缺的组成部分。若提案最终复核通过，那么在明年6月份的ITU会议之后，NB-IoT将正式成为5G mMTC的一个可以演进的方向。

7月31日，在“5G物联网产业生态大会”上，华为蜂窝物联网产品线副总裁刁志峰表示，“NB-IoT在协议标准上属于5G，这一块的部署可称为5G NB-IoT；此外，投资NB-IoT，就是投资5G。”

5G技术的应用场景是方方面面的，按照不同的技术特点，可以分为以下几种：

NB-IoT为什么能够成为5G mMTC的标准呢？雷锋网通过其他途径了解到，有观点认为：

2018年，NB-IoT技术经历了高速的发展，用一年时间走完2G六年的路，预计2019年NB-IoT全球连接数将过亿，其模组价格与2G模组持平，价格方面将小于22RMB（甚至低至15RMB）。

就现阶段NB-IoT全球商用网络的部署，雷锋网了解到，其已有79家商用网络运营商入局，而LTE-M为31家。相比eMTC和LoRa，NB-IoT凭借技术和产业优势，在美国已有较好的网络覆盖情况，成为美国四大运营商AT&T、T-Mobile、Sprint和Verizon新的赛道。此外，商用情况较好的NB-IoT应用案例其优势也慢慢凸显出来。

NB-IoT在国内大规模的商用案例，主要有以下几个方面：

在海外，NB-IoT已实现的大规模商用的应用案例则有，例如：摩托车监控（泰国）、羊联网（挪威）、气表（韩国）、智慧门锁（西班牙）、智慧停车（德国）等，未来NB-IoT还将继续发力海外市场。

刁志峰在会上表示，NB-IoT业务场景将从2G/2B向2C端延展，2019年燃气、水表、烟感、电动车防盗将进入干万级规模；而门锁、跟踪类、白电等将进入百万级规模；此外，智慧社区、智慧家庭将成为新的场景化规模应用的市场。

华为既做NB-IoT芯片，也做5G芯片，那么该提案通过后，是否会给华为现有的产品形态带来影响，先前已上线的NB-IoT基站和应用是否面临退网风险？

雷锋网了解到，该提案提交的信息就是华为现在的产品，因此对华为NB-IoT芯片和5G芯片的产品形态没有任何影响。

5G的到来，对NB-IoT的应用也不会有任何影响。NB-IoT属于5G，它可以部署在5G上，也可以部署在4G上，还可以部署在2G上。NB-IoT是一个新的技术，所以原先的NB-IoT基站不存在任何退网的风险。

刁志峰表示，投资NB-IoT，就是投资5G。未来的10年，甚至20年、30年，华为的NB-IoT会保持目前这种部署。2019年，华为NB-IoT的目标是完成一个亿的用户数，现在已经接近6000万。后续，NB-IoT的市场还会有很大的增长空间。

2017年，华为先后推出了NB-IoT芯片Boudica 120和Boudica 150，雷锋网从其他渠道获悉，传闻中华为将于2020年推出的NB-IoT芯片Boudica 200，这个芯片可能会把很多东西都集成进去，例如AP和相应的一些安全机制等，此外，支持3GPP R14和R15的标准也会集成进去。其中很重要的一点是，华为该系列的NB-IoT芯片会持续的向外开放，提供给所有的模组厂家使用。

雷锋网了解到，目前，华为海思整个NB-IoT芯片已经超过了2000万片，预计到2023年或更早一点的时间，将会实现超过10亿的连接。

对于NB-IoT被划到5G，很多行业人士对已上线的设备是否面临退网风险这个问题表示担心。在了解了NB-IoT为什么能成为5G mMTC的标准之后，以及现阶段NB-IoT的网络部署和行业应用情况，以及刁志峰会上的发言后，对此问题大可不必太过担心，因为当前NB-IoT投资将作为5G的一部分被继承下来。

联通物联网有限责任公司总经理陈晓天也曾表示，今年是5G 最热的元年，而前两年是NB-IoT，这对物联网来讲是一个很好的机会。如今大家的关注点都在5G上，而我个人认为，NB-IoT即将进入规模化的商用。

物联网的发展前景很不错，具体如下：
1更安全的保护措施。在新技术出现之初，它的技术力量几乎都集中在创新上，导致监管水平低下，这就使业界的兴奋、激进和政策、监管的滞后常常形成鲜明的对比。由于物联网设备和基础设施的价格下降，企业在物联网设备上的应用也越来越普遍，这种创新和应用一旦普及，各种新技术的风险也突显出来。
2更普遍使用智能消费品设备。IoT所覆盖的行业人群广泛，从智慧交通、智能物流、医疗、农业、能源等行业应用，到私人智能家居、个人、智能汽车等应用，无论是降低成本，还是提高中国居民的生活质量，都将是中国居民生活质量的巨大提升。

物联网的十三五规划(2016-2020年)提出：到2020年，具有国际竞争力的物联网产业体系基本形成，包含感知制造、网络传输、智能信息服务在内的总体产业规模突破15万亿元，公众网络M2M连接数突破17亿。发展200家左右产值超过10亿元的骨干企业。本文在此规划基础上分析了物联网细分市场的发展前景。

行业概况：工业制造、车联网和智能家居成为物联网产业竞争的重点领域

《物联网的十三五规划(2016-2020年)》显示：2015年，中国物联网产业规模达到7500亿元；公众网络机器到机器(M2M)连接数突破1亿，占全球总量31%，成为全球最大市场。目前，工业制造、车联网和智能家居成为物联网产业竞争的重点领域。中国官方将推动物联网规模应用，推动物联网与制造业、农业、物流、能源、环保、医疗等领域的融合，促进车联网、智能家居、健康服务等消费领域应用快速增长。规划还提出，突破 *** 作系统、核心芯片、智能传感器、低功耗广域网、大数据等关键核心技术。

另外，中国窄带物联网（NB-IoT）智能制造、智能交通、智能家居等领域的物联网应用加快推广应用。截至2018年底累计已发展蜂窝物联网终端67亿户，比上年增长148%。预计到2023年将达到18亿台，或者说，占到广域物联网设备总数的75%。

市场前景一：物联网应用市场的细分化特点将更加显著

《物联网的十三五规划(2016-2020年)》提出：到2020年，具有国际竞争力的物联网产业体系基本形成，包含感知制造、网络传输、智能信息服务在内的总体产业规模突破15万亿元，公众网络M2M连接数突破17亿。发展200家左右产值超过10亿元的骨干企业。

从2015年至2020年，我国物联网产业的年复合增长率将超过20%。届时，我国物联网应用市场的细分化特点将更加显著，智能家居、智慧城市、工业物联网、车联网这几大细分应用市场将进入快速发展时期。

市场前景二：物联网将成为智慧城市的末梢神经

当前，智慧城市建设成为全球热点，我国许多城市提出建设智慧城市，物联网是智慧城市构架中的基本要素和模块单元，已成为实现智慧城市“自动感知、快速反应、科学决策”的关键基础设施和重要支撑。国家“十三五”规划纲要也明确提出“加强现代信息基础设施建设，推进大数据和物联网发展，建设智慧城市”。

从未来发展来看，物联网将成为智慧城市的末梢神经，实现信息感知数据采集，而城市级物联网接入管理与数据汇聚平台将成为智慧城市的中枢神经系统。通过大力推广物联网在智慧城市领域的应用，将推动我国智慧城市建设和发展进入纵深阶段。

市场前景三：重点城市物联网细分市场投资热度高涨

2018年以来，物联网项目的投资热点不减，南京市、重庆市、福州市、深圳市等城市加快了不同领域物联网建设步伐。

更多数据参考前瞻产业研究院发布的《中国物联网行业细分市场需求与投资机会分析报告》。

未来物联网行业将向着多元方向发展

标准化是物联网发展面临的最大挑战之一，它是希望在早期主导市场的行业领导者之间的一场斗争。目前我国物联网行业百家争鸣，还未有一个统一的标准出现。因此在未来可能通过不断竞争将会出现限数量的供应商主导市场，类似于现在使用的Windows、Mac和Linux *** 作系统。

合规化同样是当下物联网面临的问题之一，特别是数据隐私问题。目前数据隐私已成为网络社会的一个关键词，各种用户数据泄露或被滥用的事件频发，特别是Facebook的丑闻引发了全球担忧。

因此在未来，我国各种立法和监管机构将提出更加严格的用户数据保护规定，，用户的敏感数据可能会随着时间的推移而受到更严格的监管。

安全化是指预防物联网软件遭受网络黑客攻击，在未来，以安全为重点的物联网设施将受到更多的关注，特别是某些特定的基础行业，如医疗健康、安全安防、金融等领域。

多重技术推动物联网技术创新

从技术创新趋势来看，物联网行业发展的内生动力正在不断增强。连接技术不断突破，NB-Iot、eMTC、Lora等低功耗广域网全球商用化进程不断加速;物联网平台迅速增长，服务支撑能力迅速提升;

区块链、边缘计算、人工智能等新技术题材不断注入物联网，为物联网带来新的创新活力。受技术和产业成熟度的综合驱动，物联网呈现“边缘的智能化、连接的泛在化、服务的平台化、数据的延伸化”等特点。

——以上数据来源于前瞻产业研究院《中国物联网行业应用领域市场需求与投资预测分析报告》。

物联网是一个概念罢了，物联网所谓的东西是早就存在的，就是物物相连。利用射频识别，传感器技术来获取信息。如超市电子标签，都属于这个范畴。这个概念不重要，重要的是他是一个趋势，随着人们对信息的渴望的增长，伴随通信技术的发展（可以传输更多的信息）人们对于自己所关心的信息是更方便和实时的获取。当然这对于安全防护也是很有好处。军队也在关注这方面。

随着物联网的逐渐铺开，人们已经在生活中看到了越来越多的物联网模块：智能水表，共享单车，等等。目前的物联网仍然主要由运营商推动，物联网模块需要使用标准蜂窝协议与基站通讯。由于基站需要覆盖尽可能大的面积，因此物联网模块需要能做到在距离基站很远时仍能通讯，这就对于物联网模块的射频发射功率有了很高的要求;从另一个角度来说，物联网模块在做无线通讯时仍然需要消耗高达30mA的电流，这使得目前的物联网模组仍然需要配合较高容量的电池(如五号电池)才能工作，这也导致了物联网模组的尺寸很难做小。

为了能进一步普及物联网，必须克服这个功耗以及尺寸的限制。例如，如果未来要把物联网做到植入人体内，则不可能再搭配五号电池，而必须使用更小的电池甚至使用能量获取系统从环境中获取能量彻底摆脱电池的限制。为了实现这个目标，从通讯协议上说，可以使用更低功耗的自组网技术，类似BLE;而从电路实现上，则必须使用创新电路来降低功耗。

能量获取技术

根据之前的讨论，目前电池的尺寸和成本都已经成为了限制IoT设备近一步进入潜在市场的瓶颈。那么，有没有可能使用从环境中获得能量来支持物联网节点工作呢这种从环境中获取能量来支持物联网节点工作的模块叫做“能量获取”(energy harvesting)，目前能量获取电路芯片的研究已经成为了研究领域的热门方向。

目前最成熟的能量获取系统可以说是太阳能电池。传统太阳能电池能提供较好的能量获取效率，但是付出的代价是难以集成到CMOS芯片上。最近，不少研究机构都在使用新型CMOS太阳能电池，从而可以和物联网节点的其他模块集成到同一块芯片上，大大增加了集成度并减小模组尺寸。当然，集成在CMOS芯片上的太阳能电池需要付出低能量输出的代价，目前常见的CMOS片上太阳能电池在室内灯光下能提供nW等级的功率输出，而在强光下能提供uW级别的功率输出，这就对物联网模组的整体功耗优化提出了很高的要求。另一方面，也可以将能量获取与小尺寸微型电池配合使用，当光照较好时使用太阳能电池而在光照较弱时使用备用电池，从而提升整体物联网模组的电池寿命。

除了太阳能电池外，另一个广为人知的环境能量就是WiFi信号。今年ISSCC上，来自俄勒冈州立大学的研究组发表了从环境中的WiFi信号获取能量的芯片。先来点背景知识：WiFi的最大发射功率是30dBm(即1W)，在简单的环境里(即没有遮挡等)信号功率随着与发射设备的距离平方衰减，在距离3m左右的距离信号功率就衰减到了1uW(-30dBm)左右，而如果有物体遮挡则会导致功率更小。俄勒冈州立大学发表的论文中，芯片配合直径为15cm的天线可以在非常低的无线信号功率(-33dBm即500nW)下也能工作给电池充电，能量获取效率在5-10%左右(即在距离发射源3m的情况下输出功率在50nW左右)。因此，WiFi信号也可以用来给物联网模组提供能量，但是其输出功率在现实的距离上也不大，同样也需要节点模组对于功耗做深度优化。

另外，机械能也可以作为物联网节点的能量获取来源。压电效应可以把机械能转换为电能，从而使用压电材料(例如压电MEMS)就能为物联网节点充电。使用压电材料做能量源的典型应用包括各种智能城市和工业应用，例如当有车压过减速带的时候，减速带下的物联网传感器上的压电材料可以利用车辆压力的机械能给传感器充电并唤醒传感器，从而实现车辆数量统计等。这样，机械压力即可以作为需要测量的信号，其本身又可以作为能量源，所以在没有信号的时候就无需浪费能量了!压电材料的输出功率随着机械能的大小不同会有很大的区别，一般在nW-mW的数量级范围。

唤醒式无线系统

传统的IoT无线收发系统使用的往往是周期性通讯或主动事件驱动通讯的方案。周期性通讯指的是IoT节点定期打开与中心节点通讯，并在其他时间休眠;事件驱动通讯则是指IoT节点仅仅在传感器监测到特定事件时才与中心节点通讯，而其它时候都休眠。

在这两种模式中，都需要IoT节点主动与中心节点建立连接并通讯。然而，这个建立连接的过程是非常消耗能量的。因此，唤醒式无线系统的概念就应运而生。

什么是唤醒式无线系统就是该该系统在大多数时候都是休眠的，仅仅当主节点发射特定信号时才会唤醒无线系统。换句话说，连接的建立这个耗费能量的过程并不由IoT节点来完成，而是由中心节点通过发送唤醒信号来完成。

当建立连接的事件由中心节点来驱动时，一切都变得简单。首先，中心节点可以发射一段射频信号，而IoT节点可以通过能量获取(energy harvesting)电路从该射频信号中获取能量为内部电容充电。当IoT节点的电容充电完毕后，无线连接系统就可以使用电容里的能量来发射射频信号与中心节点通讯。这样一来，就可以做到无电池 *** 作。想象一下，如果不是使用唤醒式无线系统，而是使用IoT主动连接的话，无电池就会变得困难，因为无法保证IoT节点在需要通讯的时候在节点内有足够的能量。反之，现在使用唤醒式系统，中心节点在需要IoT节点工作时首先为其充电唤醒，就能保证每次IoT节点都有足够能量通讯。

那么，这样的唤醒式无线系统功耗有多低呢在2016年的ISSCC上，来自初创公司PsiKick发表的支持BLE网络的唤醒式接收机在做无线通讯时仅需要400 nW的功耗，而到了2017年ISSCC，加州大学圣地亚哥分校发表的唤醒式接收机更是把功耗做到了45 nW，比起传统需要毫瓦级的IoT芯片小了4-6个数量级!

来自UCSD的45 nW超低功耗唤醒式接收机

反射调制系统

唤醒式接收机主要解决了无线链路中如何低功耗接收信号的问题，但是在如果使用传统的发射机，则还是需要主动发射射频信号。发射机也是非常费电的，发射信号时所需的功耗常常要达到毫瓦数量级。那么，有没有可能在发射机处也做一些创新，降低功耗呢

确实已经有人另辟蹊径，想到了不发射射频信号也能把IoT节点传感器的信息传输出去的办法，就是由华盛顿大学研究人员提出的使用发射调制。反射调制有点像在航海和野外探险中的日光信号镜，日光信号镜通过不同角度的反射太阳光来传递信息。在这里，信号的载体是太阳光，但是太阳光能量并非传递信号的人发射的，而是作为第三方的太阳提供的。类似的，华盛顿大学研究人员提出的办法也是这样：中心节点发射射频信号，IoT节点则传感器的输出来改变(调制)天线的发射系数，这样中心节点通过检测反射信号就可以接收IoT节点的信号。在整个过程中IoT节点并没有发射射频信号，而是反射中心节点发出的射频信号，这样就实现了超低功耗。

华盛顿大学的Shyam Gollakota教授率领的研究组在反射调制实现的超低功耗IoT领域目前已经完成了三个相关项目。去年，他们完成了passive WiFi和interscatter项目。Passive WiFi用于长距离反射通信，使用WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号，而IoT节点则调制天线反射系数来传递信息。多个IoT节点可以共存，并使用类似CDMA扩频的方式来同时发射信息。interscatter则用于短距离数据传输，使用移动设备发射功率较低的射频信号，而IoT节点则调制该射频信号的反射来实现信息传输的目的。Passive WiFi和interscatter芯片的功耗都在10-20微瓦附近，比起动辄毫瓦级别的传统IoT无线芯片小了几个数量级，同时也为物联网节点进入人体内等应用场景铺平了道路。

Passive WiFi(上)与Interscatter(下)使用反射调制，分别针对长距离与短距离应用。

Passive WiFi和Interscatter还需要使用电信号因此需要供电，而Gollakota教授最近发表的Printed WiFi则是更进一步，完全不需要供电了!

在物联网的应用中，许多需要检测的物理量其实不是电信号，例如速度，液体流量等等。这些物理量虽然不是电物理量，但是由于目前主流的信号处理和传输都是使用电子系统，因此传统的做法还是使用传感器电子芯片把这些物理量转化为电信号，之后再用无线连接传输出去。其实，这一步转化过程并非必要，而且会引入额外的能量消耗。Printed WiFi的创新之处就是使用机械系统去调制天线的反射系数，从而通过反射调制把这些物理量传输出去。这样，在IoT节点就完全避免了电子系统，从而真正实现无电池工作!

目前，这些机械系统使用3D打印的方式制作，这也是该项目取名Printed WiFi的原因。

上图是Printed WiFi的一个例子，即转速传感器。d簧、齿轮等机械器件在上方测速仪旋转时会周期性地闭合/打开最下方天线(slot antenna)中的开关，从而周期性地(周期即旋转速度)改变最下方天线的反射特性，这样中心节点只要通过反射射频信号就能读出旋转速度。最下方的图是该传感器在不同转速时的反射信号在时间域的变化情况，可见通过反射信号可以把转速信息提取出来。

超低功耗传感器

物联网节点最基本的目标就是提供传感功能，因此超低功耗传感器也是必不可少。目前，温度、光照传感器在经过深度优化后已经可以实现nW-uW数量级的功耗，而在智能音响中得到广泛应用的声音传感器则往往要消耗mW数量级甚至更高的功耗，因此成为了下一步突破研发的重点。

在声音传感器领域，最近的突破来自于压电MEMS。传统的声音传感器(即麦克风)必须把整个系统(包括后端ADC和DSP)一直处于活动待机状态，以避免错过任何有用的声音信号，因此平均功耗在接近mW这样的数量级。然而，在不少环境下，这样的系统其实造成了能量的浪费，因为大多数时候环境里可能并没有声音，造成了ADC、DSP等模组能量的浪费。而使用压电MEMS可以避免这样的问题：当没有声音信号时，压电MEMS系统处于休眠状态，仅仅前端压电MEMS麦克风在待命，而后端的ADC、DSP都处于休眠状态，整体功耗在uW数量级。而一旦有用声音信号出现并被压电MEMS检测到，则压电MEMS麦克风可以输出唤醒信号将后面的ADC和DSP唤醒，从而不错过有用信号。因此，整体声音传感器的平均功耗可以在常规的应用场景下可以控制在uW数量级，从而使声音传感器可以进入更多应用场景。

超低功耗MCU

物联网节点里的最后一个关键模组是MCU。MCU作为控制整个物联网节点的核心模组，其功耗也往往不可忽视。如何减小MCU的功耗MCU功耗一般分为静态漏电和动态功耗两部分。在静态漏电部分，为了减小漏电，可以做的是减小电源电压，以及使用低漏电的标准单元设计。在动态功耗部分，我们可以减小电源电压或者降低时钟频率来降低功耗。由此可见，降低电源电压可以同时降低静态漏电和动态功耗，因此能将电源电压降低的亚阈值电路设计就成了超低功耗MCU设计的必由之路。举例来说，将电源电压由12V降低到05V可以将动态功耗降低接近6倍，而静态漏电更是指数级下降。当然，亚阈值电路设计会涉及一些设计流程方面的挑战，例如如何确定亚阈值门电路的延迟，建立/保持时间等都需要仔细仿真和优化。在学术界，弗吉尼亚大学的研究组发布了动态功耗低至500nW的传感器SoC，其中除了MCU之外还包括了计算加速和无线基带。在已经商业化的技术方面，初创公司Ambiq的Apollo系列MCU可以实现35uA/MHz的超低功耗，其设计使用了Ambiq拥有多年积累的SPOT亚阈值设计技术。在未来，我们可望可以看到功耗低至nW数量级的MCU，从而为使用能量获取技术的物联网节点铺平道路。

结语

随着物联网的发展，目前第一代广域物联网已经快速铺开走进了千家万户。然而，广域物联网节点由于必须满足覆盖需求，因此射频功耗很难做小，从而限制了应用场景(例如人体内传感器等无法使用大容量电池的场景)。局域物联网将会成为物联网发展的下一步，本文介绍的能量获取技术配合超低功耗无线通信、MCU和传感器可望让物联网节点突破传统的限制，在尺寸和电池寿命方面都得到革命性的突破，从而为物联网进入可植入式传感器等新应用铺平道路。

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