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专用芯片使Cat.1焕发新活力,蜂窝物联网格局或迎来颠覆

爱云资讯    2021-09-03 16:19

LTE Cat.1在2020年一夜之间进入爆发期,成为物联网行业的“顶级流量”。同时工信部在去年5月发布了《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》,明确指出由NB-IoT、LTE Cat.1 bis技术承接2G/3G物联网业务。业内普遍认同“10%-30%-60%”的蜂窝物联网结构,即Cat.4以上及5G承载高速率、低时延业务;NB-IoT承载低速率窄带业务;Cat.1或eMTC承载中低速率和语音业务。随着Cat.1技术性能的不断提升,落地的场景越来越丰富,产业界逐渐意识到可能严重低估了Cat.1的市场潜力和爆发力,蜂窝物联网大致1:3:6的格局或迎来颠覆。

如果说,2G/3G清频退网释放的市场需求是Cat.1快速发展的重要推手之一,那么Cat.1 bis规范的硬件(芯片+模组)落地则为Cat.1打开更广阔的市场空间插上了翅膀。

Cat.1 bis让Cat.1焕发新活力

虽然Cat.1技术在最近几年才变得炙手可热,但作为LTE技术规范的一部分,它已经存在了十余年,来自2009年3GPP Release 8的初代LTE定义。

作为最初的驱动力,智能手表等可穿戴类产品在诞生之初只能以智能手机周边配件形式出现,不具备独立的蜂窝通信功能,更称不上绝对意义上的独立品类。究其原因之一,3GPP对于Cat.1定义采取的是双天线的设计,而Cat.1面对的可穿戴设备等大量应用场景都面临极致小型化设计需求,传统4G蜂窝终端必选的2Rx(双接收天线)天线摆放异常艰难,即使强行放入,分集接收效果也会大打折扣。而支持1Rx(单接收天线)接收规格的规范仅限于Cat.0/M1/NB1,这些技术最高1Mbps的极限吞吐不足以满足可穿戴场景的用户体验。因此,随着可穿戴设备的迅速爆发,亟需制定适用于该产品类别的单天线技术规范。

2017年3月,3GPP Release 13 LTE Cat.1 bis核心部分正式冻结,其将初代LTE Cat.1作为技术锚点,会同后续配套的标准性能部分和一致性认证部分,通过极低的标准修订成本,定义出了符合中速人联/物联应用场景且具备完善后向兼容能力的终端能力等级——Cat.1 bis。

可穿戴等物联网终端追求更低的成本和更小的体积,这离不开Cat.1芯片、模组、终端等产业链各环节的共同努力。随着Cat.1 bis技术落地到芯片和模组平台,全新的Cat.1技术(囊括了Cat.1 bis规范)真正焕发活力,迎来飞速发展。

尽管此前Cat.1成熟的网络覆盖、良好的速率支撑、丰富的功能支持以及出众的性价比优势,十分契合中低速率应用场景的连接需求,但是基于此前Cat.1规范的技术在性能、成本、续航和覆盖度方面未能完全满足中低速率多数应用的需求。

随着Cat.1 bis单天线缩减版标准的落地,给了Cat.1一个更清晰的定位,从而催生了Cat.1专用芯片的诞生。与此同时,在现网覆盖能力增强,DRX、eDRX、PSM等省电模式的加持下,Cat.1应用场景极大地拓宽,在牢牢稳住中低速率应用区间情况下,更呈现出可向高、低速率应用两端进攻的积极态势。

Cat.1 bis的后缀“bis”意指“再次”,也寓意了传统Cat.1能力的新生。

除了非常适用于共享经济、BMS、手表手环、云喇叭、公网对讲等新兴行业外,Cat.1预计还将蚕食Cat.4一大部分POS机、IPC、功能机等低端市场,以及NB-IoT近几年一直想拓展但又没有吃下来的定位器、可穿戴外设等市场。中国市场对Cat.1 bis的青睐,以及随之而来的巨大终端出货量,会导致该类型芯片、模组、终端成本迅速降低,进而在全球范围内获得推广。这也是蜂窝通信产品在全球范围内一贯的推广模式。

这对Cat.1芯片带来了更大挑战。既要将速率提升至规范上线、产品尺寸缩小、覆盖能力增强、续航时间延长,又要将成本向LPWA靠拢。这样一来,既可以防守Cat.1原生市场空间,又可以向高、低速率行业市场两头进攻。

设计难度超高的Cat.1芯片需要哪些创新?

由于Cat.1诞生之初是针对手机应用,需要更高的传输速率,而终端连接数量规模庞大的蜂窝物联网,更看重成本和功耗。因此在过去几年,应用于物联网终端的Cat.1的芯片多数是从Cat.4做一些降性能和降成本设计而来,尽管市场需要的是专门设计一颗芯片。

那么Cat.1芯片设计挑战在于哪些方面?

与同样刚刚实现商业化的NB-IoT技术不同,LTE Cat.1在芯片设计复杂度、产品化难度、基站适配多样性等方面高出了几个等级。如果把中低速蜂窝物联网芯片设计难度分为1~10十个等级,NB-IoT芯片的设计难度在2~3级,那Cat.1芯片的设计难度高达7~8级,且业内较缺乏在LTE技术方面有足够积累和经验的设计人员,一般团队难以在短时间内成功研发出产品。

作为蜂窝物联网通信芯片设计公司老兵的智联安,自2013年成立以来,已经在5G NB-IoT芯片及4G LTE通信芯片产品上取得了喜人成绩,第一代NB-IoT芯片MK8010产品已规模化量产落地并出货超过百万片,今年还成功推出全球最小的第二代NB-IoT芯片MK8020,成为国内NB-IoT芯片生力军中的一员。该公司核心研发团队曾参与全球第一颗TD-LTE芯片的研发及量产化工作,在通信算法、物理层技术、协议栈、射频等方面拥有大量自研IP和数十篇发明专利,具备丰富的研发经验和强劲创新能力。

在NB-IoT市场站稳脚跟后,智联安将目光投向了前景越来越广阔的LTE Cat.1领域。

在过去2年,公司已基于UMC28nm工艺完成3版Cat.1 bis芯片流片,全部核心技术—射频、物理层、协议栈、SoC平台—已经在这些流片中得到了充分验证。今年下半年,智联安即将推出面向LTE Cat.1市场的专用芯片MK8110,细分为两个型号:MK8110、MK8110C。MK8110面向“纯数传”市场,集成4MB Flash,不需要额外DRAM,主打LTE Cat.1 Modem功能,适用于计量、自动化、定位跟踪、DTU等行业。MK8110C面向“数传+”市场,集成16MB Flash+8MB PSRAM,通过对OpenMCU、丰富接口及大容量PSRAM的支持,适用于智能POS、支付盒子、安防监控等领域。

在超高设计难度的Cat.1芯片上,智联安成功实现了多项技术创新,实现高集成度、超低电压续航,成为Cat.1芯片新标杆之一。

首先,MK8110系列将是第一颗采用DRAMLess技术的LTE Cat.1 bis专用芯片。

与以往采用DDR作为主要内存的第一代4G物联网芯片,和采用外置SDRAM的第二代4G物联网芯片不同,MK8110通过对Cat.1协议栈的全新设计,使其能够完美顺畅运行在少量的片上SRAM中,这一技术方案使其在“纯数传”应用时的成本和功耗上处于领先优势。同时产品定义中仍保留面向Open MCU的用户PSRAM接口设计,以应对“数传+”市场的需求。采用DRAMLess技术可比现有方案成本降低30%,功耗下降30%~50%。

其次,MK8110系列也将是第一颗集成板级系统所有供电的LTE Cat.1 bis专用芯片。

片上集成了丰富的DC/DC、LDO、电源开关,不仅支撑了芯片内部需要的各种供电,包括对处理器内核、I/O、射频收发器等的供电,而且进一步将板级器件所需的全部供电单元都集成到了SoC内部,包括对PA、双工器、天线开关等的供电。

此外,MK8110系列还是第一颗采用自研的TrueSAWLESS技术的LTE Cat.1 bis专用芯片,相比SAW和传统SAWLess方案,TrueSAWLESS方案接收带宽最窄,而带宽越窄,对带外干扰抑制能力越强。同时,TrueSAWLESS中LNA通带频率随着接收频率自动调整,可确保带内全部频点能最佳覆盖。该技术已经在去年11月流片的RF测试样片中得到了验证,接收机性能相比传统的SAWLess技术提升2-5dB。

结语

在8月中旬中国移动公布的2021年中期业绩中,物联网智能连接数已达到9.8亿,物联网连接数首次超过“人联网”连接数,这是一个历史性时刻。从Cat.1到Cat.1 bis,3GPP标准规范在持续升级演进,并在芯片厂商、模组厂商、终端厂商和运营商等物联网生态圈的共同努力下,成为构建万物互联的沃土。

随着Cat.1技术日趋成熟,应用和市场需求激增,今年芯片需求预计将达到1.1~1.2亿颗,然而供应端目前仅能满足7000万~8000万颗,市场缺口达到4000万~5000万颗左右,整个行业芯片制造产能紧缺在一定程度上限制了Cat.1市场的增长势头。

为此,当前Cat.1产业落地的瓶颈反而落到了芯片种类和产能上,市场也需要更多的芯片平台选择。

随着蜂窝物联网市场的技术选择终将走向专用和精简,谁能在此时成功卡位必定会大放异彩的Cat.1市场,我们拭目以待。

 

 

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责任编辑: ZX4147

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