物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組及其應(yīng)用初探

文/楊 彬（合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院）

物聯(lián)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新浪潮，其在全球范圍內(nèi)飛速發(fā)展和普遍應(yīng)用，預(yù)示著萬物智能、萬物互聯(lián)的新時(shí)代來臨。無線通信模組作為物聯(lián)網(wǎng)智能終端的關(guān)鍵部件將伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的新業(yè)態(tài)。

一、物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組的概念

無線通信模組是物聯(lián)網(wǎng)智能終端的核心部件，是智能終端與物聯(lián)網(wǎng)之間的連接紐帶[1]，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的中流砥柱，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)架構(gòu)中處于感知層和網(wǎng)絡(luò)層中間，負(fù)責(zé)智能終端和網(wǎng)絡(luò)層之間的數(shù)據(jù)傳輸。無線通信模組本質(zhì)上是將基帶、射頻、電源、存儲(chǔ)等芯片與阻容感等電子元器件集成到一起，并配以特定的封裝形式和軟件設(shè)計(jì)，以滿足不同應(yīng)用場景下物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求。產(chǎn)業(yè)鏈上游為基帶、射頻、阻容感等各類電子元器件廠家，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高。特別是基帶和射頻芯片，是整個(gè)無線通信模組的核心部件，決定著通信模組的核心性能和功能，主要供應(yīng)商有英特爾、高通、聯(lián)發(fā)科、海思、思佳訊、威迅、銳迪科等[2]。產(chǎn)業(yè)鏈下游則是移動(dòng)支付、無線抄表、智慧路燈、安防、家居等各細(xì)分領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備廠家。模組廠商從上游采購芯片等原材料，經(jīng)過軟硬件設(shè)計(jì)、測試、認(rèn)證、生產(chǎn)及銷售等環(huán)節(jié)流入下游終端環(huán)節(jié)，進(jìn)而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展。

二、物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組的架構(gòu)

無線通信模組是物聯(lián)網(wǎng)智能終端的核心部件，肩負(fù)著智能終端接入網(wǎng)絡(luò)的重要使命。感知層采集的海量數(shù)據(jù)均需通過無線通信模組匯聚到網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)而通過云端對設(shè)備進(jìn)行有效控制。無線通信模組主要由基帶單元、射頻單元、電源管理、內(nèi)存存儲(chǔ)及外圍接口五部分組成。

基帶單元是整個(gè)無線通信模組的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，主要由基帶處理芯片組成，負(fù)責(zé)基帶信號(hào)處理和協(xié)議處理等，主要實(shí)現(xiàn)基帶編解碼、語音編解碼、定時(shí)控制、數(shù)字系統(tǒng)控制、射頻控制、省電控制和人機(jī)接口控制等功能。

射頻單元具有接收和發(fā)送信號(hào)的功能，主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的切換、收發(fā)、頻率合成、功率放大及信號(hào)的過濾，是整個(gè)無線通信模組的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，直接決定了信息傳輸?shù)木嚯x和質(zhì)量。

電源管理單元主要負(fù)責(zé)為模組提供穩(wěn)定可靠的供電，并通過特定的技術(shù)手段降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗和空閑時(shí)段的能耗，確保智能終端在電池供電模式下具有更長的使用壽命。

內(nèi)存存儲(chǔ)單元主要負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)，包括無線通信模組出廠時(shí)的軟件參數(shù)和終端運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的部分信息數(shù)據(jù)等。

外圍接口單元主要包括天線接口和功能接口兩部分。天線接口由主天線、分集天線、GNSS 天線、藍(lán)牙天線及WiFi 天線等射頻天線接口中的一種或者多種組合而成，具體類型取決于無線通信模組的功能和模式。功能接口為物聯(lián)網(wǎng)智能終端提供各種信號(hào)的輸入和輸出，主要有電源、USB、USIM、UART、SD 卡、模擬或數(shù)字音頻、I2C、ADC、觸摸屏、攝像頭、顯示器、狀態(tài)指示及通用的GPIO 接口等。

三、物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組的分類

物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組從功能上一般分為通信模組和定位模組兩類。其中通信模組按照不同的通信制式分為2/3/4/5G、NB-IoT 及eMTC等蜂窩通信模組和WiFi、藍(lán)牙、Zig-Bee、Lora 等非蜂窩通信模組；定位模組也即GNSS 模組，具體包括美國制式的GPS 定位模組、歐盟的GLONASS 定位模組、俄羅斯的伽利略定位模組以及中國的北斗導(dǎo)航定位模組[3]。

從傳輸速率上看，無線通信模組可分為以4G 和5G 為代表的高速率模組，以3G 和eMTC 為代表的中速率模組及以2G、NB-IoT 等為代表的低速率模組。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景對無線模組有了更高的期望，模組的種類也日益豐富。比如以eSIM技術(shù)為代表的嵌入式SIM 卡模組和軟件SIM卡模組；以NB-IoT 和eMTC 為代表的LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)）模組及內(nèi)置主控芯片和內(nèi)存的智能模組等。嵌入式SIM卡模組拋棄了傳統(tǒng)的外部SIM卡方式，模組在生產(chǎn)時(shí)就嵌入了SIM芯片，要求無線通信模組廠家具有較高的生產(chǎn)工藝。軟件SIM卡模組則完全拋棄了SIM硬件實(shí)體，以軟件的形式存儲(chǔ)于模組中，客戶無需外接SIM卡即可實(shí)現(xiàn)對SIM卡的激活和變更，進(jìn)一步降低智能終端成本。智能模組功能最為強(qiáng)大，終端廠家無需外接主控和存儲(chǔ)芯片，即可實(shí)現(xiàn)自身定制化的需求。

四、NB-IoT 無線通信模組簡介

NB-IoT 無線通信技術(shù)由于其低成本、低功耗、廣覆蓋、適用場景廣泛等特點(diǎn)，已成為當(dāng)下國內(nèi)乃至全球部署和應(yīng)用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的承載能力越來越難以支撐海量的物與物連接，以NB-IoT 為代表的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，并在很短的時(shí)間內(nèi)取得了長足的發(fā)展。從2016 年標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)開始，NB-IoT 僅用了3 年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)大規(guī)模商用，推動(dòng)了整個(gè)NB-IoT 產(chǎn)業(yè)鏈的迅速發(fā)展。

NB-IoT 無線通信模組即可以連接NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)制式的通信模組。NB-IoT 模組芯片方面，華為早在2016 年底就推出Boudica 120 大規(guī)模商用芯片，隨后高通、因特爾、聯(lián)發(fā)科、銳迪科、中興微電子等也都紛紛推出了自己的NB-IoT 專屬芯片。模組設(shè)計(jì)方面，上海移遠(yuǎn)是國內(nèi)最早進(jìn)行NB-IoT 無線通信模組開發(fā)的廠商之一，并于2017 年率先推出了基于Boudica 120 芯片的國內(nèi)第一款NB-IoT 無線通信模組BC95。加拿大的Sierra Wireless，意大利的Telit，瑞士的U-blox，中國的芯訊通、利爾達(dá)、有方科技、廣和通等模組廠家也紛紛布局NB-IoT 市場。國內(nèi)運(yùn)營商方面，中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信也積極參與并完成了NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)。

NB-IoT 無線通信模組使用License 頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波三種部署方式，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點(diǎn)[4]。

（1）廣覆蓋：同樣的頻段下，覆蓋能力將比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提升20dB 的增益，信號(hào)能夠穿透墻壁或地板，覆蓋地下室、地下管道等更深的室內(nèi)場景。

（2）大連接：理想情況下，每個(gè)扇區(qū)可連接約5 萬臺(tái)設(shè)備。假設(shè)每平方公里1200 戶居民，每戶家庭有40 個(gè)設(shè)備，該環(huán)境下的設(shè)備連接也是可以實(shí)現(xiàn)的。

（3）低功耗：獨(dú)有的PSM(省電模式)和eDRX(擴(kuò)展型非連續(xù)接收)兩大核心技術(shù)大大延長了NB-IoT智能終端的電池壽命，實(shí)現(xiàn)在每日傳輸少量數(shù)據(jù)的情況下，電池運(yùn)行時(shí)間可長達(dá)10 年。

（4）低成本：NB-IoT 無線通信模組具有半雙工模式、單接收天線、低峰值速率、內(nèi)存需求低（500KByte）、上下行帶寬低至180kHz 等特點(diǎn)，極大地降低了基帶芯片和無線模組設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，可以將模組的設(shè)計(jì)成本控制在5 美元之內(nèi)；同時(shí)NB-IoT 與LTE 互相兼容，可重復(fù)使用已有硬件設(shè)備、共享頻譜，網(wǎng)絡(luò)部署成本低。

基于以上技術(shù)特點(diǎn)，NB-IoT 無線通信模組已成為當(dāng)今社會(huì)的主流連接，在智能抄表、智慧城市、資產(chǎn)追蹤等領(lǐng)域開始大展拳腳[5]。

五、 物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

1.無線通信模組的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組廣泛地應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能抄表、移動(dòng)支付、智能電網(wǎng)、智慧交通等領(lǐng)域，持續(xù)帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。一般情況下，2G、3G 模組主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)量不是太多，速率不高的場景，如移動(dòng)支付、資產(chǎn)追蹤等；4G 模組主要應(yīng)用于對速率要求相對較高的智能車載和智慧安防等領(lǐng)域；5G 模組則普遍應(yīng)用于數(shù)據(jù)量較大、時(shí)延要求較高的無人駕駛等領(lǐng)域；LPWAN 模組特別是NB-IoT 模組則在數(shù)據(jù)量不大、功耗和速率要求相對較低的無線抄表、智能家居、智慧路燈、智慧停車、共享單車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。

2.無線通信模組的發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益發(fā)展和新興行業(yè)的不斷涌現(xiàn)對無線通信模組提出了更高的要求。

首先，以5G 為代表的高速率、高性能、低延遲的無線通信模組需求日益增加，以滿足未來無人駕駛、智慧交通、智慧城市的迫切需求。

其次，以低速率、低成本、低功耗、廣覆蓋、大連接為特點(diǎn)的NB-IoT 模組將被應(yīng)用到越來越多的細(xì)分領(lǐng)域中，成為物聯(lián)網(wǎng)智能終端的主流。

再者，智能化也日漸成為無線通信模組的又一發(fā)展趨勢，終端廠家基于模組自身內(nèi)置的主控芯片和存儲(chǔ)芯片，即可實(shí)現(xiàn)各種智能化操作和個(gè)性化應(yīng)用，將進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本，豐富產(chǎn)品功能，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)自身定制化的需求。

最后，物聯(lián)網(wǎng)通信模組在未來3～5 年中，會(huì)朝著更加小型化、集成化、智能化、多樣化的方向發(fā)展，越來越多的芯片、功能會(huì)集成到物聯(lián)網(wǎng)模組中，其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍也將日益豐富。特別是可穿戴市場的興起，對于模組的尺寸、功耗、功能等都提出了更高的需求和期望。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組具有廣闊的發(fā)展前景，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，正悄無聲息地融入和改變?nèi)藗兊纳?，但同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組也存在市場競爭激烈、種類繁多、同質(zhì)化嚴(yán)重、核心標(biāo)準(zhǔn)缺失等問題。因此，強(qiáng)烈建議國內(nèi)龍頭模組廠商能牽頭組建物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)聯(lián)盟企業(yè)的技術(shù)、人力等各種資源，科學(xué)規(guī)劃、合理布局，分工合作、有序競爭，準(zhǔn)確定位、抱團(tuán)發(fā)展，助推中國無線通信模組技術(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、市場化、國際化，進(jìn)一步提升中國物聯(lián)網(wǎng)無線通信模組產(chǎn)業(yè)的話語權(quán)，形成產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展的新模式。