窄带物联网市场前瞻和新的机会

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 (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：

智能安全
智能基础设施：智能路灯，智能井盖，智能充电，智能停车。
智能表计
智能监控

我们观察到在下面领域，出现了迅速的增长：

电动自行车监控和管理
智能烟雾传感器
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。

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。
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。

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。
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。
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

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。

射频前端的挑战

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。

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。
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