窄带物联网射频前端的新机遇和挑战

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

以上模块特性描述，引用自www.quectel.com官方网站。

SIM7000A/C NB-IoT 模块

 

 

图18：SIM7000A/C装配有QORVO公司的RF3628和QM52015

以上模块特性描述，引用自www.simcom.com官方网站。