窄帶物聯(lián)網(wǎng)和射頻前端器件的機遇和挑戰(zhàn)

概要

隨著中國5G時代的到來，本文討論了其中的一個重要的發(fā)展方向：窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 (CatM/NB-IoT)。從射頻器件的角度，本文分析了市場的前景、新的機遇和挑戰(zhàn)還有QORVO目前的解決方案。新的CatM和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中，對于終端的要求在發(fā)生變化，應(yīng)用于該設(shè)備的射頻前端器件也有新的發(fā)展要求。新的射頻前端需要在支持超寬帶工作，并且保證低成本的情況下，滿足更大范圍的工作電壓和工作溫度，同時達到3GPP規(guī)定的射頻性能標(biāo)準(zhǔn)。本文從市場前景、頻譜需求、空中接口、物理層結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計方向的角度，闡述了射頻前端器件的機遇和挑戰(zhàn)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場前瞻

5G和IoT

許多人相信，2019年會是中國5G的元年。伴隨著5G大幕拉開，特別是對于智能手機來說，新的應(yīng)用和新需求，刺激著射頻前端市場涌現(xiàn)出很多新名詞，比如，MIMO，HPUE，NSA，SA，PAMiD等等。射頻前端需要更高整合度，從而支持更加復(fù)雜的頻段和通信標(biāo)準(zhǔn)。

在手機市場追求更快更強的同時，有另外一個市場就是窄帶物聯(lián)網(wǎng) (CatM /NB-IoT)，它在另外一個維度滿足市場需求，比如更低功耗，更長待機時間和更低的成本。

圖1：5G的使命和任務(wù)

5Ｇ不僅僅意味著高速的數(shù)據(jù)連接，同時還會支持海量的IoT應(yīng)用和低時延高可靠性的場景。今天我們談?wù)?，海量連接中窄帶互聯(lián)的部分。

中國的三大運營商一直在加大 CatM /NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署。到目前為止，中國移動擁有52萬個基站，中國聯(lián)通有33萬個，中國電信有41萬個（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)公開信息整理）。巨大的投入背后，有著巨大的利益驅(qū)動。CatM /NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)的廣域網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)，電信運營商掌握著NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和號碼資源，期待在萬物互聯(lián)的世界里面扮演重要的角色。

CatM & NB-IoT主要應(yīng)用場景

NB-IoT目前主要的應(yīng)用場景，列舉如下：

l 智能安全

l 智能基礎(chǔ)設(shè)施：智能路燈，智能井蓋，智能充電，智能停車。

l 智能表計

l 智能監(jiān)控

我們觀察到在下面領(lǐng)域，出現(xiàn)了迅速的增長：

l 電動自行車監(jiān)控和管理

l 智能煙霧傳感器

l 智能表計（水表／氣表／電表）

另外，目前有一些基于NB-IoT的新的應(yīng)用，也引起市場極大的興趣。

l 智能停車服務(wù)：集成了云服務(wù)大數(shù)據(jù)平臺，現(xiàn)場交通和停車位信息搜集，通過手機的電子支付，能實現(xiàn)方便的無人值守停車。

l 智能穿戴市場：得益于低功耗，NB-IoT終端能夠?qū)崿F(xiàn)超長待機。通過運營商的廣域網(wǎng)連接，定位數(shù)據(jù)和健康數(shù)據(jù)能自動上傳到企業(yè)云的個人帳號中，擺脫了傳統(tǒng)局域網(wǎng)或者需要連接手機同步數(shù)據(jù)的束縛。這一點非常適合給老人和小孩的無人看護或者出門定位服務(wù)。管理員通過劃定電子安全區(qū)域，智能穿戴設(shè)備出了安全區(qū)后，報警信息會自動傳到云端和管理員。

射頻前端市場新的機會

圖2：IoT = Internet of things

基于蜂窩網(wǎng)的萬物互聯(lián)是一項有前景的新技術(shù)。它在一個安全的平臺上面，具備遠(yuǎn)距離，低成本和支持各種通信帶寬的特點。這個新的平臺，能夠建設(shè)在已有的LTE網(wǎng)絡(luò)上，從而滿足新的市場和應(yīng)用的需求。

從射頻前端供應(yīng)商的角度，我們看到了一些新的市場需求。

l 新的垂直市場。在已有的蜂窩網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上，新的低成本和低功耗的解決方案，將會用到新的市場應(yīng)用當(dāng)中。

l 多種連接標(biāo)準(zhǔn)會同時共存。產(chǎn)品形態(tài)會表現(xiàn)為從簡單的低功耗和單頻段無線單元，一直到復(fù)雜的LTE和5G New Radio的全球蜂窩網(wǎng)解決方案。

l 多樣的應(yīng)用場景和需求。復(fù)雜多樣的最終用戶市場還有應(yīng)用，會帶來需求和產(chǎn)品的多樣化，其中包括室內(nèi)的應(yīng)用和戶外的一些極端溫度和高可靠性要求的場景。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)和射頻前端器件的機遇和挑戰(zhàn)

圖3：各種通信標(biāo)準(zhǔn)和多應(yīng)用場景

多樣的最終市場、應(yīng)用還有使用環(huán)境，需要優(yōu)化組合的射頻技術(shù)來支持。預(yù)測在2021年，在“百億”IoT連接設(shè)備中，70%的主體是低功耗的家庭／辦公應(yīng)用。

QORVO作為領(lǐng)先的射頻解決方案提供商，從家用到高性能全球廣域蜂窩網(wǎng)，能夠提供優(yōu)化的射頻解決方案。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)和射頻前端器件的機遇和挑戰(zhàn)

圖4：中低速場景下的各種應(yīng)用

CatM/NB是3GPP所接納的標(biāo)準(zhǔn)，通過利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，來滿足新市場和應(yīng)用的需求。通過減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，應(yīng)用于Cat-M/NB的產(chǎn)品能夠來滿足低成本和低功耗海量M2M的需求。

射頻前端的挑戰(zhàn)

全球窄帶LTE IoT頻譜

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圖5：全球CatM/NB頻段分布

全球應(yīng)用于窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信的頻率，分布在中低頻范圍。射頻前端的設(shè)計者需要在寬帶匹配、諧波抑制、超低功耗還有低成本方面選擇最優(yōu)化的設(shè)計方案。

空中接口和物理層結(jié)構(gòu)

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表1：CatM/NB/LoRa技術(shù)特性比較

我們以NB-IoT上行信號為例來說明物理層結(jié)構(gòu)。

l 頻域：支持兩種帶寬，分別是3.75KHz和15KHz。其中3.75KHz窄帶寬能帶來更大的覆蓋范圍。支持兩種模式，分別是single tone和multi-tone。 Singletone適合低速應(yīng)用。

l 時域：不同的頻率帶寬，對應(yīng)不同的時域幀結(jié)構(gòu)。

從上面我們可以看出，NB-IoT雖然有要求和LTE相同的上行功率(power class3)，但是信號的峰均比較低。另外，NB-IoT采用半雙工方式工作，避免使用FDD雙工器，PA后端的插入損耗小。這些因素可以讓NB-IoT的PA更加偏向于非線性的設(shè)計，同時采用更小的Die設(shè)計，從而達到節(jié)省成本和提高效率的目的。

射頻器件的設(shè)計考量

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