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蜂窝物联网合理连接结构形成,紫光展锐Cat.1芯片担大规模商用重任

金者

· 145次阅读 · 2020-09-07

截至今年7月,包括中国移动、中国联通、广和通,有方科技、美格智能、合宙、龙尚、有人物联网等多家模组厂商已推出搭载春藤8910DM芯片的Cat.1bis模组,并在多个领域和场景中落地应用。

近日,中国联通500万套Cat.1芯片集中比选项目结果出炉,紫光展锐独家中标,凸显其在Cat.1芯片领域的实力。作为市场上最大规模的Cat.1芯片集中采购,本次招标备受业界关注。

Cat.1承担中速率物联网连接主力的重任已成共识,目前Cat.1网络基础设施已准备就绪,开始驱动蜂窝物联网合理的连接结构加速形成,500万量级Cat.1芯片的集采只是一个开端,Cat.1规模化发展的号角开始吹响。

政策机遇:蜂窝物联网合理的连接结构加速形成

2020年5月,工信部发布了《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》(25号文),该文件开篇就提到:“推动2G/3G物联网业务迁移转网,建立NB-IoT、4G(含Cat.1)和5G协同发展的移动物联网综合生态体系”,“以NB-IoT满足大部分低速率场景需求,以LTE-Cat.1满足中等速率物联需求和话音需求,以5G技术满足更高速率、低时延联网需求”。

这是官方首次以文件形式提出了2G/3G迁移转网的要求,也是首次专门提出推动Cat.1发展的要求。工信部数据显示,截止2020年6月底,蜂窝物联网连接数为11.06亿。然而,这一规模的物联网连接中,大部分还是基于2G的连接,这一结构并不适合物联网未来发展的趋势。

蜂窝物联网合理连接结构形成,紫光展锐Cat.1芯片担大规模商用重任

蜂窝物联网连接数(单位:亿,来源:工信部)

从技术角度看,3GPP已经针对不同场景用户体验需求定义了蜂窝网络的不同通信规格,为多样化的蜂窝物联网连接结构提供技术支持。例如,为支持超低功耗、更广覆盖有NB-IoT来承担;为满足极致速率体验有5G eMBB来支持;为达到低时延、高可靠目的可以采用5G uRLLC。而对于如共享单车、无线支付、公网对讲、追踪器、车载OBD等场景,既要一定的数据传输速率,又对成本与功耗敏感,还因设备部署固有特征追求广域覆盖能力,属于一种其他技术不能完全满足的“中间地带”。针对此,3GPP在R8开始定义了Cat.1并持续进行优化,为这一“中间地点”场景落地奠定基础。

“60%-30%-10%”的蜂窝物联网结构,即低速率业务占60%、中速率业务占30%、高速率业务占10%已经成为业界的共识。要形成这一合理的蜂窝物联网连接结构,低速率和中速率连接需要持续发力。目前,2G/3G迁移转网大幕已经开启,NB-IoT和Cat.1主要来承接这部分,存量部分就有数亿的连接,每年还有上亿的新增,成为蜂窝物联网连接的主力。

在笔者看来,Cat.1除了承接部分2G/3G物联网连接外,更为重要的是,可以对原来的Cat.4一些场景进行降维替代。此前,由于缺乏替代方案,一些中速率场景由Cat.4来承载,但是Cat.4的下行最高150Mbps、上行最高50Mbps,对于大部分中速率场景来说比较浪费,功耗也比较高,且用户还需承担较高的模组和流量成本。随着Cat.1的成熟,下行最高10Mbps、上行最高5Mbps能够满足中速率场景用户需求,且能够降低硬件成本和流量支出。此时,有一定成本敏感性的用户就会降维采用Cat.1,从而增加Cat.1所占比例。

以户外媒体物联为例,此前大量电梯媒体广告机中更多采用Cat.4,而此类非实时广告内容并不需要如此高带宽。分众传媒在其披露的2018、2019年度年报中分析其营业成本时,专门提到了电视媒体设备和4G网络流量是成本增长快速增长的重要因素。可见,电梯媒体运营商对此前采用Cat.4有较高的成本敏感性,当Cat.1替代Cat.4时,会显著降低其经营成本。

基础支撑:全球最大规模通信网络已就绪

万物互联,网络先行,建设深度覆盖和广度覆盖的网络基础设施是广域物联网的落地的重要基础。Cat.1的很多应用场景中都有移动性、语音的需求,因而Cat.1要大范围商用,实现网络的连续覆盖是首要条件,否则用户体验会大打折扣。

根据工信部公布的数据,截至2020年6月底,我国移动通信基站总数达877万个,其中,4G基站总数为560万个。

中国4G基站数量(单位:万,来源:工信部)

从上图可以看出,2014年中国开始4G网络建设,4G网络基础设施规模逐年递增,目前依然在增加中,中国已建成全球规模最大的4G网络,而且4G网络规模远远超过其他制式网络,做到了广度和深度覆盖。作为全球最大的通信基础设施,中国4G网络承载了全球最多的4G手机用户,未来还将承载全球最多的4G物联网用户。

众所周知,Cat.1可以直接使用4G现网,意味着国内Cat.1网络已准备就绪,Cat.1的用户拥有覆盖最广的网络基础设施。值得注意的是,2019年国内的4G基站数从372万猛增至544万,创纪录的新增了172万个基站,也为Cat.1在2020年快速发展打下基础。

不同制式基站的比例(来源:工信部)

基础设施的结构是物联网连接结构的先行指标,从过去几年蜂窝网络基础设施的变迁,可以预判未来蜂窝物联网连接结构的变迁。目前,4G基础设施占据蜂窝网络基础设施份额超过60%,2G/3G基础设施规模占比不断下滑,接下来2G/3G开始进入下降通道,基于4G的物联网连接将实现快速增长。这一领域的增长,更多为Cat.1连接数的增长。

破解挑战:紫光展锐高集成度Cat.1芯片承担大规模商用重任

政策的支持和网络基础设施的完善为Cat.1发展铺平道路,然而走好这条路还有诸多的挑战,技术、成本、商业模式等方面都需要很多工作去做。举例来说,更低成本和更小体积始终是业界对Cat.1终端侧提出的需求,这需要芯片、模组、终端等产业链各环节共同努力去满足要求。这个过程中,芯片厂商应该率先以创新思路,推动芯片体积缩小和成本降低,进而向模组和终端传导。

此前,3GPP对于Cat.1采取的是双天线的设计,而Cat.1面对的大量应用场景都需要模组小型化,双天线设计无法达到用户小尺寸的需求。3GPP在R13版本中定义了单天线设计的Cat.1 bis 标准,在降低芯片复杂度和减少元器件成本方面做出贡献。然而,简化设计在一定程度上也牺牲了性能,相对于传统的双天线设计,Cat.1bis单天线设计大约有4dB下行平均性能损失,给移动性管理施加压力,另外也加重了干扰受限场景(如小区边缘)用户体验挑战。

因此,做到简化设计和性能体验之间的平衡的任务首先需要芯片厂商来承担,芯片厂商需要对单天线简化设计进行优化,进一步提升性能。笔者了解到,紫光展锐Cat.1芯片春藤8910DM通过通信定制优化,在运营商无需进行现网改造的前提下,实现单天线品类逼近传统LTE双天线终端的通信用户体验。在用户对体积和性能要求下,Cat.1芯片在这方面的创新成为一个明确的趋势。

在实际使用各类场景中,为达到应用的目的,用户除了需要一款调制解调器外,一般还需要处理器、内存进行落地应用的必要处理运算和存储,有些场景还需要定位功能以及近场通信能力。若用户自发去研发和配置所有的器件和功能,则应用落地复杂程度非常高,且成本也居高不下。一般来说,在设计时将这些常用的功能集成到同一个芯片上,则大大降低用户开发难度和成本。

Cat.1的很多场景也是如此,芯片的高度集成化正是破解快速落地挑战的一大手段。以紫光展锐春藤8910DM为例,该芯片集成了Cortex-A5处理器,集成ROM/RAM、WIFI-Scan室内定位、BT/BLE 4.2、Audio PA、transceiver等,拥有高度扩展的多种接口设计。可以说,通过一颗Cat.1芯片,解决了用户通信、运算、存储、定位等多方面的需求。当然,更高的集成度,带来的是用户整体BOM成本的大幅下降,春藤8910DM作为截止目前业界最高集成度的Cat.1芯片平台,带来成本节约是很明显的。

截至今年7月,包括中国移动、中国联通、广和通,有方科技、美格智能、合宙、龙尚、有人物联网等多家模组厂商已推出搭载春藤8910DM芯片的Cat.1bis模组,并在多个领域和场景中落地应用。

总体来说,终端侧的创新在保证Cat.1性能不变的情况下,不断降低成本和开发难度。也正是这些持续创新,推动Cat.1整个产业生态加速成熟。

早在2017年,国内运营商就开启了Cat.1的商用,但是彼时整个产业生态还未准备就绪。2019年11月,紫光展锐发布了全球首颗LTE Cat.1bis物联网芯片平台春藤8910DM,笔者就曾撰写了《NB-IoT和5G都不能承载的30%物联网连接将由谁来承接?》一文,从4个视角分析了推动Cat.1发展正当时。如今来看,在政策的大力支持、网络基础设施完善以及产业界不断创新的驱动下,目前Cat.1发展的各方面条件已准备就绪。

回顾此前蜂窝物联网发展历史,直播星的集中采购驱动2G物联网规模化落地,使2G物联网成本快速下降;运营商多次NB-IoT的大规模集采,驱动NB-IoT产业链成熟,目前NB-IoT连接数已超过1亿。本次中国联通500万套Cat.1芯片的招标,可以说是Cat.1开启规模化发展之路的重要风向标,期待Cat.1能够快速成为名副其实的中速率物联网主力。

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