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 (Cat-M /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 Cat-M/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。Cat-M/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。 Cat-M & NB-IoT主要应用场景 NB-IoT目前主要的应用场景,列举如下:
我们观察到在下面领域,出现了迅速的增长:
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。
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。
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 Cat-M/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。 全球窄带LTE IoT频谱 图5:全球Cat-M/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:Cat-M/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。
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。
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。
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Cat-M/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:
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:Cat-M/NB-IoT PA和Switch选择矩阵 QORVO产品实际应用举例 ▲ BG96 Cat-M/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。 |
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