關(guān)于NB-IoT芯片的核心競爭力

近日，工信部、國資委印發(fā)《關(guān)于開展深入推進寬帶網(wǎng)絡(luò)提速降費、支撐經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展2019專項行動的通知》。其中特別提出，面向物流等移動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，需要進一步升級NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)能力，持續(xù)完善NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋。建立移動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展監(jiān)測體系，促進各地NB-IoT應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

另外，針對NB-IoT應(yīng)用案推廣，還鼓勵行業(yè)間、產(chǎn)業(yè)鏈各方加強合作，推動車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用規(guī)模發(fā)展，以支撐智能制造。

物聯(lián)網(wǎng)與NB-IoT

物聯(lián)網(wǎng)是一項近年來快速發(fā)展的新興技術(shù)，已經(jīng)在智能家居、智能表計、共享經(jīng)濟、智慧城市、消費電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，具體來說，它將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，實現(xiàn)任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)指物聯(lián)網(wǎng)中物與物之間的通信技術(shù)(本文特指無線通信技術(shù))，以通信距離分類，可分為短距通信和廣域通信，如圖1所示。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

NB-IoT是華為等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商以及全球各大通信運營商主導(dǎo)的，3GPP組織標(biāo)準(zhǔn)化的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，因其低成本、低功耗、廣覆蓋和海量連接的特點備受關(guān)注。

NB-IoT的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

NB-IoT從2017年6月商用以來，發(fā)展迅速，中國三大運營商基本實現(xiàn)了全國覆蓋，海外也建成了60多個NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。市場和應(yīng)用方面，連接數(shù)已達2000萬，多個百萬級應(yīng)用落地，一些應(yīng)用正在沖擊千萬級，預(yù)計2019年連接數(shù)將達到一個億。與此同時，一些應(yīng)用場景類似的廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)也在推廣過程中，也取得不錯的關(guān)注度，LoRa是其中之一。NB-IoT和LoRa的簡要對比如下：

1) LoRa沒有移動性，通信局限于一片固定區(qū)域。NB-IoT從一個小區(qū)到另一個小區(qū)還能繼續(xù)通信，支持全國漫游。

2) LoRa為外國公司私有技術(shù)，具有一定專利和政策風(fēng)險。NB-IoT是華為等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和運營商主導(dǎo)制定的3GPP標(biāo)準(zhǔn)，免收專利費或?qū)＠M用低。

3) 大規(guī)模無線通信網(wǎng)絡(luò)的部署、優(yōu)化和運營難度極大，尤其是用戶數(shù)達到一定規(guī)模，不同用戶業(yè)務(wù)并發(fā)和管理，不同網(wǎng)絡(luò)以及用戶間的干擾都面臨很多問題。LoRa需自己建網(wǎng)，采用未授權(quán)頻段，抗干擾能力弱，缺乏統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理，通信質(zhì)量無法保障，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的成熟度有待檢驗。而NB-IoT由運營商統(tǒng)一建好網(wǎng)絡(luò)，用戶只需購買終端接入(類似手機)，同時，NB-IoT是3GPP 4G標(biāo)準(zhǔn)的低功耗和低成本演進，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)較成熟?？梢哉f，由經(jīng)驗豐富的運營商部署和維護是NB-IoT的最大優(yōu)勢。

4) 終端芯片的成本和功耗與具體設(shè)計實現(xiàn)相關(guān)，LoRa和NB-IoT之間無確定差別。

我們認為NB-IoT最大的挑戰(zhàn)還是來自同宗同源的蜂窩通信技術(shù)，比如2G和4G。NB-IoT的產(chǎn)生源于四個需求，即低成本、低功耗、廣覆蓋、海量連接。然而， NB-IoT在發(fā)展初期，廣覆蓋和海量連接的優(yōu)勢體現(xiàn)不出來。比如當(dāng)前階段，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋顯然不及成熟的2G和4G網(wǎng)絡(luò)，雖然NB-IoT有覆蓋增強技術(shù)(支持MCL=164dB)，但此技術(shù)以多占用網(wǎng)絡(luò)(時間)資源和增加功耗為代價，適用于個別覆蓋差點，不宜給大多數(shù)用戶使用。

另外，NB-IoT支持海量連接數(shù)，但早期的用戶數(shù)還在2G和4G可支持的范圍。并且，即使NB-IoT技術(shù)上支持海量連接，但和其他所有無線通信技術(shù)一樣，還是會受到同一時刻和同一頻率，只能有一個用戶通信的限制。并發(fā)通信上，NB-IoT并無優(yōu)勢。在這樣的情況下，如果NB-IoT在低成本和低功耗上，相比其他蜂窩通信無法做到明顯的優(yōu)勢，用戶的使用意愿就大打折扣。另外，雖說網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要依靠運營商解決，但終端芯片如果能優(yōu)化通信性能，也可以大幅改善用戶體驗和運營商建網(wǎng)成本。因此，終端芯片的成本、功耗和性能，是NB-IoT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三個核心要素。

針對性能和功耗，3GPP以及運營商給出專門的測試規(guī)范和指標(biāo)，這是本文接下來的主要內(nèi)容。

NB-IoT終端測試技術(shù)

與其他使用蜂窩技術(shù)的產(chǎn)品類似，使用NB-IoT技術(shù)的產(chǎn)品在商用前，需經(jīng)過3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一致性測試(conformance test)以及運營商的測試和認證。這套嚴(yán)格和完整的測試和認證體系，是運營商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商從2G發(fā)展到5G，擁有幾十億用戶和連接，在技術(shù)和經(jīng)驗上的集中體現(xiàn)，是每個入網(wǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量及用戶體驗的根本保證。

一致性測試通過一系列測試用例，檢驗被測試設(shè)備是否滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行為和性能要求。一致性測試分為協(xié)議一致性測試，無線資源管理(RRM)一致性測試，以及射頻(RF)一致性測試。其中，協(xié)議一致性測試檢驗是否符合協(xié)議規(guī)定的各種行為(如駐網(wǎng)、建鏈、重選等)，無線資源管理一致性測試檢驗是否符合協(xié)議對測量、時間調(diào)整和鏈路質(zhì)量監(jiān)測的精度要求，射頻一致性測試檢驗是否符合協(xié)議對接收功率、靈敏度、抗干擾和性能的要求，以及發(fā)射功率、質(zhì)量和頻譜的要求。

一致性測試是最基本也是最重要的測試。運營商的測試和認證，一定會包含一致性測試。另外，運營商還會根據(jù)自己的需要，加上自己定制的測試用例。以中移動NB-IoT入庫測試為例，除了一致性測試，還增加了NV-IoT，功耗、高低溫、IPV6，機卡一致性、外場、OneNET云平臺等測試。

當(dāng)然，雖然運營商測試包含一致性測試，不能認為一致性測試只是運營商測試的一個子集。運營商測試中的一致性測試，通常不會遍歷3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的所有測試用例。所以，建議除了運營商入庫測試，也要找第三方或自測通過所有一致性測試用例。

從測試用例上看，中移動NB-IoT終端入庫測試和中移動研究院NB-IoT GTI認證(可選項也需要測試)相互補充，二者一起形成了對NB-IoT終端芯片和產(chǎn)品最完備的測試。

終端芯片EC616介紹

EC616是上海移芯通信科技有限公司研發(fā)的NB-IoT終端芯片，完全支持3GPP Rel14 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)，包括支持2-HARQ，Cat-NB2，OTDOA等所有Rel14功能，支持低頻和中頻全頻段。相比現(xiàn)有的NB-IoT芯片，EC616有一些突出的特點。在功能方面：

1)EC616集成了PA，單載波(single tone)和多載波(multi-tone)都能達到23dBm發(fā)射功率。

2)EC616集成了所有電源，包括所有IO，F(xiàn)EM，PA的電源。用戶的電路板上不需要任何電源或load switch。

3)EC616支持供電電壓范圍2.4V~4.3V，極限情況可以達到2.1V~4.3V(2.4V以下電壓時多載波發(fā)射功率略有回退，但仍符合3GPP power class3規(guī)范要求;單載波發(fā)射功率不受影響)。這意味著EC616可以支持充電鋰電池、鋰亞電池、鋰錳電池等各種電池供電，大多數(shù)應(yīng)用不需要外部的升壓或降壓器件。模塊客戶也不需要做高壓和低壓兩類模塊，單一模塊可支持大多數(shù)應(yīng)用供電需求。注：鋰錳電池在低溫(<-20°)和大電流情況下會出現(xiàn)2.1V輸出電壓這種極限情況。

4)EC616可以靈活配置支持不同的IO電壓，包括1.8V/2.8V/3.3V。這意味著無論外圍電路(如MCU)采用何種電壓，都可以靈活適配，不需要增加接口處的level shifter和對應(yīng)供電。

5)EC616為盡可能支持open CPU方案，實現(xiàn)了不少MCU特有的功能。比如，除了豐富的外設(shè)，還內(nèi)部實現(xiàn)了RC振蕩器為系統(tǒng)提供時鐘，在不需要通信的時候(MCU模式)，以更低的功耗運行。

6)EC616即使在最深的睡眠模式，仍能保持6個GPIO有電且保持控制信號。這有利于單芯片實現(xiàn)表計、煙感、門鎖等方案。

除上述功能外，EC616在晶圓面積(die size)、通信性能和功耗方面，也做了細致的設(shè)計和優(yōu)化。

EC616已通過中移動研究院NB-IoT GTI認證(包括所有可選項)，即將開始中移動NB-IoT終端芯片入庫測試。

EC616測試方法

以測試方法分類，蜂窩通信芯片(如NB-IoT)可以分為儀器測試和外場測試兩類。一致性測試和運營商測試中的大多數(shù)用例屬于儀器測試。儀器測試的優(yōu)點是測試用例充分和完備，公平公正，且環(huán)境確定，結(jié)果確定、可復(fù)現(xiàn)。而最終用戶是在外場實際網(wǎng)絡(luò)中使用該芯片和產(chǎn)品，外場常常會遇到一些意想不到的情況，所以外場的表現(xiàn)和體驗如何，也是必測的項目。本文重點關(guān)注儀器測試。

一致性測試，以及運營商測試的測試方法為，設(shè)定一個行為或指標(biāo)，達到算通過，不達到算不通過。對于行為類的測試用例，的確只有通過和不通過兩種結(jié)果。而對于指標(biāo)類測試(如性能和功耗)，協(xié)議給出的最低要求比較寬松，如果只是記錄通過或不通過，則無法反應(yīng)被測設(shè)備各項指標(biāo)的真實水平。為此，本文給出EC616實測的原始結(jié)果，供客戶參考和核對，也供同行借鑒。EC616測試用例如圖2所示。

圖2：EC616指標(biāo)類測試用例

EC616儀器性能測試

通信性能，對于一般讀者可能比較抽象。通俗地說，一定信號和干擾功率下，通信傳輸錯誤率越低，說明性能越好，或者說，滿足一定的傳輸正確率，允許的信號越小(或允許的干擾越大)，說明性能越好。性能關(guān)系到通信可靠性(通信正確/錯誤率)、通信可能性(如弱信號或強干擾下能否通信)，以及通信質(zhì)量(如吞吐率和時延)，是最重要和最基本的用戶體驗。

儀器性能測試用例選自3GPP 36.101規(guī)范。我們選擇了直接反應(yīng)通信性能的三類測試，分別是靈敏度、基帶接收性能、發(fā)射信號質(zhì)量。

測試方法和參數(shù)配置詳見36.101相關(guān)章節(jié)，如需要請讀者自行查閱。本文所有測試均在band8下完成。

1、靈敏度

手機在信號弱的地方(如地下室、電梯)無法通話和上網(wǎng)，NB-IoT也是類似。靈敏度定義為滿足通信需要的最小允許的接收信號功率。靈敏度數(shù)值越小，代表弱信號下通信能力越強。信號功率一般以dBm為單位，通俗地說，dBm數(shù)值每減少3(dB)，信號功率減為原來的一半。

NB-IoT可以采用信號重復(fù)(repetition)的方式改善不同覆蓋條件下的靈敏度。簡單地說，就是在極弱信區(qū)，發(fā)送端反復(fù)重復(fù)發(fā)送同一數(shù)據(jù)，接收端再用合并累加的方式，使得有用信號得以增強，從而滿足通信的需要。也就是說，不同重復(fù)次數(shù)下的靈敏度是不同的。注：不同重復(fù)次數(shù)下的靈敏度協(xié)議沒有給出確定指標(biāo)，不屬于一致性測試，不過因其重要性，我們還是列出相應(yīng)結(jié)果。

靈敏度是一個綜合指標(biāo)，不僅反應(yīng)了基帶接收算法性能，還反應(yīng)射頻接收通路的噪聲系數(shù)(Noise figure)和前端損耗(FE loss)的好壞。

根據(jù)協(xié)議定義，靈敏度為傳輸誤塊率(BLER)為5%時對應(yīng)的接收信號功率。為了讓讀者對通信性能有更清晰全面的認識，我們采用二維曲線的方式表示。其中，橫坐標(biāo)為接收信號功率，縱坐標(biāo)為傳輸誤塊率。圖中也標(biāo)出3GPP的最低要求作為參考。

測試結(jié)果如下：

圖3：36.101-7.3.1F.1靈敏度測試結(jié)果

圖4：36.101-7.3.1F.2 rep=4靈敏度測試結(jié)果

圖5：36.101-7.3.1F.2 rep=32靈敏度測試結(jié)果

EC616靈敏度結(jié)果總結(jié)如下：

2、基帶接收性能

基帶接收性能測試和靈敏度測試有三點不同之處：

1)基帶接收性能測試采用人為加噪聲的方法，抬高接收信號總功率，使得射頻本身的噪聲和失真可以忽略不計，從而這項測試只反應(yīng)基帶的接收性能，而與射頻無關(guān)。人為增加的噪聲，模擬了實際網(wǎng)絡(luò)中常見的同頻率干擾。

2)外場無線傳播的信道環(huán)境多種多樣，很多時候接收到的信號功率并不是固定不變，而是隨時間發(fā)生起伏和衰落(fading)?；鶐Ы邮招阅軠y試模擬了外場常見的幾種衰落信道模型(如EPA，ETU)。

3)測試用例分為NPDSCH和NPDCCH兩類，NPDSCH測試用例使用誤塊率(BLER)作為衡量指標(biāo)，而NPDCCH測試用例使用下行調(diào)度漏檢率(Pm)作為衡量指標(biāo)。

在分析方法上，基帶接收性能測試和靈敏度測試是類似的，只是橫坐標(biāo)換成了接收信噪比(SNR)，即信號和噪聲的功率之比。由于噪聲功率固定不變，所以橫坐標(biāo)還是反應(yīng)了接收信號功率的變化。接收信噪比以dB作為單位，類似地，信噪比每減少3(dB)，(同等噪聲功率下)信號減為原來的一半。

EC616測試結(jié)果如下(重復(fù)過長導(dǎo)致測試時間過長的測試用例未列出)：

圖6：36.101-8.12.1.1.1 Test1 NPDSCH性能測試結(jié)果

圖7：36.101-8.12.1.1.1 Test2 NPDSCH性能測試結(jié)果

圖8：36.101-8.12.1.1.2 Test1 NPDSCH性能測試結(jié)果

圖9：36.101-8.12.2.1.1 Test1 NPDCCH性能測試結(jié)果

圖10：36.101-8.12.2.1.2 Test1 NPDCCH性能測試結(jié)果

EC616接收性能結(jié)果總結(jié)如下：

3、射頻發(fā)射質(zhì)量

靈敏度和基帶接收性能衡量的都是下行鏈路的性能，即基站發(fā)射和終端接收的性能。由于基站通常具有較好的發(fā)射性能，所以，下行鏈路性能中，起決定因素的是終端接收的性能。而在上行鏈路中，即終端發(fā)射和基站接收，受限于終端較低成本的射頻發(fā)射電路(如PA)，終端發(fā)射信號的質(zhì)量是影響上行鏈路性能的因素之一。

與接收性能指標(biāo)不同，發(fā)射信號質(zhì)量指標(biāo)越好，并不一定帶來更好的用戶體驗。比如Tx EVM，如果做到Tx EVM=7%，意味著SNR=23dB。這么高的SNR對于上行鏈路來說，貢獻的干擾已經(jīng)不明顯，再提升EVM指標(biāo)意義不大。所以，發(fā)射信號質(zhì)量指標(biāo)要綜合成本和功耗來看，盡量做到均衡。

EC616射頻發(fā)射質(zhì)量如下表：

EC616儀器功耗測試

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中絕大多數(shù)都是電池供電，比如表計、門鎖、煙感、穿戴。功耗對于電池供電的應(yīng)用至關(guān)重要，直接決定了電池壽命。所以低功耗是NB-IoT核心指標(biāo)之一。

功耗測試時：

1)需測試整機功耗，而不是單一芯片功耗。即電路板上的所有器件的耗電都應(yīng)統(tǒng)計在內(nèi)。

2)測試某個瞬時或者某個部件功耗的意義不大，應(yīng)測試終端設(shè)備在不同的狀態(tài)和模式下的平均電流。

終端常見的工作狀態(tài)如下表所示：

所有功耗測試用例選自《中國移動NB-IOT終端測試-功耗》，測試方法和參數(shù)配置詳見該文檔。

功耗測試結(jié)果如下表所示：

后記

在儀器性能和功耗的測試中，EC616表現(xiàn)優(yōu)異。然而，實驗室表現(xiàn)再優(yōu)秀，如果優(yōu)勢不能在外場實際網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)出來，那就是“紙上談兵”。和實驗室儀器測試的確定和可復(fù)現(xiàn)不同，外場測試情況復(fù)雜多變不確定，除了性能是根本，對蜂窩通信環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)的理解也很重要。外場測試的內(nèi)容，將在本文的下篇《NB-IoT芯片核心競爭力之實網(wǎng)實戰(zhàn)》中予以介紹。