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文档简介
通信模组行业研究-物联网信息之源创新与成本红利开启新阶段1、通信模组:物联网关键底层硬件1.1、物联终端核心部件,下游应用场景广泛通信模组:物联终端核心部件,负责接入网络与数据传输。通信模组是物联网智能终端的核心部件,是智能终端与物联网之间的连接纽带,肩负着智能终端接入网络的重要使命,在物联网产业架构中处于感知层和网络层中间,负责智能终端和网络层之间的数据传输,感知层采集的海量数据均需通过无线通信模组汇聚到网络层,进而通过云端对设备进行有效控制,通信模组决定了设备能否应对复杂的应用环境从而确保通信质量的稳定性和可靠性。逻辑结构:是集成基带芯片、存储器和功放器件的基本电路,提供标准化接口功能模块。通信模组是将基带、射频、电源、存储等芯片与阻容感等电子元器件集成在一起,并配以特定的封装形式和软件设计,以满足不同应用场景下物联网智能终端设备的联网需求。模组厂商从上游采购芯片等原材料,经过软硬件设计、测试、认证、生产及销售等环节流入下游终端环节,进而推动物联网技术的发展及其应用。下游应用:涵盖公共服务、行业服务、个人与家庭服务等多个领域。物联网在万物互联的大趋势下扮演着重要角色,其中通信模组是获取“物”、大数据最关键、最核心的基础通信单元,是新基建领域的核心通信器件,正加速渗透至各层面与各领域。随着物联网加速向各行业渗透,行业的信息化和联网水平不断提升,产业互联网连接数占比将提速。据GSMA预测,至2025年产业物联网连接数占比将达到61.2%。智慧工业、智慧交通、智慧健康、智慧能源等领域有望成为产业物联网连接数增长最快的领域。通信模组既承担数据接口功能,还可以集成客户所需的融合感知、前端数据的处理和分析以及数据的接入和传输等复合性功能,有利于降低产品成本,帮助下游厂商快速拓展下游应用领域方案。1.2、物联连接技术多样化,5G与LPWA协同创新5G构筑物联网基础设施,步入万物互联时代。移动通信技术十年一周期,历经了第一代移动通信技术(1G)到第四代移动通信技术(4G)迭代演进发展历程,目前第五代移动通信技术
(5G)快速发展,全球各国正积极建设。ITU提出5G的三大应用场景eMBB(增强移动宽带)、mMTC(海量物联)、uRLLC,5G具有高速率、低时延、低功耗、广覆盖、高容量等多方面优势,具备更加强大的通讯和带宽能力,能够满足物联网应用高速稳定、覆盖面广等需求,同时5G提供了更加稳定、高效的信息传输通道,以信息传输为核心的网络体系,将演变成为集感知、传输、连接、计算、处理、交换融为一体的数字基础设施,具有高速泛在、智能敏捷、集约高效和安全可信等特点。5G网络的建成标志着完整的物联网基础被构建,实现人联网到物联网,大量的垂直行业应用场景应运而生。物联网通信技术分为局域连接和广域连接两种。不同的产业有着不一样的技术需求,催生了多样的物联网连接方式。根据信号覆盖范围可分为局域连接和广域连接两种。局域连接方式主要包括WiFi、蓝牙、ZigBee等,适用于近距离的场景需求中,信号覆盖范围100m以内,部署成本低,但覆盖能力有限,且对回传网络依赖严重,难以满足广范围的连接,也难以支撑远程控制与物流追踪等应用,智能家居、穿戴设备、智能硬件等终端多采用局域连接方式;广域连接方式包括分为授权频谱广域网络和非授权频谱广域网络,覆盖范围更广,工业、交通、物联等行业应用多采用广域连接方式。其中授权频谱广域网络主要以蜂窝网络为主,包括2G、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC、Cat.1等;非授权频谱广域网络包括LoRa、Sigfox、ZETA等,具有低成本、易部署、可私有化等特性,是授权频谱网络的重要补充。2020年4月工信部发布《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》为中国物联网的主要网络架构指明方向,将以5G、NB-IoT、LTE-Cat1为主,建立NB-IoT
(窄带物联网)、4G(含LTE-Cat1,即速率类别1的4G网络)和5G协同发展的移动物联网综合生态体系。5G与LPWA协同激发物联网价值。LPWA(LowPowerWideArea,低功耗广域覆盖)具有广覆盖、大容量、低功耗和低成本的特点,适合需要远距离传输、通信数据量较少、电池供电运行的物联网应用,如无线抄表、环境监测、智能家居、物流监控、单车开锁等。以NBIoT为例,其覆盖能力比传统GSM网络强20dB;系统容量具备支撑海量节点连接能力,一个扇区能够支持10万个以上连接;待机时间最长可达10年以上;成本方面,使用180kHz窄带频谱,降低了基带复杂度,使用单天线、半双工模式,降低了射频成本。目前全球蜂窝物联网连接数主要来自于传统的2G/3G/4G,连接和硬件的成本降低将推动远程监控在农业、智慧城市和制造业等关键垂直领域的应用,同时2G和3G网络的关闭也将推动LPWA的应用,我们预计未来NB-IoT/eMTC会逐渐超过2G/3G/4G成为主流连接方式。据爱立信预测,2021至2027年全球广域物联网、蜂窝物联网、短程物联网的年复合增长率分别为19%、19%、12%。5G与LPWA技术将协同创新,互补共存,共同引领物联网的发展。Redcap填补需求空白,有望低成本布局,推动应用快速普及。Redcap(ReducedCapability,降低能力)是3GPP在5GR17阶段,专门立项研究的一种新技术标准,5GR17版本将于2022年6月冻结。从技术特性上看,RedCap介于eMBB(超宽带)和LPWA(低功耗广域网,NB-IoT等)之间,主要针对带宽、功耗、成本等需求都基于eMBB和LPWA之间的应用,其带宽和通信码率低于eMBB,但远高于LPWA,而其功耗和成本高于LPWA,又远低于eMBB。从成本上看,我们预计5GRedCap可以使5G模组成本降低60%~70%,设备复杂度的降低大幅度带来了成本的节约,具体来看:带宽:RedCap的频谱带宽更小,在Sub-6GHz频段,RedCap的带宽为20MHz,小于传统5G的100MHz;
天线:RedCap减少了收发天线数量,并降低了MIMO层数,在Sub-6GHz频段,RedCap终端的接收链路可减少为1个或2个,相应下行MIMO降低为1层或2层接收;调制方式:RedCap采用了64QAM调制方式,对射频和基带的要求大幅降低;双工模式:RedCap采用半双工FDD(HD-FDD),可以在不同时刻在不同频率上进行收发,不需要双工器,不仅节约了成本,同时集成度高,还有利于设备的小型化。RedCap支持可穿戴设备、工业传感器和视频监控三大业务场景。可穿戴设备、工业传感器和视频监控三大业务场景对网络的需求介于eMBB和LPWA之间,与Redcap的技术特性相匹配。可穿戴设备:参考带宽为下行5-50Mbps,上行为2-5Mbps,峰值速率下行最高150Mbps,上行最高50Mbps,设备的电池应能使用数天(最多1-2周);工业无线传感网:参考带宽速率小于2Mbps,通信服务可靠性为99.99%,端到端时延小于100毫秒,由于设备大部分是静止的,电池至少能用几年,对于安全类相关传感器,延迟要求达到5-10毫秒;视频监控:对于经济型视频场景,参考带宽为2-4Mbps,对于高端视频场景,参考带宽为7.5-25Mbps,时延小于500毫秒,可靠性在99%-99.9%之间,业务模式以上行传输为主。1.3、出货量持续高增,智能化与低功耗需求渐显无线通信模组可按功能分为通信模组和定位模组。物联网蜂窝通信模块行业是物联网中率先形成完整产业链和内在驱动力的应用市场。通信模组按照不同的通信制式分为蜂窝通信模组
(2/3/4/5G/NB-IoT等)和非蜂窝类通信模组(WiFi、蓝牙、LoRa等)。定位模组具体包括美国制式的GPS定位模组、欧盟的GLONASS定位模组、俄罗斯的伽利略定位模组以及中国的北斗导航定位模组。从传输速率上看,无线通信模组可分为以4G和5G为代表的高速率模组,以3G和eMTC为代表的中速率模组及以2G、NB-IoT等为代表的低速率模组。随着物联网技术的深入发展,模组的种类也日益丰富。通信模组技术发展趋势一:NB-IoT+4G+5G协同发展。蜂窝物联网的发展受移动通信网络发展影响,我们认为,随着全球2G和3G网络的持续衰落,NB-IoT、LTE-M和4GCat-1等LPWA技术推动蜂窝物联网的初步采用,未来几年全球蜂窝物联网市场将由2G向NBIoT+4G+5G迁移。从地理上看,中国在全球蜂窝物联网模块市场的5G采用方面处于领先地位,北美和欧洲未来潜力巨大,印度和拉丁美洲等新兴市场增速快。预计至2030年全球通信模组出货量将超过12亿。据CounterpointResearch预测,至2030年全球蜂窝物联网模块出货量将超过12亿个,复合年增长率为12%,出货量将主要由5G、NB-IoT和4GCat1技术推动,5G将成为增长最快(60%)的技术,其次是4GCat1。通信模组技术发展趋势二:模组智能化程度提升,智能模组应用增加。随着物联网产品形态不断增多,物联网模块多样化发展以满足越来越多不同类型设备的功能需求,越来越多的方案商开始直接采用手机或平板方案来设计产品,对通信模块厂商亦提出了智能化需求,越来越多的芯片和功能会集成进物联模块中。智能模组具备通信模组特性,支持5G/4G/3G/2G的广域网接入,同时自带Android、HarmonyOS等复杂的操作系统,具备开放安全的软件环境,底层芯片算力更强,自带CPU、GPU算力,支持GNSS、Wi-Fi4/5/6、BT/BLE,集成度高,拥有丰富接口,可扩展复杂外设。随着5G+AIoT为核心的智能化产业链升级加速,智能化IoT需求增加,软件生态的丰富也推动了硬件的快速迭代,模组智能化程度提升,产品线更加灵活,可有效为客户节省成本与研发周期。智能模组的关键特性包括:计算能力:内核架构,CPU核数,CPU主频,图形处理能力:GPU主频,多媒体能力:显示屏分辨率,拍照像素,视频编解码能力,AI运算能力:CPU+GPU+DSP的综合AI算力,接口能力:DSI/CSI,USB,串口,以太网。智能电表、工业、路由器/CPE、汽车和POS将成为2030年通信模组出货量排名前五的应用。从细分市场连接数量划分,我们认为,随着5G的推出和5GRedCap的推出,5G将在工业、资产跟踪、POS、远程信息处理、医疗保健和可穿戴设备领域的智能物联网应用中得到采用,主要取代传统的4G物联网应用。智能电表、工业、路由器/CPE、汽车和POS将成为2030年出货量前五的应用。5G将优先用于工业4.0(如机器人、自动化和数字双胞胎)、路由器/CPE(如FWA和专用网络)和汽车(如互联和自主移动)应用,LPWA将优先用于公用事业(智能电表),4GCat1和5GRedCap将优先用于POS应用。分地区看,中国、北美和欧洲市场是蜂窝通信模块需求最大的三个区域。自2015年起,中国取代北美成为需求量最大的单体市场。在中国市场,蜂窝通信模块的市场需求主要表现在智能水表、移动支付和智慧安防领域;在北美市场,蜂窝通信模块的市场应用主要体现在车载、车队管理、公共安全以及移动支付领域;在欧洲市场,通信模块主要市场集中在车载应用以及智能电表行业。在日本市场,蜂窝通信模块在智能电表以及车队管理领域市场渗透率高。2、应用场景创新扩散,驱动行业高速增长2.1、物联连接数快速增长,中国网络侧产业优势强物联网连接数快速增长,预计至2025年全球将有309亿台物联网设备。在5G等新技术标准的推动下,联网设备全面升级,产业链计划庞大,海量传感、控制单元的快速发展将直接推动通信模组的爆发。通常情况下,每增加一个物联网连接数,就需要增加1-2个无线通信模块。全球物联网连接数快速增长,据IoTAnalytics统计,2020年全球共有217亿个联网设备,其中物联网连接达117亿台,占总连接的比例为54%,物联网连接(联网汽车、智能家居设备、联网工业设备)首次超过非物联网连接(智能手机、笔记本电脑和计算机)。随着物联网应用的普及,据loTAnalytics预计物联网连接数将保持高速增长,增速继续快于非物联网连接,至2025年全球物联网设备将达309亿台,五年复合增长率为17.49%。5G连接数快速增长,预计至2027年成为主要移动接入技术,驱动物联网蓬勃发展。据GSA统计,截止至2022年2月底,全球共有146个国家/地区的489家运营商正在投资5G,2022年到2025年,全球移动运营商Capex将超过6千亿美元,其中约85%将用于5G网络的发展。5G使用率不断上升,据GSMA预测2022年全球5G总连接数将达到10亿,至2025年5G连接数将占总移动连接数的1/4,至2027年5G将成为主要移动接入技术。5G将进一步实现物与物、物与人更加多元化的连接,赋予物联网低延迟、高速率、多终端的交互能力,5G网络的建设与完善,为物联网的发展奠定良好基础,据GSMA预计至2030年5G对各行业的贡献中服务及生产将占最大比重。全球移动数据流量指数型增长,行业需求旺盛倒逼物联网支撑技术加快商用化进程。据爱立信统计,2021年第三季度全球移动数据流量达78EB,同比增长42.01%,环比增长7.77%,与2012年第一季度相比,增长了105倍。全球移动数据流量呈指数型增长,主要原因是移动通信技术的演进与下游应用需求的兴起,智能手机出货量与移动用户数逐年增长,移动应用创新产品快速迭代,带来移动数据流量快速增长。在全球数字化、智能化转型背景下,工业、医疗、交通等行业对物联网支撑能力提出新要求,同时全球新冠疫情加速物联网应用发展进程,驱动物联网相关硬件与软件等支持技术加速商用规模化部署进程。中国引领全球5G进展,基站建设数量明显领先。网络是物联网发展的核心要素,自5G商用
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