窄帶物聯(lián)網(wǎng)射頻前端的新機(jī)遇和挑戰(zhàn)

概要

隨著中國(guó)5G時(shí)代的到來，本文討論了其中的一個(gè)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(chǎng)的前景、新的機(jī)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(duì)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(shí)達(dá)到3GPP規(guī)定的射頻性能標(biāo)準(zhǔn)。本文從市場(chǎng)前景、頻譜需求、空中接口、物理層結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)方向的角度，闡述了射頻前端器件的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)前瞻

5G和IoT

許多人相信，2019年會(huì)是中國(guó)5G的元年。伴隨著5G大幕拉開，特別是對(duì)于智能手機(jī)來說，新的應(yīng)用和新需求，刺激著射頻前端市場(chǎng)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(jī)市場(chǎng)追求更快更強(qiáng)的同時(shí)，有另外一個(gè)市場(chǎng)就是窄帶物聯(lián)網(wǎng) (CatM /NB-IoT)，它在另外一個(gè)維度滿足市場(chǎng)需求，比如更低功耗，更長(zhǎng)待機(jī)時(shí)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(shí)還會(huì)支持海量的IoT應(yīng)用和低時(shí)延高可靠性的場(chǎng)景。今天我們談?wù)?，海量連接中窄帶互聯(lián)的部分。

中國(guó)的三大運(yùn)營(yíng)商一直在加大 CatM /NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署。到目前為止，中國(guó)移動(dòng)擁有52萬(wàn)個(gè)基站，中國(guó)聯(lián)通有33萬(wàn)個(gè)，中國(guó)電信有41萬(wàn)個(gè)(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(dòng)。CatM /NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)的廣域網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)，電信運(yùn)營(yíng)商掌握著NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和號(hào)碼資源，期待在萬(wàn)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(chǎng)景

NB-IoT目前主要的應(yīng)用場(chǎng)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(jì)

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(zhǎng)：

l 電動(dòng)自行車監(jiān)控和管理

l 智能煙霧傳感器

l 智能表計(jì)(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(chǎng)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(tái)，現(xiàn)場(chǎng)交通和停車位信息搜集，通過手機(jī)的電子支付，能實(shí)現(xiàn)方便的無(wú)人值守停車。

l 智能穿戴市場(chǎng)：得益于低功耗，NB-IoT終端能夠?qū)崿F(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)。通過運(yùn)營(yíng)商的廣域網(wǎng)連接，定位數(shù)據(jù)和健康數(shù)據(jù)能自動(dòng)上傳到企業(yè)云的個(gè)人帳號(hào)中，擺脫了傳統(tǒng)局域網(wǎng)或者需要連接手機(jī)同步數(shù)據(jù)的束縛。這一點(diǎn)非常適合給老人和小孩的無(wú)人看護(hù)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(bào)警信息會(huì)自動(dòng)傳到云端和管理員。

射頻前端市場(chǎng)新的機(jī)會(huì)

圖2：IoT = Internet of things

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

l 新的垂直市場(chǎng)。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(huì)用到新的市場(chǎng)應(yīng)用當(dāng)中。

l 多種連接標(biāo)準(zhǔn)會(huì)同時(shí)共存。產(chǎn)品形態(tài)會(huì)表現(xiàn)為從簡(jiǎn)單的低功耗和單頻段無(wú)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(chǎng)景和需求。復(fù)雜多樣的最終用戶市場(chǎng)還有應(yīng)用，會(huì)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(chǎng)景。

圖3：各種通信標(biāo)準(zhǔn)和多應(yīng)用場(chǎng)景

多樣的最終市場(chǎng)、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(cè)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。

圖4：中低速場(chǎng)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(chǎng)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

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(jì)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(jì)方案。

空中接口和物理層結(jié)構(gòu)

表1：CatM/NB/LoRa技術(shù)特性比較

我們以NB-IoT上行信號(hào)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(shí)域：不同的頻率帶寬，對(duì)應(yīng)不同的時(shí)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(hào)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(jì)，同時(shí)采用更小的Die設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)省成本和提高效率的目的。

射頻器件的設(shè)計(jì)考量

圖6：射頻前端的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方向

以上圖例顯示了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度看到的一些關(guān)鍵要求。 得分越高，表示這個(gè)項(xiàng)目對(duì)于最終的應(yīng)用場(chǎng)景來說，越重要。

l 超寬帶：以低頻為例，NB-IoTPA需要工作在663MHz~915MHz，可用帶寬是252MHz。

l 低電壓：需要支持1.8V到4.3V工作電壓，以便滿足不同的電池環(huán)境需求。

l 高效率：具備不同的功率模式，從而優(yōu)化不同功率和電壓下面的效率。同時(shí)在headroom設(shè)計(jì)方面，考慮到CatM/NB的最高輸出功率需求。

l 極端溫度：滿足-30/-40~+85 degree C工作溫度范圍。

l 小尺寸：典型的NB模塊大小為26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。這個(gè)大約相當(dāng)于一張名片的七分之一。射頻前端的尺寸會(huì)是很重要的考慮因素。

l 低成本：NB 模塊會(huì)逐步取代市場(chǎng)上的2G模塊，銷售價(jià)格日趨向2G模塊靠攏。射頻前端的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和成本考量無(wú)法避免。

我們用QORVO廣受好評(píng)的RF3628為例來說明上述考慮的因素。

圖7：RF3628產(chǎn)品描述

測(cè)試信號(hào)采用1.4MHz，QPSK，6RB調(diào)制，我們分別掃描了B5的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

圖8：B5 E-UTRA ACLR1 vs Pout/temperature/Vcc

圖9：B5 PAE vs Pout/temperature/Vcc

在射頻前端的鏈路預(yù)算中，假定PA輸出損耗為2dB，我們可以看到RF3628 高功率模式的 sweet point。

l Vcc=2.85V，低電壓操作。

l PA輸出功率25dBm，天線端口功率23dBm。

l ACPR在-37dBm，具有4dB的余量，同時(shí)PA效率接近40%。

QORVO的解決方案

作為全球領(lǐng)先的射頻解決方案供應(yīng)商，QORVO提供多種解決方案，來滿足不同客戶和不同場(chǎng)景的需求。

離散方案

圖10：RF3628和QM12154

RF3628搭配QM12154/RF1648B是市場(chǎng)上很常見的組合，主要用于單模的CatM/NB模塊。如果要考慮到增加對(duì)GSM的支持，可以另外選配QM52015或者RF5212A芯片。

分離的PA+switch的方案，相比于集成芯片方案，占用的PCB面積比較大，但也具有下面的優(yōu)點(diǎn)：

l 可以靈活在單頻段和雙頻段之間配置。

l 針對(duì)特殊客戶或者運(yùn)營(yíng)商的需求，可以在PA和switch之間，增加外置濾波器。請(qǐng)參考下圖中關(guān)于不同頻段間可能存在的干擾問題。

圖11：GPS頻段和B3上行頻段

圖12：低頻段的諧波影響到中高頻段的接收性能

高整合方案

QM55001在集成PA、開關(guān)和濾波器的同時(shí)，也支持低電壓電池工作。 從而在實(shí)現(xiàn)超小尺寸，滿足射頻性能情況下，減少了直流升壓 (boost) 芯片的需求。

圖13：不同類型電池對(duì)于升壓芯片的需求

圖14：QM55001功能框圖

解決方案小結(jié)

圖15：CatM/NB-IoT PA和Switch選擇矩陣

QORVO產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用舉例

BG96 CatM/NB EGPRS模塊

圖16：BG96裝配有QORVO公司的RF3628和RF5212A

以上模塊特性描述，引用自www.quectel.com官方網(wǎng)站。

BG95 -G NB-IoT 模塊

圖17：BG95-G裝配有QORVO公司的RF3628

以上模塊特性描述，引用自www.quectel.com官方網(wǎng)站。

SIM7000A/C NB-IoT 模塊

圖18：SIM7000A/C裝配有QORVO公司的RF3628和QM52015

以上模塊特性描述，引用自www.simcom.com官方網(wǎng)站。