窄带物联网和射频前端器件的机遇和挑战
概要
随着中国5g时代的到来，本文讨论了其中的一个重要的发展方向：窄带物联网应用 (catm/nb-iot)。从射频器件的角度，本文分析了市场的前景、新的机遇和挑战还有qorvo目前的解决方案。新的catm和nb-iot网络中，对于终端的要求在发生变化，应用于该设备的射频前端器件也有新的发展要求。新的射频前端需要在支持超宽带工作，并且保证低成本的情况下，满足更大范围的工作电压和工作温度，同时达到3gpp规定的射频性能标准。本文从市场前景、频谱需求、空中接口、物理层结构和器件设计方向的角度，阐述了射频前端器件的机遇和挑战。
窄带物联网市场前瞻
5g和iot
许多人相信，2019年会是中国5g的元年。伴随着5g大幕拉开，特别是对于智能手机来说，新的应用和新需求，刺激着射频前端市场涌现出很多新名词，比如，mimo，hpue，nsa，sa，pamid等等。射频前端需要更高整合度，从而支持更加复杂的频段和通信标准。
在手机市场追求更快更强的同时，有另外一个市场就是窄带物联网 (catm /nb-iot)，它在另外一个维度满足市场需求，比如更低功耗，更长待机时间和更低的成本。
图1：5g的使命和任务
5ｇ不仅仅意味着高速的数据连接，同时还会支持海量的iot应用和低时延高可靠性的场景。今天我们谈谈，海量连接中窄带互联的部分。
中国的三大运营商一直在加大 catm /nb-iot网络的部署。到目前为止，中国移动拥有52万个基站，中国联通有33万个，中国电信有41万个（根据网络公开信息整理）。巨大的投入背后，有着巨大的利益驱动。catm /nb-iot是基于蜂窝网的广域网接入标准，电信运营商掌握着nb-iot的网络服务和号码资源，期待在万物互联的世界里面扮演重要的角色。
catm & nb-iot主要应用场景
nb-iot目前主要的应用场景，列举如下：
l 智能安全
l 智能基础设施：智能路灯，智能井盖，智能充电，智能停车。
l 智能表计
l 智能监控
我们观察到在下面领域，出现了迅速的增长：
l 电动自行车监控和管理
l 智能烟雾传感器
l 智能表计（水表／气表／电表）
另外，目前有一些基于nb-iot的新的应用，也引起市场极大的兴趣。
l 智能停车服务：集成了云服务大数据平台，现场交通和停车位信息搜集，通过手机的电子支付，能实现方便的无人值守停车。
l 智能穿戴市场：得益于低功耗，nb-iot终端能够实现超长待机。通过运营商的广域网连接，定位数据和健康数据能自动上传到企业云的个人帐号中，摆脱了传统局域网或者需要连接手机同步数据的束缚。这一点非常适合给老人和小孩的无人看护或者出门定位服务。管理员通过划定电子安全区域，智能穿戴设备出了安全区后，报警信息会自动传到云端和管理员。
射频前端市场新的机会
图2：iot = internet of things
基于蜂窝网的万物互联是一项有前景的新技术。它在一个安全的平台上面，具备远距离，低成本和支持各种通信带宽的特点。这个新的平台，能够建设在已有的lte网络上，从而满足新的市场和应用的需求。
从射频前端供应商的角度，我们看到了一些新的市场需求。
l 新的垂直市场。在已有的蜂窝网需求的基础上，新的低成本和低功耗的解决方案，将会用到新的市场应用当中。
l 多种连接标准会同时共存。产品形态会表现为从简单的低功耗和单频段无线单元，一直到复杂的lte和5g new radio的全球蜂窝网解决方案。
l 多样的应用场景和需求。复杂多样的最终用户市场还有应用，会带来需求和产品的多样化，其中包括室内的应用和户外的一些极端温度和高可靠性要求的场景。
图3：各种通信标准和多应用场景
多样的最终市场、应用还有使用环境，需要优化组合的射频技术来支持。预测在2021年，在“百亿”iot连接设备中，70%的主体是低功耗的家庭／办公应用。
qorvo作为领先的射频解决方案提供商，从家用到高性能全球广域蜂窝网，能够提供优化的射频解决方案。
图4：中低速场景下的各种应用
catm/nb是3gpp所接纳的标准，通过利用现有的4g网络，来满足新市场和应用的需求。通过减少系统的复杂性，应用于cat-m/nb的产品能够来满足低成本和低功耗海量m2m的需求。
射频前端的挑战
全球窄带lte iot频谱
图5：全球catm/nb频段分布
全球应用于窄带物联网通信的频率，分布在中低频范围。射频前端的设计者需要在宽带匹配、谐波抑制、超低功耗还有低成本方面选择最优化的设计方案。
空中接口和物理层结构
表1：catm/nb/lora技术特性比较
我们以nb-iot上行信号为例来说明物理层结构。
l 频域：支持两种带宽，分别是3.75khz和15khz。其中3.75khz窄带宽能带来更大的覆盖范围。支持两种模式，分别是single tone和multi-tone。 singletone适合低速应用。
l 时域：不同的频率带宽，对应不同的时域帧结构。
从上面我们可以看出，nb-iot虽然有要求和lte相同的上行功率(power class3)，但是信号的峰均比较低。另外，nb-iot采用半双工方式工作，避免使用fdd双工器，pa后端的插入损耗小。 这些因素可以让nb-iot的pa更加偏向于非线性的设计，同时采用更小的die设计，从而达到节省成本和提高效率的目的。
射频器件的设计考量
图6：射频前端的关键设计方向
以上图例显示了从产品设计角度看到的一些关键要求。 得分越高，表示这个项目对于最终的应用场景来说，越重要。
l 超宽带：以低频为例，nb-iotpa需要工作在663mhz~915mhz，可用带宽是252mhz。
l 低电压：需要支持1.8v到4.3v工作电压，以便满足不同的电池环境需求。
l 高效率：具备不同的功率模式，从而优化不同功率和电压下面的效率。同时在headroom设计方面，考虑到catm/nb的最高输出功率需求。
l 极端温度：满足-30/-40~+85 degree c工作温度范围。
l 小尺寸：典型的nb模块大小为26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。这个大约相当于一张名片的七分之一。射频前端的尺寸会是很重要的考虑因素。
l 低成本：nb 模块会逐步取代市场上的2g模块，销售价格日趋向2g模块靠拢。射频前端的价格竞争和成本考量无法避免。
我们用qorvo广受好评的rf3628为例来说明上述考虑的因素。
图7：rf3628产品描述
测试信号采用1.4mhz，qpsk，6rb调制，我们分别扫描了b5的各项性能指标。
图8：b5 e-utra aclr1 vs pout/temperature/vcc
图9：b5 pae vs pout/temperature/vcc
在射频前端的链路预算中，假定pa输出损耗为2db，我们可以看到rf3628 高功率模式的 sweet point。
l vcc=2.85v，低电压操作。
l pa输出功率25dbm，天线端口功率23dbm。
l acpr在-37dbm，具有4db的余量，同时pa效率接近40%。
qorvo的解决方案
作为全球领先的射频解决方案供应商，qorvo提供多种解决方案，来满足不同客户和不同场景的需求。
离散方案
图10：rf3628和qm12154
rf3628搭配qm12154/rf1648b是市场上很常见的组合，主要用于单模的catm／nb模块。如果要考虑到增加对gsm的支持，可以另外选配qm52015或者rf5212a芯片。
分离的pa+switch的方案，相比于集成芯片方案，占用的pcb面积比较大，但也具有下面的优点：
l 可以灵活在单频段和双频段之间配置。
l 针对特殊客户或者运营商的需求，可以在pa和switch之间，增加外置滤波器。请参考下图中关于不同频段间可能存在的干扰问题。
图11：gps频段和b3上行频段
图12：低频段的谐波影响到中高频段的接收性能
高整合方案
qm55001在集成pa、开关和滤波器的同时，也支持低电压电池工作。 从而在实现超小尺寸，满足射频性能情况下，减少了直流升压 (boost) 芯片的需求。
图13：不同类型电池对于升压芯片的需求
图14：qm55001功能框图
解决方案小结
图15：catm/nb-iot pa和switch选择矩阵
qorvo产品实际应用举例
bg96 catm/nb egprs模块
图16：bg96装配有qorvo公司的rf3628和rf5212a
以上模块特性描述，引用自www.quectel.com官方网站。
bg95 -g nb-iot 模块
图17：bg95-g装配有qorvo公司的rf3628
sim7000a/c nb-iot 模块
图18：sim7000a/c装配有qorvo公司的rf3628和qm52015
IP2368支持 PD3.0 等多种快充输入输出协议、支持 2~6 节串联电芯 集成升降压驱动 最大充放电功率 100W 的电源管
5G基站建设如何实现低能耗的节能设计
功不可没的华为P10发布会！华为Mate9终于降价了！
三星将削减NAND和DRAM平泽P3晶圆厂投资
离子液体在锂电领域的应用研究
窄带物联网和射频前端器件的机遇和挑战
交错并联全桥LLC电路的仿真验证
中小尺寸面板龙头，Notch屏需求量持续攀升
氢燃料电池原理
美国人文与科学学院发布最新入选院士名单,百度总裁张亚勤入选
超级电容电池工作原理
苹果规划三款新的笔记本电脑：MacBook Pro将得到升级
华为胡厚崑：今年是重要技术年 预计5G手机6月上市
磁带录音机的工作原理，由哪几部分组成
大功率LED灯珠及LED点光源选择技巧
企业转型升级的主要依靠是智能制造
沃尔玛与福特等合作推出自动驾驶汽车送货到家服务
波峰焊设备的维护保养
果蔬农药残留速测仪(恒美HM-NC12)有哪些性能
众多空气净化器品牌该如何选择，为大家推荐的几个牌子
随着中国5g时代的到来，本文讨论了其中的一个重要的发展方向：窄带物联网应用 (catm/nb-iot)。从射频器件的角度，本文分析了市场的前景、新的机遇和挑战还有qorvo目前的解决方案。新的catm和nb-iot网络中，对于终端的要求在发生变化，应用于该设备的射频前端器件也有新的发展要求。新的射频前端需要在支持超宽带工作，并且保证低成本的情况下，满足更大范围的工作电压和工作温度，同时达到3gpp规定的射频性能标准。本文从市场前景、频谱需求、空中接口、物理层结构和器件设计方向的角度，阐述了射频前端器件的机遇和挑战。
窄带物联网市场前瞻
5g和iot
许多人相信，2019年会是中国5g的元年。伴随着5g大幕拉开，特别是对于智能手机来说，新的应用和新需求，刺激着射频前端市场涌现出很多新名词，比如，mimo，hpue，nsa，sa，pamid等等。射频前端需要更高整合度，从而支持更加复杂的频段和通信标准。
在手机市场追求更快更强的同时，有另外一个市场就是窄带物联网 (catm /nb-iot)，它在另外一个维度满足市场需求，比如更低功耗，更长待机时间和更低的成本。
图1：5g的使命和任务
5ｇ不仅仅意味着高速的数据连接，同时还会支持海量的iot应用和低时延高可靠性的场景。今天我们谈谈，海量连接中窄带互联的部分。
中国的三大运营商一直在加大 catm /nb-iot网络的部署。到目前为止，中国移动拥有52万个基站，中国联通有33万个，中国电信有41万个（根据网络公开信息整理）。巨大的投入背后，有着巨大的利益驱动。catm /nb-iot是基于蜂窝网的广域网接入标准，电信运营商掌握着nb-iot的网络服务和号码资源，期待在万物互联的世界里面扮演重要的角色。
catm & nb-iot主要应用场景
nb-iot目前主要的应用场景，列举如下：
l 智能安全
l 智能基础设施：智能路灯，智能井盖，智能充电，智能停车。
l 智能表计
l 智能监控
我们观察到在下面领域，出现了迅速的增长：
l 电动自行车监控和管理
l 智能烟雾传感器
l 智能表计（水表／气表／电表）
另外，目前有一些基于nb-iot的新的应用，也引起市场极大的兴趣。
l 智能停车服务：集成了云服务大数据平台，现场交通和停车位信息搜集，通过手机的电子支付，能实现方便的无人值守停车。
l 智能穿戴市场：得益于低功耗，nb-iot终端能够实现超长待机。通过运营商的广域网连接，定位数据和健康数据能自动上传到企业云的个人帐号中，摆脱了传统局域网或者需要连接手机同步数据的束缚。这一点非常适合给老人和小孩的无人看护或者出门定位服务。管理员通过划定电子安全区域，智能穿戴设备出了安全区后，报警信息会自动传到云端和管理员。
射频前端市场新的机会
图2：iot = internet of things
基于蜂窝网的万物互联是一项有前景的新技术。它在一个安全的平台上面，具备远距离，低成本和支持各种通信带宽的特点。这个新的平台，能够建设在已有的lte网络上，从而满足新的市场和应用的需求。
从射频前端供应商的角度，我们看到了一些新的市场需求。
l 新的垂直市场。在已有的蜂窝网需求的基础上，新的低成本和低功耗的解决方案，将会用到新的市场应用当中。
l 多种连接标准会同时共存。产品形态会表现为从简单的低功耗和单频段无线单元，一直到复杂的lte和5g new radio的全球蜂窝网解决方案。
l 多样的应用场景和需求。复杂多样的最终用户市场还有应用，会带来需求和产品的多样化，其中包括室内的应用和户外的一些极端温度和高可靠性要求的场景。
图3：各种通信标准和多应用场景
多样的最终市场、应用还有使用环境，需要优化组合的射频技术来支持。预测在2021年，在“百亿”iot连接设备中，70%的主体是低功耗的家庭／办公应用。
qorvo作为领先的射频解决方案提供商，从家用到高性能全球广域蜂窝网，能够提供优化的射频解决方案。
图4：中低速场景下的各种应用
catm/nb是3gpp所接纳的标准，通过利用现有的4g网络，来满足新市场和应用的需求。通过减少系统的复杂性，应用于cat-m/nb的产品能够来满足低成本和低功耗海量m2m的需求。
射频前端的挑战
全球窄带lte iot频谱
图5：全球catm/nb频段分布
全球应用于窄带物联网通信的频率，分布在中低频范围。射频前端的设计者需要在宽带匹配、谐波抑制、超低功耗还有低成本方面选择最优化的设计方案。
空中接口和物理层结构
表1：catm/nb/lora技术特性比较
我们以nb-iot上行信号为例来说明物理层结构。
l 频域：支持两种带宽，分别是3.75khz和15khz。其中3.75khz窄带宽能带来更大的覆盖范围。支持两种模式，分别是single tone和multi-tone。 singletone适合低速应用。
l 时域：不同的频率带宽，对应不同的时域帧结构。
从上面我们可以看出，nb-iot虽然有要求和lte相同的上行功率(power class3)，但是信号的峰均比较低。另外，nb-iot采用半双工方式工作，避免使用fdd双工器，pa后端的插入损耗小。 这些因素可以让nb-iot的pa更加偏向于非线性的设计，同时采用更小的die设计，从而达到节省成本和提高效率的目的。
射频器件的设计考量
图6：射频前端的关键设计方向
以上图例显示了从产品设计角度看到的一些关键要求。 得分越高，表示这个项目对于最终的应用场景来说，越重要。
l 超宽带：以低频为例，nb-iotpa需要工作在663mhz~915mhz，可用带宽是252mhz。
l 低电压：需要支持1.8v到4.3v工作电压，以便满足不同的电池环境需求。
l 高效率：具备不同的功率模式，从而优化不同功率和电压下面的效率。同时在headroom设计方面，考虑到catm/nb的最高输出功率需求。
l 极端温度：满足-30/-40~+85 degree c工作温度范围。
l 小尺寸：典型的nb模块大小为26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。这个大约相当于一张名片的七分之一。射频前端的尺寸会是很重要的考虑因素。
l 低成本：nb 模块会逐步取代市场上的2g模块，销售价格日趋向2g模块靠拢。射频前端的价格竞争和成本考量无法避免。
我们用qorvo广受好评的rf3628为例来说明上述考虑的因素。
图7：rf3628产品描述
测试信号采用1.4mhz，qpsk，6rb调制，我们分别扫描了b5的各项性能指标。
图8：b5 e-utra aclr1 vs pout/temperature/vcc
图9：b5 pae vs pout/temperature/vcc
在射频前端的链路预算中，假定pa输出损耗为2db，我们可以看到rf3628 高功率模式的 sweet point。
l vcc=2.85v，低电压操作。
l pa输出功率25dbm，天线端口功率23dbm。
l acpr在-37dbm，具有4db的余量，同时pa效率接近40%。
qorvo的解决方案
作为全球领先的射频解决方案供应商，qorvo提供多种解决方案，来满足不同客户和不同场景的需求。
离散方案
图10：rf3628和qm12154
rf3628搭配qm12154/rf1648b是市场上很常见的组合，主要用于单模的catm／nb模块。如果要考虑到增加对gsm的支持，可以另外选配qm52015或者rf5212a芯片。
分离的pa+switch的方案，相比于集成芯片方案，占用的pcb面积比较大，但也具有下面的优点：
l 可以灵活在单频段和双频段之间配置。
l 针对特殊客户或者运营商的需求，可以在pa和switch之间，增加外置滤波器。请参考下图中关于不同频段间可能存在的干扰问题。
图11：gps频段和b3上行频段
图12：低频段的谐波影响到中高频段的接收性能
高整合方案
qm55001在集成pa、开关和滤波器的同时，也支持低电压电池工作。 从而在实现超小尺寸，满足射频性能情况下，减少了直流升压 (boost) 芯片的需求。
图13：不同类型电池对于升压芯片的需求
图14：qm55001功能框图
解决方案小结
图15：catm/nb-iot pa和switch选择矩阵
qorvo产品实际应用举例
bg96 catm/nb egprs模块
图16：bg96装配有qorvo公司的rf3628和rf5212a
以上模块特性描述，引用自www.quectel.com官方网站。
bg95 -g nb-iot 模块
图17：bg95-g装配有qorvo公司的rf3628
sim7000a/c nb-iot 模块
图18：sim7000a/c装配有qorvo公司的rf3628和qm52015
IP2368支持 PD3.0 等多种快充输入输出协议、支持 2~6 节串联电芯 集成升降压驱动 最大充放电功率 100W 的电源管
5G基站建设如何实现低能耗的节能设计
功不可没的华为P10发布会！华为Mate9终于降价了！
三星将削减NAND和DRAM平泽P3晶圆厂投资
离子液体在锂电领域的应用研究
窄带物联网和射频前端器件的机遇和挑战
交错并联全桥LLC电路的仿真验证
中小尺寸面板龙头，Notch屏需求量持续攀升
氢燃料电池原理
美国人文与科学学院发布最新入选院士名单,百度总裁张亚勤入选
超级电容电池工作原理
苹果规划三款新的笔记本电脑：MacBook Pro将得到升级
华为胡厚崑：今年是重要技术年 预计5G手机6月上市
磁带录音机的工作原理，由哪几部分组成
大功率LED灯珠及LED点光源选择技巧
企业转型升级的主要依靠是智能制造
沃尔玛与福特等合作推出自动驾驶汽车送货到家服务
波峰焊设备的维护保养
果蔬农药残留速测仪(恒美HM-NC12)有哪些性能
众多空气净化器品牌该如何选择，为大家推荐的几个牌子