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概要
隨著中國5G時代的到來，本文討論了其中的一個重要的發展方向：窄帶物聯網應用 (CatM/NB-IoT)。從射頻器件的角度，本文分析了市場的前景、新的機遇和挑戰還有QORVO目前的解決方案。新的CatM和NB-IoT網絡中，對于終端的要求在發生變化，應用于該設備的射頻前端器件也有新的發展要求。新的射頻前端需要在支持超寬帶工作，并且保證低成本的情況下，滿足更大范圍的工作電壓和工作溫度，同時達到3GPP規定的射頻性能標準。本文從市場前景、頻譜需求、空中接口、物理層結構和器件設計方向的角度，闡述了射頻前端器件的機遇和挑戰。
窄帶物聯網市場前瞻
5G和IoT
許多人相信，2019年會是中國5G的元年。伴隨著5G大幕拉開，特別是對于智能手機來說，新的應用和新需求，刺激著射頻前端市場涌現出很多新名詞，比如，MIMO，HPUE，NSA，SA，PAMiD等等。射頻前端需要更高整合度，從而支持更加復雜的頻段和通信標準。
在手機市場追求更快更強的同時，有另外一個市場就是窄帶物聯網 (CatM /NB-IoT)，它在另外一個維度滿足市場需求，比如更低功耗，更長待機時間和更低的成本。
圖1：5G的使命和任務
5Ｇ不僅僅意味著高速的數據連接，同時還會支持海量的IoT應用和低時延高可靠性的場景。今天我們談談，海量連接中窄帶互聯的部分。
中國的三大運營商一直在加大 CatM /NB-IoT網絡的部署。到目前為止，中國移動擁有52萬個基站，中國聯通有33萬個，中國電信有41萬個（根據網絡公開信息整理）。巨大的投入背后，有著巨大的利益驅動。CatM /NB-IoT是基于蜂窩網的廣域網接入標準，電信運營商掌握著NB-IoT的網絡服務和號碼資源，期待在萬物互聯的世界里面扮演重要的角色。
CatM & NB-IoT主要應用場景
NB-IoT目前主要的應用場景，列舉如下：
l 智能安全
l 智能基礎設施：智能路燈，智能井蓋，智能充電，智能停車。
l 智能表計
l 智能監控
我們觀察到在下面領域，出現了迅速的增長：
l 電動自行車監控和管理
l 智能煙霧傳感器
l 智能表計（水表／氣表／電表）
另外，目前有一些基于NB-IoT的新的應用，也引起市場極大的興趣。
l 智能停車服務：集成了云服務大數據平臺，現場交通和停車位信息搜集，通過手機的電子支付，能實現方便的無人值守停車。
l 智能穿戴市場：得益于低功耗，NB-IoT終端能夠實現超長待機。通過運營商的廣域網連接，定位數據和健康數據能自動上傳到企業云的個人帳號中，擺脫了傳統局域網或者需要連接手機同步數據的束縛。這一點非常適合給老人和小孩的無人看護或者出門定位服務。管理員通過劃定電子安全區域，智能穿戴設備出了安全區后，報警信息會自動傳到云端和管理員。
射頻前端市場新的機會
圖2：IoT = Internet of things
基于蜂窩網的萬物互聯是一項有前景的新技術。它在一個安全的平臺上面，具備遠距離，低成本和支持各種通信帶寬的特點。這個新的平臺，能夠建設在已有的LTE網絡上，從而滿足新的市場和應用的需求。
從射頻前端供應商的角度，我們看到了一些新的市場需求。
l 新的垂直市場。在已有的蜂窩網需求的基礎上，新的低成本和低功耗的解決方案，將會用到新的市場應用當中。
l 多種連接標準會同時共存。產品形態會表現為從簡單的低功耗和單頻段無線單元，一直到復雜的LTE和5G New Radio的全球蜂窩網解決方案。
l 多樣的應用場景和需求。復雜多樣的最終用戶市場還有應用，會帶來需求和產品的多樣化，其中包括室內的應用和戶外的一些極端溫度和高可靠性要求的場景。
圖3：各種通信標準和多應用場景
多樣的最終市場、應用還有使用環境，需要優化組合的射頻技術來支持。預測在2021年，在“百億”IoT連接設備中，70%的主體是低功耗的家庭／辦公應用。
QORVO作為領先的射頻解決方案提供商，從家用到高性能全球廣域蜂窩網，能夠提供優化的射頻解決方案。
圖4：中低速場景下的各種應用
CatM/NB是3GPP所接納的標準，通過利用現有的4G網絡，來滿足新市場和應用的需求。通過減少系統的復雜性，應用于Cat-M/NB的產品能夠來滿足低成本和低功耗海量M2M的需求。
射頻前端的挑戰
全球窄帶LTE IoT頻譜
圖5：全球CatM/NB頻段分布
全球應用于窄帶物聯網通信的頻率，分布在中低頻范圍。射頻前端的設計者需要在寬帶匹配、諧波抑制、超低功耗還有低成本方面選擇最優化的設計方案。
空中接口和物理層結構
表1：CatM/NB/LoRa技術特性比較
我們以NB-IoT上行信號為例來說明物理層結構。
l 頻域：支持兩種帶寬，分別是3.75KHz和15KHz。其中3.75KHz窄帶寬能帶來更大的覆蓋范圍。支持兩種模式，分別是single tone和multi-tone。 Singletone適合低速應用。
l 時域：不同的頻率帶寬，對應不同的時域幀結構。
從上面我們可以看出，NB-IoT雖然有要求和LTE相同的上行功率(power class3)，但是信號的峰均比較低。另外，NB-IoT采用半雙工方式工作，避免使用FDD雙工器，PA后端的插入損耗小。 這些因素可以讓NB-IoT的PA更加偏向于非線性的設計，同時采用更小的Die設計，從而達到節省成本和提高效率的目的。
射頻器件的設計考量
圖6：射頻前端的關鍵設計方向
以上圖例顯示了從產品設計角度看到的一些關鍵要求。 得分越高，表示這個項目對于最終的應用場景來說，越重要。
l 超寬帶：以低頻為例，NB-IoTPA需要工作在663MHz~915MHz，可用帶寬是252MHz。
l 低電壓：需要支持1.8V到4.3V工作電壓，以便滿足不同的電池環境需求。
l 高效率：具備不同的功率模式，從而優化不同功率和電壓下面的效率。同時在headroom設計方面，考慮到CatM/NB的最高輸出功率需求。
l 極端溫度：滿足-30/-40~+85 degree C工作溫度范圍。
l 小尺寸：典型的NB模塊大小為26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。這個大約相當于一張名片的七分之一。射頻前端的尺寸會是很重要的考慮因素。
l 低成本：NB 模塊會逐步取代市場上的2G模塊，銷售價格日趨向2G模塊靠攏。射頻前端的價格競爭和成本考量無法避免。
我們用QORVO廣受好評的RF3628為例來說明上述考慮的因素。
圖7：RF3628產品描述
測試信號采用1.4MHz，QPSK，6RB調制，我們分別掃描了B5的各項性能指標。
圖8：B5 E-UTRA ACLR1 vs Pout/temperature/Vcc
圖9：B5 PAE vs Pout/temperature/Vcc
在射頻前端的鏈路預算中，假定PA輸出損耗為2dB，我們可以看到RF3628 高功率模式的 sweet point。
l Vcc=2.85V，低電壓操作。
l ACPR在-37dBm，具有4dB的余量，同時PA效率接近40%。
QORVO的解決方案
作為全球領先的射頻解決方案供應商，QORVO提供多種解決方案，來滿足不同客戶和不同場景的需求。
離散方案
圖10：RF3628和QM12154
RF3628搭配QM12154/RF1648B是市場上很常見的組合，主要用于單模的CatM／NB模塊。如果要考慮到增加對GSM的支持，可以另外選配QM52015或者RF5212A芯片。
分離的PA+switch的方案，相比于集成芯片方案，占用的PCB面積比較大，但也具有下面的優點：
l 可以靈活在單頻段和雙頻段之間配置。
l 針對特殊客戶或者運營商的需求，可以在PA和switch之間，增加外置濾波器。請參考下圖中關于不同頻段間可能存在的干擾問題。
圖11：GPS頻段和B3上行頻段
圖12：低頻段的諧波影響到中高頻段的接收性能
高整合方案
QM55001在集成PA、開關和濾波器的同時，也支持低電壓電池工作。 從而在實現超小尺寸，滿足射頻性能情況下，減少了直流升壓 (boost) 芯片的需求。
圖13：不同類型電池對于升壓芯片的需求
圖14：QM55001功能框圖
解決方案小結
圖15：CatM/NB-IoT PA和Switch選擇矩陣
QORVO產品實際應用舉例
BG96 CatM/NB EGPRS模塊
圖16：BG96裝配有QORVO公司的RF3628和RF5212A
以上模塊特性描述，引用自www.quectel.com官方網站。
BG95 -G NB-IoT 模塊
圖17：BG95-G裝配有QORVO公司的RF3628
SIM7000A/C NB-IoT 模塊
圖18：SIM7000A/C裝配有QORVO公司的RF3628和QM52015
工商網監
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