物联网连接技术谁主沉浮？

对于物联网来说，主要划分为传感层、传输层和应用层，而在传输层上，设备与设备之间的连接至关重要。目前物联网的连接方式多种多样，短程的有私有协议sub-1GHz，蓝牙、WiFi、ZigBee、Thread等等，远程的有LoRa、NB-IoT、2G、LTE Cat1、LTE Cat4，以及已经来临的5G等等。这么多的连接方式，在接下来的几年，谁将会获得更大的发展呢？

在由<电子发烧友>举办的2019年度“第六届中国物联网大会”的“通信网络”分论坛上，与会嘉宾分享了他们的精彩观点。

第二代WiFi6技术即将来临

WiFi是我们日常生活中接触最多的一种无线连接方式，现在只要有网络的地方基本都有一台WiFi路由器。而WiFi技术也经历了从802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax，WiFi联盟为了简化名称，将802.11ax标准称为WiFi6。

图1：不同WiFi标准的传输速率情况。

据市场调研机构预测，到2020年，每个人家里会有50个设备连接到WiFi，而WiFi6的产品会占所有WiFi产品出货量的一半。

图2：Qorvo市场经理Jeff Lin。

Qorvo市场经理Jeff Lin在“通信网络”分论坛上指出，WiFi6在2019年芯片的出货量约有3~5百万，目前市面上也可以找到一些产品，比如TP-Link和华硕等企业推出的路由器产品。

而且为了进一步提升效能，WiFi6在原有的2.4GHz和5GHz频段之外，还扩展了一个新的频段，即6GHz。Jeff Lin还特别介绍了WiFi6所包含的其他一些新技术，比如OFDMA、1024QAM、8×8 MU-MIMO、上传链路资源调度技术、以及智能节电方案TWT。

图3：WiFi频谱扩展情况，美国与欧洲的差别。

第一代WiFi已经落地，但第二代WiFi6标准还在制定当中，据Jeff Lin透露，其实第二代WiFi6的主要规范已经制定好了，但需要等到2020年才会正式发布具体规范，他预计2020年下半年会具体第二代WiFi6产品面市。而到2021年，WiFi6的所有规范应该就可以完善了。

由此可知，6G~7GHz的扩展频段是第二代WiFi6的重点。不过对于此扩展频段不同地区的开放程度也有所不同，其中美国是全开放的，而欧洲是开放了一部分。（见图3所示）

当然，他承认，就目前来看，市面上支持WiFi6的终端产品还不多，主要以2.4GHz和5GHz为主，因此，现在的路由器产品是将2.4GHz和5GHz作为前传网络，而6GHz作为后传主干网络使用，主要用于AP与AP之间的连接。

对于6GHz的WiFi6产品，目前高通、博通已经在做相关产品了，而Qorvo也有相应的支持产品可供方案厂商选择。

低功耗远距离物联网弥补广域网覆盖缺陷

中国有着全球最好的通信基础设施建设，很多偏远地区都有信号覆盖，但即便如此，在一些人迹罕至的山区，人口密集的集会等场合，还是会有信号覆盖问题出现。因此，出现了一些可以支持机器与机器直接通信的产品。这些产品一般会使用私有协议进行通信，按照规定，私有协议的产品发射功率有严格的限制。

图4：上海磐启微电子有限公司创始人兼CEO李宝骐。

上海磐启微电子有限公司创始人兼CEO李宝骐介绍了其低功耗远距离物联网芯片------Chirp-IoT芯片PAN3028的设计原理、特性和应用场景。

在李宝骐看来，设计一款非蜂窝广域物联网芯片必然要面对抗干扰性、低功耗，和远距离的挑战。需要抗干扰性，是因为470~510、779~787MHz频段是各种业务应用都常常使用的频段，已经非常拥挤了，特别是该频段还是广播业务频率，这就会造成信号与广播、卫星监控等相互干扰现象；芯片需要低功耗，是因为物联网设备往往需要工作很长时间，有的甚至需要10年都不换电池；而远距离，则是需要广泛适用于城市和农村信道环境，覆盖范围需要达到几公里，甚至几十公里。

但发射功率却又收到严格限制，一般仅为100mW或者50mW。如何在给定的这个发射功率下，提高传输距离呢？李宝骐认为，智能提高接收灵敏度了。

图5：磐启Chirp-IoT芯片与竞争对手产品的灵敏度对比。

他在演讲中表示，因为发射功率很低，很多时候发射的信号可能比白噪声还要低100倍，那如何从白噪声中提取这些信号呢？他做了一个比喻，说提取这些信号，就似大海捞针，如果靠眼睛去寻找确实不容易，但是如果有一块磁铁，那就完全不一样了。

Chirp-IoT芯片就是利用了这个“磁铁”的原理将信号从白噪声中提取出来的。因为线性调频（Chirp）信号，是一种扩频信号，其扩频增益等于时间带宽积，在信号接收端做适当处理后可以获得一定的抗窄带干扰能力。由于线性调频信号具有良好的自相关特性，经过匹配滤波器后，可以将横幅信号变成窄脉冲信号，原来在码元时间内均匀分布的信号能量将大部分集中到窄脉冲的峰值点附近，而在其他时刻能量很小。从而可以提取出被白噪声掩盖的信号。

“因为一个信号中包含频率、相位和幅度，我们将这些参数做成一个矩阵，再将该矩阵与转置共轭函数相乘，获得本征值。我们就是利用这个原理找到信号，从噪声中提取出信号的。”李宝骐解释说。

图6：磐启Chirp-IoT芯片性能参数。

他同时透露，磐启微电子采用该原理的芯片计划明年初第一季度可以量产。通过优化的芯片架构实现了超低功耗，融合多维度信号调制技术，提高了传输速率；全新设计的传输符号结构，解决了频率不连续对射频的影响；而增强的信号编码技术则提高了传输灵敏度。

该芯片可以应用在手机和工业物联网领域，将蓝牙、WiFi的信号范围扩大一百倍，可以覆盖整个工厂或者村庄。

智能核心板，简化万物互联难度

在上海移柯通信技术股份有限公司王华清看来，物联网市场规模非常大，也非常碎片化。客户的需求千差万别。移柯深耕于此的原因有两个，一是对自己的产品有信心。不论是产品性能品质、交付能力和价格，还是技术支持都很有竞争力；二是可以推出满足客户需求的新产品。

图7：上海移柯通信技术股份有限公司王华清。

他举例说，“从2014年开始，我们就接到很多客户的物联网产品开发需求，多年的产品开发我们发现，大部分的客户需求都很接近，只有很少的变化，因此，我们推出了智能模组的产品，将AP、内存、电源管理、外围接口、Modem、WiFi/蓝牙/GNSS等都都整合在一起，做成一个集成的模块，帮助客户节省成本。”

王华清指出，因为移柯的智能模组方案集成了很多功能，客户做产品的时候，只需要将外设连接到模组上就可以了，所以可以帮助客户节省成本，缩短开发周期，再加上移柯成熟的软件平台，可以让系统运行更加稳定可靠。据说这样的集成解决方案可以帮助客户节省80%的设计工作量。

他同时强调，移柯做产品的核心理念是“够用就好”，以帮助客户寻找到技术和成本合适的解决方案。

图8：传统车载一体机方案与采用智能模块的车载一体机解决方案对比。

他列举了今年比较成功的两个案例，一个是简易POS机，该产品没有使用现在市面上火热的NB-IoT，也没有使用4G模块，而是使用了更具成本优势的2G模组。还有一个案例是网约车和出租车上应用广泛的车载一体机。

图9：移柯推出的智能核心板家族产品系列。

在演讲中，他还特意介绍了移柯明年将会推出的新一代核心板产品M1911。该产品有3个型号可以满足不同的客户需求。

图10：移柯M1911同一封装下的3个不同型号参数对比。

5G技术助力产业升级

5G有3大技术特点，分别是高速率、大连接和低时延。2019年全球5G网络将进入实质性商用阶段，运营商对网络建设投入持续加大。预计2020年至2030年5G网络总投资将达4110亿美元，约合2.8万亿元，是4G网络的3.5倍。按运营商可接受成本而言，预计2019年至2025年7年网络总投资为1800亿美元，约合1.22万亿元，是4G网络投资（约为1170亿美元）的1.5倍。

图11：高新兴物联科技有限公司合作总监戴文泓。

5G除了在手机方面的应用，在非手机市场的规模也不可小觑。据TSR发布的统计报告，预计到2024年Sub-6GHz的非手机产品出货量将会达到4330万，毫米波5G产品也会达到1040万。

图12：5G非手机市场规模预测。

在高新兴物联科技有限公司合作总监戴文泓看来，非手机5G应用中，主要包括车联网、超高清视频应用、远程工业控制、云端机器人、AR/VR、无人机，以及远程医疗等应用。

高新兴物联科技主要提供车联网方面的通信模块产品。据戴文泓介绍说，他们是高通车规级5G芯片SA515M的第一个阿尔法客户。其5G车规级模组GM850A和GM860A将会在2020年商用。

图13：GM850A模组的性能参数。

5G NB-IoT开启万物互联新时代

近几年来，蜂窝物联网市场出货量快速增长，预计2019年NB-IoT的出货量将超过6千万片。

图14：快速增长的蜂窝物联网市场。

其实，物联网的大部分应用集中于低速率和中速率，其中低速率、低成本需求主要包括智能表计、智慧消防、共享经济、智慧农业等应用；中低速率和中速率需求主要包括新零售、可穿戴和对讲机等应用。

图15：不同速率应用分布。

上海移芯通信科技有限公司市场销售部高级总监杨月启表示，NB-IoT和Cat.1将可以满足这些市场最主要的市场需求。随着NB-IoT技术标准的不断演进，性能不断得以提升，可最终取代2G网络。

图16：上海移芯通信科技有限公司市场销售部高级总监杨月启

在杨月启看来，虽然现在仍然是高通和联发科技等芯片巨头占据2/3/4G芯片的主导地位，但国产芯片厂商正在奋起直追。他认为，NB-IoT时代，国产芯片将会崛起，NB-IoT必然是“中国芯”。因为：

一是国家重视，在政策和资金方面都有支持；二是外资企业进入中国后，建立起了完善的上下游产业链，也帮忙培养了很多半导体人才；三是5G标准不再由欧美主导，中国厂商的话语权越来越大；四是成本越来越低，国内企业在减成本方面具有很大优势。

据杨月启介绍，成立于2017年2月的上海移芯通信科技有限公司，其团队主要来自Marvell和展讯，团队成员在蜂窝通信芯片设计上由深厚的积累和丰富的经验，是一家可独立研发蜂窝通信芯片的公司。

他在演讲中表示，移芯通信所有核心技术和IP全部自研，包括射频、基带、SoC、协议栈软件、平台应用软件和硬件方案，为客户提供turn key完整方案和服务。公司第一款超低功耗NB-IoT单芯片EC616已于2019年6月份量产，计划2020年推出LTE Cat1单芯片方案。

图17：移芯通信EC616 NB-IoT芯片架构。

4G物联网连接主力LTE Cat1

随着2G网络的承载能力进一步减弱，在新部署的物联网连接中，NB-IoT和4G会逐步替代2G模组。目前主流的LTE Cat.4的高价格并不能倍部分行业所接受，而NB-IoT又在语音、短信和连接时效上略显不足。因此市场上急需一款价格比传统4G模组更低、连接时效比NB-IoT更高的产品，以满足共享、金融、能源和工业等低速率应用场景。刚好Cat.1可以满足这些需求，加上LTE Cat1隶属4G系列，可复用现有4G资源，能够实现快速入市的同时还可降低成本。

图18：上海域格信息技术有限公司市场总监朱凯。

上海域格信息技术有限公司市场总监朱凯在电子发烧友举办的中国物联网大会上表示，截止2019年6月底，中国移动已有超过6.9亿物联网连接，这一规模的连接数中，绝大多数仍然是通过2G实现的。在2G/3G退网风险下，运营商必须要寻找一个适合客户的网络连接。

另一方面，物联网连接增速和物联网收入增速之间的差距正在缩小，其带来的平均收益逐步提升，进一步驱动运营商加快Cat1发展步伐。

除了Cat.1外，本来eMTC也是一个可选项，但一是eMTC在国内的发展并不乐观；二是eMTC需要基础设施建设，二运营商现在正将更多的资源投入到5G建设中，很难有多余的资金投入到eMTC建设中；三是国内应用案例有限，可借鉴度不高，开发难度大。

因此，业界最终选择更趋向于LTE Cat.1。

此外，朱凯还介绍了域格的LTE Cat.1模组CLM920系列产品。该产品具有低成本特点，可支持LTE-FDD/LTE-TDD/GSM/GPRS，内置了丰富的网络协议，上下速率可达5Mbps/10Mbps，而且具有强大的可扩展能力。

图19：CLM920_AR5芯片介绍。