窄带物联网射频前端下的Qorvo解决方案实例

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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:窄带物联网应用 (Cat-M/NB-IoT)。从射频器件的角度,本文分析了市场的前景、新的机遇和挑战还有Qorvo目前的解决方案。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

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。

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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

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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。

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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。

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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

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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

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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

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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。

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

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。

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。

极端温度:满足-30/-40~+85 degree C工作温度范围。

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。

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。

我们用Qorvo广受好评的RF3628为例来说明上述考虑的因素。

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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。

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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。

Vcc=2.85V,低电压操作。

PA输出功率25dBm,天线端口功率23dBm。

ACPR在-37dBm,具有4dB的余量,同时PA效率接近40%。

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。

离散方案

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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:

可以灵活在单频段和双频段之间配置。

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。

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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。

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解决方案小结

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