当智能家居IoT设备遭遇6大难题，Qorvo是怎么思考的？

智能家居市场终于开始获得推动力。随着制造商不断推出创新的技术解决方案，以及消费者对互联家庭便利性的青睐，专家预计未来几年智能家居市场的发展势头将愈发强劲。

根据Statistica数据，2022-2026年间，全球智能家居市场的收入预计将以13.3%的年增长率增长；到2026年，市场规模预计将达到2,078亿美元。IDC的预测也同样令人期待：智能家居设备的出货量预计将从2021年的8.957亿台增长到2026年的14亿台以上。

从大局的角度来看，这对智能设备和物联网领域的传统玩家和新来者来说都是好消息。然而，要在任何新兴市场取得成功，开发人员都需要更深入地了解当今市场现状，以及塑造未来市场的技术障碍和趋势。

本文将解读推动智能家居市场发展的一些主要技术趋势、物联网和智能设备工程师在市场转变过程中必须克服的六大挑战，以及Qorvo解决方案将如何帮助今天的设备为明天的市场做好准备。

塑造智能家居的新兴技术趋势

有几个因素推动着智能家居市场向前发展。尽管消费者对家庭自动化的兴趣日益高涨，但三大技术变革也为市场的大幅增长奠定了基础。

Matter标准
第一个转变是Matter标准的制定——业内首个通用或统一的智能家居连接标准。一直以来，家庭网络内部缺乏互操作性是该行业需要克服的最大障碍之一。如今，大多数家庭都配备了各种物联网设备和集线器，而这些设备和集线器只能支持一种或两种无线连接标准。这就造成了智能家居生态系统中设备间的脱节——对于希望创建全互联智能家居的业主来说，这无疑是一个重大挫折；对于物联网产品制造商来说，无论生态系统是否兼容，他们都在努力创造可行的产品。
 

然而，Matter解决了“围墙花园”的问题。从本质上讲，任何带有Matter标识的智能家居产品都能与其它Matter产品兼容，从而消除了兼容性问题，使用户能够将新的智能设备无缝连接至现有家庭网络。制造商也将从Matter基于IP的开源方法中获益；这将简化开发过程，让工程师将更多时间用于创新。

网状网络 

第二个转变是网状网络越来越高的采用率。这种较新的拓扑结构是Wi-Fi演进过程中的一个重要进步，尤其是在智能家居领域，因为它允许用户创建一个连接更紧密、通信更可靠的家居环境。

网状网络基础设施中的智能家居设备 

Wi-Fi网状系统包括一个连接至主互联网连接的路由器和放置在家庭周围多个类似卫星路由器的设备（或节点），以提供全面的Wi-Fi家庭物联网覆盖。Qorvo将此称为“One Pod Per Room”。这种布局提供了充分的冗余，有助于最大限度提高网络性能——简单来说，节点越多，通信传播得越远。

网状网络或“One Pod Per Room”布局可有效扩展整个家庭的信号范围，从而提高可靠性，实现与所有设备的实时通信。此外，Wi-Fi部署的进步还允许分离频谱，并确保信息往返云端的专用回程数据路径。网状网络可自我配置和自我修复：它们会自动将一个新节点并入现有网络，无需网络管理员进行调整，而且即使在节点被阻塞或失去信号的情况下，也能找到最快、最可靠的信号来传输数据。

 三频Wi-Fi

 最后一个转变是三频Wi-Fi的使用率越来越高。该技术通常用于网状网络，利用2.4GHz、5GHz和6GHz频段大大提高了数据容量及覆盖范围。

与双频相比，三频技术具有多项优势。首先，用户可以使用速度更快的5GHz频段或Wi-Fi 6E（5GHz 和6GHz频段）将更多无线设备连接到互联网。此外，在有多个路由器分散在家中的网状系统中，较高频段可作为网络上两个路由器间的专用通信线路；与旧式双频配置系统相比，整个系统的速度可提高180%。

技术挑战与解决方案 

尽管这三项技术进步刺激着市场增长，并为物联网和智能家居领域的企业带来令人兴奋的机遇，但它们也给开发人员和工程师带来了一系列全新的挑战。以下是智能家居网络和设备制造商在市场采用这些新技术时将面临的六大障碍，以及Qorvo提供的一些解决方案。

挑战1：互操作性
智能家居网络中物联网设备和通信协议的激增给工程师和网络架构师带来了严峻的挑战；让保持多种标准间的网络活动协调且最大限度地减少延迟这一工作，变得更为复杂。

尽管智能家居中的许多物联网设备都包含针对多种协议的支持，但大多数都依赖于时分复用（TDM）进行通信。时分复用是一种在共用信道上传输两个或多个流数字信号的通信过程。这种方法在设备数量较少的情况下效果很好，但在较为复杂的家庭网络中，其固有的延迟和可能出现的通信中断就会造成问题。当多台设备同时竞争一段通信时间时，网络活动就可能会中断。

企业可以通过几种方式应对这一挑战。如前文所述，采用一种通用家庭连接标准（即 Matter）将有助于解决设备间的一些通信问题，并降低网状网络的复杂性。不过，随着行业向Matter的过渡，将需要多标准无线电。这些无线电设备将面向未来的网络，以支持向Matter的迁移，并提供向后兼容性，以连接使用传统标准的节点。

Qorvo解决方案：

QPG6100软件开发包（SDK）采用Qorvo的ConcurrentConnect技术，利用独特的方法确保可靠的通信与互操作性。市场上的其它多协议解决方案仅限于一次与所支持单个协议通信，而 Qorvo的ConcurrentConnect技术则可管理所有协议的数据流量，并将技术功能直接集成到芯片中。这样，无论使用何种协议，物联网设备之间都能进行流畅、持续的通信，并实现向后兼容。例如，可以在不牺牲响应速度的情况下控制一部Matter网络上运行的电器、一台ZigBee语音助手，或一个蓝牙节点。

QPG6100系列SDK包括三个开发板，用于将Qorvo控制器集成到具有外设、LED、按钮和电源的项目中；编程和调试接口也是套件的一部分。参考应用提供了构建并行ZigBee路由器和蓝牙Mesh智能照明应用的起点。套件还包含其它几个示例应用程序，用于控制多种不同的智能家居设备。

挑战2：RF干扰
伴随每一代无线技术的发展，智能家居网络中射频（RF）的复杂性也在增加。许多家庭RF通信设备使用的标准频段相互重叠或紧密相邻。有时，这些频段非常接近，会导致一个通信频段干扰另一个频段发射和接收的信号。

物联网和5G增加了另一个层次的复杂性，且进一步加剧了设计工程师面临的挑战。如今的智能家居物联网设备必须支持多RF路径，有时还需要更大的带宽，并保持低功耗——所有这些都不能在不同通信标准及其正在发射或接收的数据间产生干扰。在一个网络上运行如此多的标准，减少干扰势在必行。

幸运的是，RF滤波器技术的进步大大降低了不同协议标准相互干扰的可能性。复杂的多滤波器模块——如体声波（BAW）滤波器——正被用于解决RF系统中的共存、容量和范围问题。此外，更小的滤波器外形尺寸有助于物联网产品制造商将日益复杂的射频前端（RFFE）架构压缩到微小的设备中。

Qorvo解决方案：

为满足真正的网状三频段应用需求，需要设计精良的滤波器。Qorvo拥有三种BAW滤波器，可提升Wi-Fi的整体性能、最大限度地提高网络容量、增加RF范围，并减轻同时运行的多种不同家用无线电间的干扰。每种滤波器都针对不同类型的用例，解决不同的问题，并具有不同的优势。

Qorvo的coexBoost滤波器可以添加到无线电发射或接收链路中，以便同时使用采用不同连接技术的其它无线电。

Qorvo的edgeBoost滤波器可添加到无线电发射链路中，以获得更佳的性能，尤其是在接近频带边缘的信道范围内。

Qorvo的bandBoost滤波器是一种频带隔离滤波器，可实现特定无线电类型（如 Wi-Fi）的多频段同时运行，从而成倍提高每个分频的网络容量与吞吐量。

挑战3：保持无缝可靠的连接
如前所述，当今大多数家庭网络都包含使用多种不同标准和技术的设备。这些设备基本上必须在不同标准间来回切换，一次只与一种标准通信，由此造成了延迟并引发通信中断。

Qorvo的ConcurrentConnect技术通过使用一种称为并发监听的技术来持续接收和转换通信，从而帮助解决这一问题；它以更快、更可靠的方式进行协议切换，减少数据包丢失，同时仍能保持动态的多协议支持。

内置天线分集的物联网解决方案还有助于实现更无缝、更可靠的连接。这可以确保始终使用最佳天线，从而最大限度地扩大设备的可靠范围，并最大限度减少多径干扰的影响，保持高质量的连接。

Qorvo解决方案：

除ConcurrentConnect技术外，Qorvo的QPG6100系列解决方案和QPG7015M控制器还包括获得专利的天线分集与隔离方案。这一集成功能利用双天线将可靠范围扩大一倍，并在拥挤的2.4GHz无线环境中提供了额外的稳健性。这同时减少了重传，从而延长了电池寿命并最大限度地减少了延迟问题。

挑战4：创建易于使用的物联网网络
智能家居行业一直面临的挑战之一就是为业主创造一个即插即用的场景；最终目标是让用户在购买智能家居产品并将其带回家后，仅需在手机上打开一个应用程序就能立即将其添加至自己的网络中。然而，由于目前存在许多不同的技术、标准和用户网络，产品制造商很难实现这一功能。

随着Matter的推出，即插即用的家庭网络可能最终成为现实。随着越来越多的制造商采用这一通用标准，进入市场的大多数新物联网产品、智能设备，和集线器都将与之兼容。不过，伴随行业的转型，物联网和智能设备制造商将需要配备向后兼容的产品，以确保市场生存能力。

网状网络还将帮助用户和制造商实现易用、低维护的物联网网络。采用自愈算法的网状网络可以在某些节点不慎失去连接的情况下自动选择发送数据的最佳路径。换句话说，该算法可确保流量只通过可用且正常的连接进行路由，从而保持网络持续运行。网状网络还能让设备之间直接相互通信，而不必通过网关路由所有通信。

具备更强上传和下载能力的三频技术，是业界创造更好用户体验的另一种方式，尤其是在Wi-Fi视频流应用领域。然而，使用较高频段的代价是信号衰减，以及与其它紧密排列的频谱发生干扰的可能性增大。这就要求设计中必须包含可靠的滤波器解决方案。然而，很少有滤波器供应商能够满足5.2GHz频段抑制、插入损耗和功率处理的标准规范，这给开发人员带来了一系列全新挑战。

Qorvo解决方案：

Qorvo为开发人员提供了几种克服可用性挑战的方法。首先，Qorvo 的通信控制器芯片设计面向未来，支持多种不同的通信协议，包括Matter、ZigBee、Thread和低功耗蓝牙®技术。这些芯片还具有终身电池和免维护传感器，以及ConcurrentConnect技术，可使单个无线电同时在不同协议之间实现无缝操作，而不会造成性能损失。这将有助于工程师开发出一种可行的、即插即用的产品，而且能够向后兼容。

为了解决与三频技术相关的常见障碍，Qorvo为UNII 5GHz频段提供了三种滤波器解决方案：QPQ1903、QPQ1904和QPQ2001器件。这三种解决方案均基于Qorvo的BAW滤波器设计和技术能力，可确保不断增加的频段间的隔离，并提供低插入损耗，以支持器件性能要求。Qorvo的滤波器不仅能满足所需的关键监管规范，在大多数情况下，它们还能在高达95⁰C的较高温度范围内提供额外的裕量，从而进一步帮助客户及系统设计人员满足严格的最终产品热管理要求。

挑战5：网络安全和隐私
在物联网部署过程中，实施适当的安全和隐私措施是一项重大挑战。当今的物联网网络一般呈现碎片化形态，使用各种协议和技术，因此很难控制安全性和隐私性。

这一现实是智能家居市场实现标准化的有力论据。事实上，这也是行业向Matter过渡的一大好处。安全是该标准设计的关键要素，其架构基于“安全设计”和“零信任”等最佳实践。每台Matter设备都有一个唯一身份，每台加入网络的设备都要经过身份验证，以确保其是获得Matter认证的合法设备。这样，应用程序和网络管理员就可以阻止未经授权或未经认证的设备，带来另一层保护。

网状网络还通过将控制和安全权力置于所有者的手中来提高安全性和隐私性。通常情况下，这些网状系统借助一个应用程序进行设置、控制和监控。该应用程序可帮助进行网络设置，并确保设置安全密码。这一应用程序还允许用户管理网络问题、检查数据速度、设置家长控制等。网状网络通常还会进行自动安全更新；许多还提供基于订阅的安全功能，构建更强的防护，防止恶意软件、病毒、黑客和网络犯罪分子的威胁。

Qorvo解决方案：

从产品开发的角度来看，安全和隐私功能不再是事后才想到的问题。相反，它们需要在设计流程的最前沿加以考虑，并在整个开发周期中加以解决。选择像Qorvo的QPG6100系列解决方案和QPG7015M这样支持Matter和网状网络等安全前向技术的产品，可以帮助企业在其物联网和智能设备解决方案中增强安全性。

挑战6：功耗
要求制造商降低功耗和开发更环保产品的呼声不断高涨。虽然智能设备可以帮助业主减少能耗，但物联网行业的制造商和供应商仍然感受到了压力；他们必须开发出能够减少碳足迹的产品。

许多物联网产品使用的纽扣电池寿命长达十年，但生产这些电池需要消耗化石燃料。此外，不使用电池的智能设备和物联网产品仍需电网供电。而且大多数智能家居网络都包括每周7天、每天24小时持续运行的设备，这意味着这些设备即使不被使用，也在消耗能源。

鉴于此，物联网和智能设备制造商必须将效率和功耗作为设计的首要考虑因素，并且必须降低整个物联网网络的功耗。为了控制功耗要求，需要采用高效的睡眠模式等功能。设备还可以在需要更换电池时自动通知用户，从而进一步确保高效运行。

Qorvo解决方案：

Qorvo提供一系列超低功耗无线数据通信控制器芯片，支持智能家居和物联网应用。例如，QPG6095J控制器为智能家居发送器设备的超低功耗无线通信提供了完全集成的解决方案，并专门针对照明应用进行了优化。

除了支持多协议和ConcurrentConnect技术等性能特点外，QPG6095J还具有先进的电源管理功能，可确保在活动和待机状态下最大限度地降低功耗，从而实现免维护和超小型产品。为了降低功耗，集成的DC/DC降压转换器可与少量外部元件一起使用。或者，也可以使用内部稳压器代替集成的DC/DC转换器，以最大限度地缩减物料清单。

为下一步做好准备

包括全自动家居在内的未来图景首次触手可及。在经历多年的“各自为政”后，智能家居行业正在不断进步，并为大幅增长做好准备。Matter、网状网络和三频Wi-Fi技术等关键技术的发展推动着市场前行，而物联网领导企业们也正在以这种高度互联的环境为目标，持续创新并开发新产品。

与任何新兴市场一样，新的进步将为产品开发人员和工程师带来全新的设计考量。不过，只要有正确的技术解决方案和设计策略，物联网和智能设备制造商就能创造出不仅能在当今市场取得成功，而且能在未来智能家居中继续蓬勃发展的产品。

本文转载自Qorvo半导体微信公众号