物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)誰主沉浮？
對于物聯(lián)網(wǎng)來說，主要劃分為傳感層、傳輸層和應用層，而在傳輸層上，設備與設備之間的連接至關(guān)重要。目前物聯(lián)網(wǎng)的連接方式多種多樣，短程的有私有協(xié)議sub-1GHz，藍牙、WiFi、ZigBee、Thread等等，遠程的有LoRa、NB-IoT、2G、LTE Cat1、LTE Cat4，以及已經(jīng)來臨的5G等等。這么多的連接方式，在接下來的幾年，誰將會獲得更大的發(fā)展呢？
在由<電子發(fā)燒友>舉辦的2019年度“第六屆中國物聯(lián)網(wǎng)大會”的“通信網(wǎng)絡”分論壇上，與會嘉賓分享了他們的精彩觀點。
第二代WiFi6技術(shù)即將來臨
WiFi是我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最多的一種無線連接方式，現(xiàn)在只要有網(wǎng)絡的地方基本都有一臺WiFi路由器。而WiFi技術(shù)也經(jīng)歷了從802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax，WiFi聯(lián)盟為了簡化名稱，將802.11ax標準稱為WiFi6。
圖1：不同WiFi標準的傳輸速率情況。
據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)預測，到2020年，每個人家里會有50個設備連接到WiFi，而WiFi6的產(chǎn)品會占所有WiFi產(chǎn)品出貨量的一半。
圖2：Qorvo市場經(jīng)理Jeff Lin。
Qorvo市場經(jīng)理Jeff Lin在“通信網(wǎng)絡”分論壇上指出，WiFi6在2019年芯片的出貨量約有3~5百萬，目前市面上也可以找到一些產(chǎn)品，比如TP-Link和華碩等企業(yè)推出的路由器產(chǎn)品。
而且為了進一步提升效能，WiFi6在原有的2.4GHz和5GHz頻段之外，還擴展了一個新的頻段，即6GHz。Jeff Lin還特別介紹了WiFi6所包含的其他一些新技術(shù)，比如OFDMA、1024QAM、8×8 MU-MIMO、上傳鏈路資源調(diào)度技術(shù)、以及智能節(jié)電方案TWT。
圖3：WiFi頻譜擴展情況，美國與歐洲的差別。
第一代WiFi已經(jīng)落地，但第二代WiFi6標準還在制定當中，據(jù)Jeff Lin透露，其實第二代WiFi6的主要規(guī)范已經(jīng)制定好了，但需要等到2020年才會正式發(fā)布具體規(guī)范，他預計2020年下半年會具體第二代WiFi6產(chǎn)品面市。而到2021年，WiFi6的所有規(guī)范應該就可以完善了。
由此可知，6G~7GHz的擴展頻段是第二代WiFi6的重點。不過對于此擴展頻段不同地區(qū)的開放程度也有所不同，其中美國是全開放的，而歐洲是開放了一部分。（見圖3所示）
當然，他承認，就目前來看，市面上支持WiFi6的終端產(chǎn)品還不多，主要以2.4GHz和5GHz為主，因此，現(xiàn)在的路由器產(chǎn)品是將2.4GHz和5GHz作為前傳網(wǎng)絡，而6GHz作為后傳主干網(wǎng)絡使用，主要用于AP與AP之間的連接。
低功耗遠距離物聯(lián)網(wǎng)彌補廣域網(wǎng)覆蓋缺陷
中國有著全球最好的通信基礎(chǔ)設施建設，很多偏遠地區(qū)都有信號覆蓋，但即便如此，在一些人跡罕至的山區(qū)，人口密集的集會等場合，還是會有信號覆蓋問題出現(xiàn)。因此，出現(xiàn)了一些可以支持機器與機器直接通信的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品一般會使用私有協(xié)議進行通信，按照規(guī)定，私有協(xié)議的產(chǎn)品發(fā)射功率有嚴格的限制。
上海磐啟微電子有限公司創(chuàng)始人兼CEO李寶騏介紹了其低功耗遠距離物聯(lián)網(wǎng)芯片------Chirp-IoT芯片PAN3028的設計原理、特性和應用場景。
在李寶騏看來，設計一款非蜂窩廣域物聯(lián)網(wǎng)芯片必然要面對抗干擾性、低功耗，和遠距離的挑戰(zhàn)。需要抗干擾性，是因為470~510、779~787MHz頻段是各種業(yè)務應用都常常使用的頻段，已經(jīng)非常擁擠了，特別是該頻段還是廣播業(yè)務頻率，這就會造成信號與廣播、衛(wèi)星監(jiān)控等相互干擾現(xiàn)象；芯片需要低功耗，是因為物聯(lián)網(wǎng)設備往往需要工作很長時間，有的甚至需要10年都不換電池；而遠距離，則是需要廣泛適用于城市和農(nóng)村信道環(huán)境，覆蓋范圍需要達到幾公里，甚至幾十公里。
但發(fā)射功率卻又收到嚴格限制，一般僅為100mW或者50mW。如何在給定的這個發(fā)射功率下，提高傳輸距離呢？李寶騏認為，智能提高接收靈敏度了。
圖5：磐啟Chirp-IoT芯片與競爭對手產(chǎn)品的靈敏度對比。
他在演講中表示，因為發(fā)射功率很低，很多時候發(fā)射的信號可能比白噪聲還要低100倍，那如何從白噪聲中提取這些信號呢？他做了一個比喻，說提取這些信號，就似大海撈針，如果靠眼睛去尋找確實不容易，但是如果有一塊磁鐵，那就完全不一樣了。
Chirp-IoT芯片就是利用了這個“磁鐵”的原理將信號從白噪聲中提取出來的。因為線性調(diào)頻（Chirp）信號，是一種擴頻信號，其擴頻增益等于時間帶寬積，在信號接收端做適當處理后可以獲得一定的抗窄帶干擾能力。由于線性調(diào)頻信號具有良好的自相關(guān)特性，經(jīng)過匹配濾波器后，可以將橫幅信號變成窄脈沖信號，原來在碼元時間內(nèi)均勻分布的信號能量將大部分集中到窄脈沖的峰值點附近，而在其他時刻能量很小。從而可以提取出被白噪聲掩蓋的信號。
“因為一個信號中包含頻率、相位和幅度，我們將這些參數(shù)做成一個矩陣，再將該矩陣與轉(zhuǎn)置共軛函數(shù)相乘，獲得本征值。我們就是利用這個原理找到信號，從噪聲中提取出信號的。”李寶騏解釋說。
圖6：磐啟Chirp-IoT芯片性能參數(shù)。
他同時透露，磐啟微電子采用該原理的芯片計劃明年初第一季度可以量產(chǎn)。通過優(yōu)化的芯片架構(gòu)實現(xiàn)了超低功耗，融合多維度信號調(diào)制技術(shù)，提高了傳輸速率；全新設計的傳輸符號結(jié)構(gòu)，解決了頻率不連續(xù)對射頻的影響；而增強的信號編碼技術(shù)則提高了傳輸靈敏度。
智能核心板，簡化萬物互聯(lián)難度
在上海移柯通信技術(shù)股份有限公司王華清看來，物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模非常大，也非常碎片化?？蛻舻男枨笄Р钊f別。移柯深耕于此的原因有兩個，一是對自己的產(chǎn)品有信心。不論是產(chǎn)品性能品質(zhì)、交付能力和價格，還是技術(shù)支持都很有競爭力；二是可以推出滿足客戶需求的新產(chǎn)品。
圖7：上海移柯通信技術(shù)股份有限公司王華清。
他舉例說，“從2014年開始，我們就接到很多客戶的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)需求，多年的產(chǎn)品開發(fā)我們發(fā)現(xiàn)，大部分的客戶需求都很接近，只有很少的變化，因此，我們推出了智能模組的產(chǎn)品，將AP、內(nèi)存、電源管理、外圍接口、Modem、WiFi/藍牙/GNSS等都都整合在一起，做成一個集成的模塊，幫助客戶節(jié)省成本?！?/div>
王華清指出，因為移柯的智能模組方案集成了很多功能，客戶做產(chǎn)品的時候，只需要將外設連接到模組上就可以了，所以可以幫助客戶節(jié)省成本，縮短開發(fā)周期，再加上移柯成熟的軟件平臺，可以讓系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。據(jù)說這樣的集成解決方案可以幫助客戶節(jié)省80%的設計工作量。
他同時強調(diào)，移柯做產(chǎn)品的核心理念是“夠用就好”，以幫助客戶尋找到技術(shù)和成本合適的解決方案。
圖8：傳統(tǒng)車載一體機方案與采用智能模塊的車載一體機解決方案對比。
他列舉了今年比較成功的兩個案例，一個是簡易POS機，該產(chǎn)品沒有使用現(xiàn)在市面上火熱的NB-IoT，也沒有使用4G模塊，而是使用了更具成本優(yōu)勢的2G模組。還有一個案例是網(wǎng)約車和出租車上應用廣泛的車載一體機。
圖9：移柯推出的智能核心板家族產(chǎn)品系列。
在演講中，他還特意介紹了移柯明年將會推出的新一代核心板產(chǎn)品M1911。該產(chǎn)品有3個型號可以滿足不同的客戶需求。
圖10：移柯M1911同一封裝下的3個不同型號參數(shù)對比。
5G技術(shù)助力產(chǎn)業(yè)升級
5G有3大技術(shù)特點，分別是高速率、大連接和低時延。2019年全球5G網(wǎng)絡將進入實質(zhì)性商用階段，運營商對網(wǎng)絡建設投入持續(xù)加大。預計2020年至2030年5G網(wǎng)絡總投資將達4110億美元，約合2.8萬億元，是4G網(wǎng)絡的3.5倍。按運營商可接受成本而言，預計2019年至2025年7年網(wǎng)絡總投資為1800億美元，約合1.22萬億元，是4G網(wǎng)絡投資（約為1170億美元）的1.5倍。
圖11：高新興物聯(lián)科技有限公司合作總監(jiān)戴文泓。
5G除了在手機方面的應用，在非手機市場的規(guī)模也不可小覷。據(jù)TSR發(fā)布的統(tǒng)計報告，預計到2024年Sub-6GHz的非手機產(chǎn)品出貨量將會達到4330萬，毫米波5G產(chǎn)品也會達到1040萬。
圖12：5G非手機市場規(guī)模預測。
在高新興物聯(lián)科技有限公司合作總監(jiān)戴文泓看來，非手機5G應用中，主要包括車聯(lián)網(wǎng)、超高清視頻應用、遠程工業(yè)控制、云端機器人、AR/VR、無人機，以及遠程醫(yī)療等應用。
高新興物聯(lián)科技主要提供車聯(lián)網(wǎng)方面的通信模塊產(chǎn)品。據(jù)戴文泓介紹說，他們是高通車規(guī)級5G芯片SA515M的第一個阿爾法客戶。其5G車規(guī)級模組GM850A和GM860A將會在2020年商用。
圖13：GM850A模組的性能參數(shù)。
5G NB-IoT開啟萬物互聯(lián)新時代
近幾年來，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場出貨量快速增長，預計2019年NB-IoT的出貨量將超過6千萬片。
圖14：快速增長的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場。
其實，物聯(lián)網(wǎng)的大部分應用集中于低速率和中速率，其中低速率、低成本需求主要包括智能表計、智慧消防、共享經(jīng)濟、智慧農(nóng)業(yè)等應用；中低速率和中速率需求主要包括新零售、可穿戴和對講機等應用。
圖15：不同速率應用分布。
上海移芯通信科技有限公司市場銷售部高級總監(jiān)楊月啟表示，NB-IoT和Cat.1將可以滿足這些市場最主要的市場需求。隨著NB-IoT技術(shù)標準的不斷演進，性能不斷得以提升，可最終取代2G網(wǎng)絡。
圖16：上海移芯通信科技有限公司市場銷售部高級總監(jiān)楊月啟
在楊月啟看來，雖然現(xiàn)在仍然是高通和聯(lián)發(fā)科技等芯片巨頭占據(jù)2/3/4G芯片的主導地位，但國產(chǎn)芯片廠商正在奮起直追。他認為，NB-IoT時代，國產(chǎn)芯片將會崛起，NB-IoT必然是“中國芯”。因為：
一是國家重視，在政策和資金方面都有支持；二是外資企業(yè)進入中國后，建立起了完善的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，也幫忙培養(yǎng)了很多半導體人才；三是5G標準不再由歐美主導，中國廠商的話語權(quán)越來越大；四是成本越來越低，國內(nèi)企業(yè)在減成本方面具有很大優(yōu)勢。
據(jù)楊月啟介紹，成立于2017年2月的上海移芯通信科技有限公司，其團隊主要來自Marvell和展訊，團隊成員在蜂窩通信芯片設計上由深厚的積累和豐富的經(jīng)驗，是一家可獨立研發(fā)蜂窩通信芯片的公司。
他在演講中表示，移芯通信所有核心技術(shù)和IP全部自研，包括射頻、基帶、SoC、協(xié)議棧軟件、平臺應用軟件和硬件方案，為客戶提供turn key完整方案和服務。公司第一款超低功耗NB-IoT單芯片EC616已于2019年6月份量產(chǎn)，計劃2020年推出LTE Cat1單芯片方案。
圖17：移芯通信EC616 NB-IoT芯片架構(gòu)。
4G物聯(lián)網(wǎng)連接主力LTE Cat1
隨著2G網(wǎng)絡的承載能力進一步減弱，在新部署的物聯(lián)網(wǎng)連接中，NB-IoT和4G會逐步替代2G模組。目前主流的LTE Cat.4的高價格并不能倍部分行業(yè)所接受，而NB-IoT又在語音、短信和連接時效上略顯不足。因此市場上急需一款價格比傳統(tǒng)4G模組更低、連接時效比NB-IoT更高的產(chǎn)品，以滿足共享、金融、能源和工業(yè)等低速率應用場景。剛好Cat.1可以滿足這些需求，加上LTE Cat1隸屬4G系列，可復用現(xiàn)有4G資源，能夠?qū)崿F(xiàn)快速入市的同時還可降低成本。
圖18：上海域格信息技術(shù)有限公司市場總監(jiān)朱凱。
上海域格信息技術(shù)有限公司市場總監(jiān)朱凱在電子發(fā)燒友舉辦的中國物聯(lián)網(wǎng)大會上表示，截止2019年6月底，中國移動已有超過6.9億物聯(lián)網(wǎng)連接，這一規(guī)模的連接數(shù)中，絕大多數(shù)仍然是通過2G實現(xiàn)的。在2G/3G退網(wǎng)風險下，運營商必須要尋找一個適合客戶的網(wǎng)絡連接。
另一方面，物聯(lián)網(wǎng)連接增速和物聯(lián)網(wǎng)收入增速之間的差距正在縮小，其帶來的平均收益逐步提升，進一步驅(qū)動運營商加快Cat1發(fā)展步伐。
除了Cat.1外，本來eMTC也是一個可選項，但一是eMTC在國內(nèi)的發(fā)展并不樂觀；二是eMTC需要基礎(chǔ)設施建設，二運營商現(xiàn)在正將更多的資源投入到5G建設中，很難有多余的資金投入到eMTC建設中；三是國內(nèi)應用案例有限，可借鑒度不高，開發(fā)難度大。
因此，業(yè)界最終選擇更趨向于LTE Cat.1。
此外，朱凱還介紹了域格的LTE Cat.1模組CLM920系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有低成本特點，可支持LTE-FDD/LTE-TDD/GSM/GPRS，內(nèi)置了豐富的網(wǎng)絡協(xié)議，上下速率可達5Mbps/10Mbps，而且具有強大的可擴展能力。
圖19：CLM920_AR5芯片介紹。
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