專用芯片使Cat.1煥發(fā)新活力，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)格局或迎來顛覆

LTE Cat.1在2020年一夜之間進(jìn)入爆發(fā)期，成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的“頂級流量”。同時(shí)工信部在去年5月發(fā)布了《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，明確指出由NB-IoT、LTE Cat.1 bis技術(shù)承接2G/3G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同“10%-30%-60%”的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即Cat.4以上及5G承載高速率、低時(shí)延業(yè)務(wù)；NB-IoT承載低速率窄帶業(yè)務(wù)；Cat.1或eMTC承載中低速率和語音業(yè)務(wù)。隨著Cat.1技術(shù)性能的不斷提升，落地的場景越來越豐富，產(chǎn)業(yè)界逐漸意識到可能嚴(yán)重低估了Cat.1的市場潛力和爆發(fā)力，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)大致1：3：6的格局或迎來顛覆。

如果說，2G/3G清頻退網(wǎng)釋放的市場需求是Cat.1快速發(fā)展的重要推手之一，那么Cat.1 bis規(guī)范的硬件（芯片+模組）落地則為Cat.1打開更廣闊的市場空間插上了翅膀。

Cat.1 bis讓Cat.1煥發(fā)新活力

雖然Cat.1技術(shù)在最近幾年才變得炙手可熱，但作為LTE技術(shù)規(guī)范的一部分，它已經(jīng)存在了十余年，來自2009年3GPP Release 8的初代LTE定義。

作為最初的驅(qū)動(dòng)力，智能手表等可穿戴類產(chǎn)品在誕生之初只能以智能手機(jī)周邊配件形式出現(xiàn)，不具備獨(dú)立的蜂窩通信功能，更稱不上絕對意義上的獨(dú)立品類。究其原因之一，3GPP對于Cat.1定義采取的是雙天線的設(shè)計(jì)，而Cat.1面對的可穿戴設(shè)備等大量應(yīng)用場景都面臨極致小型化設(shè)計(jì)需求，傳統(tǒng)4G蜂窩終端必選的2Rx（雙接收天線）天線擺放異常艱難，即使強(qiáng)行放入，分集接收效果也會(huì)大打折扣。而支持1Rx（單接收天線）接收規(guī)格的規(guī)范僅限于Cat.0/M1/NB1，這些技術(shù)最高1Mbps的極限吞吐不足以滿足可穿戴場景的用戶體驗(yàn)。因此，隨著可穿戴設(shè)備的迅速爆發(fā)，亟需制定適用于該產(chǎn)品類別的單天線技術(shù)規(guī)范。

2017年3月，3GPP Release 13 LTE Cat.1 bis核心部分正式凍結(jié)，其將初代LTE Cat.1作為技術(shù)錨點(diǎn)，會(huì)同后續(xù)配套的標(biāo)準(zhǔn)性能部分和一致性認(rèn)證部分，通過極低的標(biāo)準(zhǔn)修訂成本，定義出了符合中速人聯(lián)/物聯(lián)應(yīng)用場景且具備完善后向兼容能力的終端能力等級——Cat.1 bis。

可穿戴等物聯(lián)網(wǎng)終端追求更低的成本和更小的體積，這離不開Cat.1芯片、模組、終端等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的共同努力。隨著Cat.1 bis技術(shù)落地到芯片和模組平臺(tái)，全新的Cat.1技術(shù)（囊括了Cat.1 bis規(guī)范）真正煥發(fā)活力，迎來飛速發(fā)展。

盡管此前Cat.1成熟的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、良好的速率支撐、豐富的功能支持以及出眾的性價(jià)比優(yōu)勢，十分契合中低速率應(yīng)用場景的連接需求，但是基于此前Cat.1規(guī)范的技術(shù)在性能、成本、續(xù)航和覆蓋度方面未能完全滿足中低速率多數(shù)應(yīng)用的需求。

隨著Cat.1 bis單天線縮減版標(biāo)準(zhǔn)的落地，給了Cat.1一個(gè)更清晰的定位，從而催生了Cat.1專用芯片的誕生。與此同時(shí)，在現(xiàn)網(wǎng)覆蓋能力增強(qiáng)，DRX、eDRX、PSM等省電模式的加持下，Cat.1應(yīng)用場景極大地拓寬，在牢牢穩(wěn)住中低速率應(yīng)用區(qū)間情況下，更呈現(xiàn)出可向高、低速率應(yīng)用兩端進(jìn)攻的積極態(tài)勢。

Cat.1 bis的后綴“bis”意指“再次”，也寓意了傳統(tǒng)Cat.1能力的新生。

除了非常適用于共享經(jīng)濟(jì)、BMS、手表手環(huán)、云喇叭、公網(wǎng)對講等新興行業(yè)外，Cat.1預(yù)計(jì)還將蠶食Cat.4一大部分POS機(jī)、IPC、功能機(jī)等低端市場，以及NB-IoT近幾年一直想拓展但又沒有吃下來的定位器、可穿戴外設(shè)等市場。中國市場對Cat.1 bis的青睞，以及隨之而來的巨大終端出貨量，會(huì)導(dǎo)致該類型芯片、模組、終端成本迅速降低，進(jìn)而在全球范圍內(nèi)獲得推廣。這也是蜂窩通信產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)一貫的推廣模式。

這對Cat.1芯片帶來了更大挑戰(zhàn)。既要將速率提升至規(guī)范上線、產(chǎn)品尺寸縮小、覆蓋能力增強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間延長，又要將成本向LPWA靠攏。這樣一來，既可以防守Cat.1原生市場空間，又可以向高、低速率行業(yè)市場兩頭進(jìn)攻。

設(shè)計(jì)難度超高的Cat.1芯片需要哪些創(chuàng)新？

由于Cat.1誕生之初是針對手機(jī)應(yīng)用，需要更高的傳輸速率，而終端連接數(shù)量規(guī)模龐大的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，更看重成本和功耗。因此在過去幾年，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端的Cat.1的芯片多數(shù)是從Cat.4做一些降性能和降成本設(shè)計(jì)而來，盡管市場需要的是專門設(shè)計(jì)一顆芯片。

那么Cat.1芯片設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于哪些方面？

與同樣剛剛實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的NB-IoT技術(shù)不同，LTE Cat.1在芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度、產(chǎn)品化難度、基站適配多樣性等方面高出了幾個(gè)等級。如果把中低速蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計(jì)難度分為1~10十個(gè)等級，NB-IoT芯片的設(shè)計(jì)難度在2~3級，那Cat.1芯片的設(shè)計(jì)難度高達(dá)7~8級，且業(yè)內(nèi)較缺乏在LTE技術(shù)方面有足夠積累和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，一般團(tuán)隊(duì)難以在短時(shí)間內(nèi)成功研發(fā)出產(chǎn)品。

作為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信芯片設(shè)計(jì)公司老兵的智聯(lián)安，自2013年成立以來，已經(jīng)在5G NB-IoT芯片及4G LTE通信芯片產(chǎn)品上取得了喜人成績，第一代NB-IoT芯片MK8010產(chǎn)品已規(guī)?；慨a(chǎn)落地并出貨超過百萬片，今年還成功推出全球最小的第二代NB-IoT芯片MK8020，成為國內(nèi)NB-IoT芯片生力軍中的一員。該公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)曾參與全球第一顆TD-LTE芯片的研發(fā)及量產(chǎn)化工作，在通信算法、物理層技術(shù)、協(xié)議棧、射頻等方面擁有大量自研IP和數(shù)十篇發(fā)明專利，具備豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)勁創(chuàng)新能力。

在NB-IoT市場站穩(wěn)腳跟后，智聯(lián)安將目光投向了前景越來越廣闊的LTE Cat.1領(lǐng)域。

在過去2年，公司已基于UMC28nm工藝完成3版Cat.1 bis芯片流片，全部核心技術(shù)—射頻、物理層、協(xié)議棧、SoC平臺(tái)—已經(jīng)在這些流片中得到了充分驗(yàn)證。今年下半年，智聯(lián)安即將推出面向LTE Cat.1市場的專用芯片MK8110，細(xì)分為兩個(gè)型號：MK8110、MK8110C。MK8110面向“純數(shù)傳”市場，集成4MB Flash，不需要額外DRAM，主打LTE Cat.1 Modem功能，適用于計(jì)量、自動(dòng)化、定位跟蹤、DTU等行業(yè)。MK8110C面向“數(shù)傳+”市場，集成16MB Flash+8MB PSRAM，通過對OpenMCU、豐富接口及大容量PSRAM的支持，適用于智能POS、支付盒子、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。

在超高設(shè)計(jì)難度的Cat.1芯片上，智聯(lián)安成功實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高集成度、超低電壓續(xù)航，成為Cat.1芯片新標(biāo)桿之一。

首先，MK8110系列將是第一顆采用DRAMLess技術(shù)的LTE Cat.1 bis專用芯片。

與以往采用DDR作為主要內(nèi)存的第一代4G物聯(lián)網(wǎng)芯片，和采用外置SDRAM的第二代4G物聯(lián)網(wǎng)芯片不同，MK8110通過對Cat.1協(xié)議棧的全新設(shè)計(jì)，使其能夠完美順暢運(yùn)行在少量的片上SRAM中，這一技術(shù)方案使其在“純數(shù)傳”應(yīng)用時(shí)的成本和功耗上處于領(lǐng)先優(yōu)勢。同時(shí)產(chǎn)品定義中仍保留面向Open MCU的用戶PSRAM接口設(shè)計(jì)，以應(yīng)對“數(shù)傳+”市場的需求。采用DRAMLess技術(shù)可比現(xiàn)有方案成本降低30%，功耗下降30%~50%。

其次，MK8110系列也將是第一顆集成板級系統(tǒng)所有供電的LTE Cat.1 bis專用芯片。

片上集成了豐富的DC/DC、LDO、電源開關(guān)，不僅支撐了芯片內(nèi)部需要的各種供電，包括對處理器內(nèi)核、I/O、射頻收發(fā)器等的供電，而且進(jìn)一步將板級器件所需的全部供電單元都集成到了SoC內(nèi)部，包括對PA、雙工器、天線開關(guān)等的供電。

此外，MK8110系列還是第一顆采用自研的TrueSAWLESS技術(shù)的LTE Cat.1 bis專用芯片，相比SAW和傳統(tǒng)SAWLess方案，TrueSAWLESS方案接收帶寬最窄，而帶寬越窄，對帶外干擾抑制能力越強(qiáng)。同時(shí)，TrueSAWLESS中LNA通帶頻率隨著接收頻率自動(dòng)調(diào)整，可確保帶內(nèi)全部頻點(diǎn)能最佳覆蓋。該技術(shù)已經(jīng)在去年11月流片的RF測試樣片中得到了驗(yàn)證，接收機(jī)性能相比傳統(tǒng)的SAWLess技術(shù)提升2-5dB。

結(jié)語

在8月中旬中國移動(dòng)公布的2021年中期業(yè)績中，物聯(lián)網(wǎng)智能連接數(shù)已達(dá)到9.8億，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)首次超過“人聯(lián)網(wǎng)”連接數(shù)，這是一個(gè)歷史性時(shí)刻。從Cat.1到Cat.1 bis，3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在持續(xù)升級演進(jìn)，并在芯片廠商、模組廠商、終端廠商和運(yùn)營商等物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈的共同努力下，成為構(gòu)建萬物互聯(lián)的沃土。

隨著Cat.1技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用和市場需求激增，今年芯片需求預(yù)計(jì)將達(dá)到1.1~1.2億顆，然而供應(yīng)端目前僅能滿足7000萬~8000萬顆，市場缺口達(dá)到4000萬~5000萬顆左右，整個(gè)行業(yè)芯片制造產(chǎn)能緊缺在一定程度上限制了Cat.1市場的增長勢頭。

為此，當(dāng)前Cat.1產(chǎn)業(yè)落地的瓶頸反而落到了芯片種類和產(chǎn)能上，市場也需要更多的芯片平臺(tái)選擇。

隨著蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場的技術(shù)選擇終將走向?qū)Ｓ煤途?，誰能在此時(shí)成功卡位必定會(huì)大放異彩的Cat.1市場，我們拭目以待。

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