窄带物联网射频前端的新机遇和挑战

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：

新的Cat-M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

2019年6月6日，随着工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照,从此中国开启了5G商用的元年。伴随着5G大幕的拉开，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的新需求和新挑战。5G要求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。

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：

A. 智能安全

B. 智能基础设施：智能路灯，智能井盖，智能充电，智能停车。

C. 智能表计

D. 智能监控

我们观察到在下面领域，出现了迅速的增长：

a) 电动自行车监控和管理

b) 智能烟雾传感器

c) 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。

1) 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；

2) 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。

射频前端市场新的机会

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。

a) 新兴垂直市场。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；

b) 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；

c) 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。

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。

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。

我们以NB-IoT上行信号为例来说明物理层结构。

A. 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。

B. 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

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。

a) 超宽带：以低频为例，NB-IoTPA需要工作在663MHz~915MHz，可用带宽是252MHz；

b) 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。

c) 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Cat-M/NB的最高输出功率需求；

d) 极端温度：满足-30/-40~+85 degree C工作温度范围；

e) 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；

f) 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。

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。

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。

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。

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：

a) 可以灵活在单频段和双频段之间配置；

b) 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。

------部分内容整理自网络

QORVO多款射频模块被基于高通MDM9206平台的NB-IoT模块采用

实现互联世界的创新RF解决方案提供商Qorvo, Inc.日前宣布，其功率放大器模块RF3628、QM52015和SP4T开关RF1648B被SIMCom(芯讯通)最新推出的业内首款基于高通MDM9206平台研发的LTE CAT-M1/NB-IoT/EDGE无线通讯模块SIM7000C所采用。

SIMCom的SIM7000C是世界首款基于高通MDM9206平台研发的支持CAT-M1（eMTC）/NB-IoT/EGDE模块，采用SMT封装，集性能稳定、外观小巧、性价比高、极低功耗等特性于一体，能满足用户的多种需求。在该款模块中，Qorvo提供的单芯片组支持多种模式和频段，通过单一电路板区域/SKU解决了射频频带扩展的挑战，并进一步为客户优化了成本。

Qorvo的产品拥有灵活的射频设计架构，可以满足多区域应用的不同频段需求，其低功耗、高性能以及更优异的成本效益被市场广泛接受。作为SIMCom的战略合作伙伴和SIM7000C的核心器件供应商，Qorvo充分体现了其在物联网应用方向的高可靠性，以及为客户提供更具性价比优势的解决方案的能力。这也进一步巩固了Qorvo在NB-IoT模块市场的射频领导者形象。

本次合作采用的Qorvo产品模块包括：低电压、超低功耗、宽带线性功率放大器模块RF3628、四频GSM/GPRS/线性EDGE功率放大器模块QM52015以及SP4T开关RF1648B。

目前，Qorvo提供的相关产品模块均已量产。SIMCom的SIM7000C也已进入小批量阶段并推向市场，将于2017年7月量产。

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