非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)如何重新活過來

Chirp，中文譯名啁啾（讀音：“周糾”），是一種編碼脈沖技術(shù)。CSS是英文Chirp Spread Spectrum的縮寫，中文意為啁啾擴(kuò)頻，又稱線性調(diào)頻擴(kuò)頻，是數(shù)字通信中的一種擴(kuò)頻技術(shù)。CSS技術(shù)能夠提升無線通信的性能和距離，實(shí)現(xiàn)比FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）等調(diào)制技術(shù)距離更遠(yuǎn)的無線通信，這非常有助于非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化的組網(wǎng)應(yīng)用。本文就從CSS技術(shù)、市場(chǎng)、射頻收發(fā)器等方面做簡(jiǎn)要闡述。

CSS擴(kuò)頻技術(shù)傳輸性能優(yōu)異 實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的無線通信

CSS技術(shù)并非是一種新的技術(shù)。在自然界里，Chirp脈沖就為海豚和蝙蝠等生物所用。20世紀(jì)40年代Hüttmann教授發(fā)明了雷達(dá)應(yīng)用專利，后由Sidney Darlington進(jìn)一步將CSS技術(shù)引入雷達(dá)系統(tǒng)創(chuàng)造性地開發(fā)了脈沖壓縮（Chirp）雷達(dá)。自1997年以來人們開始研究將CSS技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)的無線數(shù)據(jù)傳輸。后來，IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)將CSS指定為了一種用于低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)（LR－WPAN）的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率可擴(kuò)展性、遠(yuǎn)距離、更低功耗和成本，其與差分相移鍵控調(diào)制（DPSK）等技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更好的通信性能。CSS技術(shù)使用了其全部分配帶寬來廣播信號(hào)，從而使其對(duì)信道噪聲具有一定的魯棒性。CSS技術(shù)在非常低的功率下也能夠抵抗多徑衰落，非常適用于要求低功耗和較低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用場(chǎng)景。CSS技術(shù)的低成本、低功耗、遠(yuǎn)距離以及數(shù)據(jù)速率的可擴(kuò)展性等特性為產(chǎn)品商業(yè)化應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)的可能。

從CSS技術(shù)應(yīng)用情況來看，德國(guó)Nanotron公司使用CSS技術(shù)在2．4GHz頻段上實(shí)現(xiàn)了570米的距離通信。美國(guó)Semtech公司的LoRa產(chǎn)品使用CSS技術(shù)在Sub－1GHz頻段上實(shí)現(xiàn)了幾公里，甚至幾十公里的距離通信。

CSS技術(shù)通信距離遠(yuǎn)可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的無線連接，大大降低無線接入和組網(wǎng)的成本，組建經(jīng)濟(jì)高效的無線廣域網(wǎng)絡(luò)，有助于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化部署應(yīng)用。CSS技術(shù)的普及應(yīng)用將為新興的非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的發(fā)展注入了新的活力，將會(huì)有力地推動(dòng)行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。

非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)方興未艾 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展步入規(guī)?；瘧?yīng)用階段

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（Low－Power Wide Area Network， LPWAN）大致可以分為蜂窩和非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)。蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)是指由運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的基于蜂窩技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，一般是指3GPP主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，代表技術(shù)有NB－IoT、LTE－M（eMTC）和EC－GSM－IoT等；非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)主要是指由企業(yè)自主建設(shè)使用免許可頻段組建的網(wǎng)絡(luò)，代表技術(shù)有SIGFOX、LoRaWAN、ZETA等。也有的提出0G網(wǎng)絡(luò)，是相對(duì)于1G／2G／3G／4G而言，在通信領(lǐng)域一般是指蜂窩移動(dòng)電話之前的移動(dòng)電話技術(shù)，如無線電話。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，0G指的是一個(gè)低帶寬的無線網(wǎng)絡(luò)，沒有SIM卡、沒有流量、低成本接入、遠(yuǎn)距離通信、傳輸少量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，也就是非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)。非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是源于對(duì)數(shù)據(jù)大規(guī)模采集和大量設(shè)備管理等的需求，并借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和平臺(tái)提升了基于數(shù)據(jù)的智能化管理水平。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展步入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。目前，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于市政、園區(qū)、水務(wù)、消防、物流、家居、電力、社區(qū)、工廠、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域。

不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)示意圖

實(shí)際上，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)和蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)相互之間是一種相互依存互為補(bǔ)充的關(guān)系。一般地，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)都是通過網(wǎng)關(guān)（或稱為集中器，或稱為基站）連接到互聯(lián)網(wǎng)，而網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)的方式一般是有線或蜂窩網(wǎng)絡(luò)等公網(wǎng)，最終還是要走公網(wǎng)的管道，畢竟有線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)是廣泛存在的基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)。另一方面，傳感器或設(shè)備多是基于微控制器（MCU）的，受其資源限制，僅可運(yùn)行輕量的簡(jiǎn)單通信協(xié)議或定制化通信協(xié)議，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），網(wǎng)關(guān)起到了非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接器的作用。非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)更是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的拓展延伸。非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)不同的無線接入技術(shù)可以滿足物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際部署中各種各樣無線連接的應(yīng)用需求，為傳感器網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備聯(lián)網(wǎng)提供了靈活的無線接入方式和便捷的網(wǎng)絡(luò)部署。

非蜂窩和蜂窩技術(shù)也可以相互融合。最近有報(bào)道稱，在手機(jī)上集成了無線通信技術(shù)，可以在沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的情況下，實(shí)現(xiàn)兩機(jī)或多機(jī)的無線遠(yuǎn)距離相互通信，并可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)、定位等功能，這也為非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了新的應(yīng)用場(chǎng)景。

同時(shí)，非蜂窩網(wǎng)絡(luò)也在國(guó)家電網(wǎng)方面具有非常強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。據(jù)最近流傳的國(guó)家電網(wǎng)《電力設(shè)備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)協(xié)議》顯示，針對(duì)電力設(shè)備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和傳感器接入應(yīng)用，在物理層協(xié)議規(guī)范中有對(duì)CSS物理層進(jìn)行了定義，”CSS物理層：工作在470－510MHz或者2400－2483．5MHz頻段，采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）調(diào)制。線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）調(diào)制應(yīng)符合LoRaWAN 1．1 Specification 和IEEE Std 802．15．4TM－2015物理層的規(guī)定”。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中將會(huì)有著更為廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。除電力市場(chǎng)之外，其他抄表類市場(chǎng)應(yīng)用，如：水表、氣表、燃?xì)獗淼?，也是非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)重要的典型應(yīng)用市場(chǎng)。

另外，在一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域里，考慮到數(shù)據(jù)和安全等方面的因素，需要非蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將設(shè)備接入到專網(wǎng)上，以保障私域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)隱私和安全性。非蜂窩無線技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。

非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)可以組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，連接和管理一定范圍內(nèi)大量傳感器或設(shè)備等，也可以成為一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，由專門公司來提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，或者說是一種物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)服務(wù)。在國(guó)外物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式已開始發(fā)展，如Sigfox等。而國(guó)內(nèi)情況還處于探索發(fā)展階段，目前主要還是以提供解決方案為主。

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)發(fā)展前景看好 非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)預(yù)期規(guī)模增速明顯

根據(jù)IHS Markit預(yù)測(cè)，2017年全球LPWAN連接數(shù)量為8753．7萬個(gè)，預(yù)計(jì)到2023年可達(dá)171698．4萬個(gè)，2017－2023年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為64％。其中，除NB－IoT和LTE－M等蜂窩連接之外，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量2017年為8124．8萬個(gè)，2023年預(yù)計(jì)可達(dá)84443．6萬個(gè)，2017－2023年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為48％。到2023年非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)模占比約為50％，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)未來具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2017－2023年全球LPWAN連接數(shù)量（來源：IHS Markit 2019）

射頻收發(fā)器受市場(chǎng)關(guān)注 Sub－1GHz頻段更受青睞

一個(gè)完整的應(yīng)用非蜂窩技術(shù)的應(yīng)用圖包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層中的射頻收發(fā)器主要用于傳感器和網(wǎng)關(guān)之間的信息交互。

非蜂窩技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用框圖

射頻收發(fā)器是非蜂窩技術(shù)組網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵器件，隨著非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，射頻收發(fā)器產(chǎn)品越來越受到市場(chǎng)關(guān)注。從業(yè)界目前非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用情況來看， 采用的都是國(guó)外半導(dǎo)體公司的射頻收發(fā)器產(chǎn)品，這些廠商有Semtech、ST、Silicon Labs、TI、NXP、ON等，鮮有國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品。Semtech公司的LoRa產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)上得到了很多公司的支持，國(guó)內(nèi)少數(shù)公司通過IP授權(quán)的方式獲得了LoRa IP，提供本地化產(chǎn)品，這些廠商有翱捷（ASR）、國(guó)民技術(shù)、華普等公司。隨著射頻收發(fā)器市場(chǎng)需求的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的一些芯片設(shè)計(jì)公司也開始研究和開發(fā)射頻收發(fā)器產(chǎn)品。最近有報(bào)道稱，國(guó)內(nèi)上海磐啟微電子有限公司推出了基于CSS技術(shù)的Chirp－IOT芯片PAN3028，融合了多維信號(hào)調(diào)制技術(shù)解決了頻率不連續(xù)對(duì)射頻的影響，提高了接收靈敏度，在射頻收發(fā)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的技術(shù)突破。Chirp－IOT產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化也填補(bǔ)了中國(guó)非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的空白。

由于射頻收發(fā)器在Sub－1GHz頻段上具有良好的無線傳輸特性，傳輸距離遠(yuǎn)、障礙物穿透能力強(qiáng)等，非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)基本都是采用Sub－1GHz射頻收發(fā)器組建網(wǎng)絡(luò)。下面是關(guān)于Sub－1GHz射頻收發(fā)器主要的廠商：

Sub－1GHz射頻收發(fā)器廠商

萬物智聯(lián)市場(chǎng)快速發(fā)展需求大 集成電路設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)化迎新機(jī)遇

中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模大，對(duì)集成電路的需求也大，而目前還較多地依賴于集成電路的進(jìn)口。根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)進(jìn)口集成電路有4170億塊，進(jìn)口金額達(dá)3107億美元。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)2018年集成電路產(chǎn)量1739．47億個(gè)，國(guó)產(chǎn)集成電路產(chǎn)量不足進(jìn)口量一半。近些年，國(guó)家不斷加大對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度，出現(xiàn)了一大批新的集成電路設(shè)計(jì)公司，集成電路技術(shù)水平也在逐步提升。加之近兩年中美貿(mào)易環(huán)境的變化，加速了集成電路國(guó)產(chǎn)化的速度。在涉及到國(guó)家核心重要應(yīng)用領(lǐng)域，仍然是強(qiáng)調(diào)國(guó)產(chǎn)自主可控。這是中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)公司一個(gè)重要的發(fā)展契機(jī)，也是非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)行業(yè)一個(gè)發(fā)展機(jī)會(huì)。隨著萬物智聯(lián)市場(chǎng)的快速發(fā)展，中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)也將會(huì)迎來一波新的發(fā)展機(jī)遇。

根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)值為2519．3億人民幣，同比增長(zhǎng)21．5％，2009到2018年中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)值年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為28．7％，集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)保持了較高的發(fā)展速度。

結(jié)語

CSS技術(shù)在無線通信方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，有助于非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大范圍的組網(wǎng)應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)無線連接需求的不斷增長(zhǎng)，射頻收發(fā)器產(chǎn)品越來越受到芯片公司的關(guān)注。而國(guó)內(nèi)射頻收發(fā)器產(chǎn)品廠商少，行業(yè)發(fā)展還比較薄弱，需要更多的國(guó)內(nèi)射頻收發(fā)器廠商共同的參與，助力非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的發(fā)展，賦能非蜂窩廣域網(wǎng)無線超連接，創(chuàng)新更多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

未來，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，或許會(huì)出現(xiàn)更多的新技術(shù)、新產(chǎn)品，這也將會(huì)大大豐富非蜂窩廣域網(wǎng)絡(luò)生態(tài)?！蔼?dú)木不成林”。需要各行各業(yè)共同的參與，建立共建共享共榮的良性發(fā)展生態(tài)。