中国IoT迈入商用阶段,芯片发展成为IoT商用进程的关键

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众所周知,随着今年底中国移动NB-IoT基站建设及网络铺设的正式完成,国内三大主流运营商在NB-IoT领域的基础设施布局也将正式告一段落,相比预期目标时间大大提前。进入新的发展阶段,“商用”无疑是当下运营商及各大产业链相关方急需攻略的下一座“城池”。

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迈入商用阶段,首当其冲关注的自然是NB-IoT芯片的发展,作为在NB-IoT商用进程中决定性的一环,芯片技术的演进可谓是举足轻重。国内市场在华为等巨头的持续引领下,2017年以来呈现出井喷态势,越来越多芯片量产的落实,外加模组厂商们一波又一波的助攻,2018年产业迎来新一波的爆发。不过,在NB-IoT芯片技术的创新和迭代方面,国内厂商仍面临着诸多挑战,加之要更进一步贴近中国市场“高性价比”的国情,如何在现有基础上对芯片的功耗以及架构做更进一步的优化,也成为NB-IoT技术发展前期各大芯片厂商所关注的焦点。

在NB-IoT物联网中,广覆盖、强连接是两大最基本的特性。同样的频段下,NB-IoT可比现有网络增益20dB,相当于提升了100倍区域的覆盖能力,而且同一基站下也可比现有的无线技术提供50-100倍的接入数,比如200KHz频率下基本上单个基站小区可支持5万个NB-IoT终端接入。

如此大规模的覆盖范围下,加之多数应用场景中设备对使用寿命和频繁唤醒功能都有着较高的要求,低功耗也就自然成为了NB-IoT应用中的急需攻克的首个关卡。尤其对于一些不能经常更换电池的设备和场合,如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备,它们不可能像智能手机一样每天一充电,因此长达几年乃至十年以上的电池使用寿命是最本质的需求。

不过,在当前电池技术无法取得突破的前提下,目前唯一的方法只能通过降低设备本身的功耗来延长电池的供电时间。但影响设备自身功耗表现的因素也是多方面的,最直接的就如NB-IoT芯片及模组的功耗,NB-IoT芯片的功耗大致体现在三个工作模式下:PSM模式、IDLE(eDRX)以及Active。这三种模式下一般都会有不同的功耗指标(典型的比如PSM下最大耗流约5uA左右、IDLE下最大耗流约为6mA等),虽说对于普通消费类应用而言,这种功耗标准已经足够,但却难以满足NB-IoT应用中的很多低功耗乃至超低功耗的场景需求。此外,基于产业生态的不成熟等宏观因素,当前市面上大多数NB-IoT芯片架构仍在沿用智能手机芯片的架构搭建模式,因此在上述这些功耗方面也必须做出更多的妥协,尽管嵌入式是业内公认的发展方向,但显然目前的大环境并不能满足技术亟待升级的需求。

针对上述提到的NB-IoT芯片三种模式下如何降低功耗的问题,大唐半导体高级IC设计工程师杨汝辉表示:“物联网不同于手机,绝大部分时间在'睡觉',有时候每天甚至每周只需要上报一两条消息,完事后继续'睡觉'。因此,芯片不必随时监听网络,其中PSM的作用就是让物联网终端发完数据后就进入休眠状态,类似于手机关机,然后不再进行任何通信活动。而Idle模式(eDRX)下,手机可以断断续续的接收信号从而达到省电的目的,NB-IoT可以扩展这个断续间隔,一般最大可以扩展2.91个小时,从而达到更加省电的目的。如果要降低PSM功耗,芯片层面上一方面可以让最少量的PSM Timer电路处于工作状态,其他电路Power-off;其次,Timer用Regulator驱动,可以使得DVDDL输入比VBAT小很多;此外,Timer Standard单元的MOS管Length可以加大,这样能够降低漏电,从而达到大幅降低PSM功耗的目的。”

上海移芯通信科技有限公司总裁熊海峰也告诉记者:“本质上来讲,PSM的功耗其实是系统漏电加上芯片最小的系统在运行时的功耗两部分组成的,系统漏电其实跟工艺的选择有着很直接的关系,同时芯片的规模也有很直接的影响,如果芯片做大了,对应漏电也会变大。”

针对工作于IDLE(eDRX)以及Active状态下的芯片功耗问题,熊海峰表示,“Idle模式下的功耗取决于Paging的功耗,业内平均水平基本在1mA左右;而Active的功耗其实跟工作电压相关,同时也跟所选择的芯片架构有很直接的关系。这些方面其实还是有很大的可提升空间,而且一定是基于对芯片的整体架构做一个全新的设计,而不是基于现有的架构。事实上,现有的架构几乎可以肯定跟手机的架构是十分类似的,而手机的架构基本上都维持在毫安级的功耗,但更低的功耗对于需要频繁唤醒的NB-IoT应用场景是非常重要的,如果能将1mA降低到100uA,效果会大不同。另外,如果能够进一步降低电压以及在架构上进一步简化,比如去掉一些不必要的模块,Active的功耗也能够大幅降低,同时对NB-IoT芯片的性能也会有相当大的提升。不过,这种优化后还需要跟基站侧进行互动,而目前我们在市场上看到的所有的应用,相对来说整体还是不够理想的。”

因此,随着NB-IoT“商用之门”越开越大,芯片的功耗问题也将愈加突出,成为横亘在芯片设计厂商与应用型厂商之间的最大屏障。若要真正达到预期的10年续航“小目标”,实现大规模普及商用,功耗方面业内厂商仍需在现有基础上,花更多心思去推进芯片架构向嵌入式方向演进,并在功能层面上去做更多的简化,比如针对碎片化和纷繁复杂的垂直市场逐个优化配置参数,或者去掉一些非必须的模块,实现功耗的进一步降低,不过这也需要更为完善的行业生态做基础支持。

 

 

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