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看完这篇,你也懂NB-IoT芯片的核心竞争力!

发布时间:2019-05-17 来源: 责任编辑:wenwei

【导读】近日,工信部、国资委印发《关于开展深入推进宽带网络提速降费、支撑经济高质量发展2019专项行动的通知》。其中特别提出,面向物流等移动物联网应用,需要进一步升级NB-IoT(窄带物联网)网络能力,持续完善NB-IoT网络覆盖。建立移动物联网发展监测体系,促进各地NB-IoT应用和产业发展。
 
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另外,针对NB-IoT应用案推广,还鼓励行业间、产业链各方加强合作,推动车联网、工业互联网等应用规模发展,以支撑智能制造。
物联网与NB-IoT
 
物联网是一项近年来快速发展的新兴技术,已经在智能家居、智能表计、共享经济、智慧城市、消费电子等领域得到广泛应用。物联网是互联网的延伸和扩展,具体来说,它将各种信息传感设备与互联网结合起来,实现任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。
 
物联网通信技术指物联网中物与物之间的通信技术(本文特指无线通信技术),以通信距离分类,可分为短距通信和广域通信,如图1所示。
 
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图1:物联网通信技术
 
NB-IoT是华为等网络设备商以及全球各大通信运营商主导的,3GPP组织标准化的窄带蜂窝物联网通信技术,因其低成本、低功耗、广覆盖和海量连接的特点备受关注。
 
NB-IoT的优势和挑战
 
NB-IoT从2017年6月商用以来,发展迅速,中国三大运营商基本实现了全国覆盖,海外也建成了60多个NB-IoT网络。市场和应用方面,连接数已达2000万,多个百万级应用落地,一些应用正在冲击千万级,预计2019年连接数将达到一个亿。与此同时,一些应用场景类似的广域物联网通信技术也在推广过程中,也取得不错的关注度,LoRa是其中之一。NB-IoT和LoRa的简要对比如下:
 
1)LoRa没有移动性,通信局限于一片固定区域。NB-IoT从一个小区到另一个小区还能继续通信,支持全国漫游。
 
2)LoRa为外国公司私有技术,具有一定专利和政策风险。NB-IoT是华为等网络设备商和运营商主导制定的3GPP标准,免收专利费或专利费用低。
 
3)大规模无线通信网络的部署、优化和运营难度极大,尤其是用户数达到一定规模,不同用户业务并发和管理,不同网络以及用户间的干扰都面临很多问题。LoRa需自己建网,采用未授权频段,抗干扰能力弱,缺乏统一网络规划管理,通信质量无法保障,技术和标准的成熟度有待检验。而NB-IoT由运营商统一建好网络,用户只需购买终端接入(类似手机),同时,NB-IoT是3GPP 4G标准的低功耗和低成本演进,技术和标准较成熟。可以说,由经验丰富的运营商部署和维护是NB-IoT的最大优势。
 
4)终端芯片的成本和功耗与具体设计实现相关,LoRa和NB-IoT之间无确定差别。
 
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我们认为NB-IoT最大的挑战还是来自同宗同源的蜂窝通信技术,比如2G和4G。NB-IoT的产生源于四个需求,即低成本、低功耗、广覆盖、海量连接。然而, NB-IoT在发展初期,广覆盖和海量连接的优势体现不出来。比如当前阶段,NB-IoT网络覆盖显然不及成熟的2G和4G网络,虽然NB-IoT有覆盖增强技术(支持MCL=164dB),但此技术以多占用网络(时间)资源和增加功耗为代价,适用于个别覆盖差点,不宜给大多数用户使用。
 
另外,NB-IoT支持海量连接数,但早期的用户数还在2G和4G可支持的范围。并且,即使NB-IoT技术上支持海量连接,但和其他所有无线通信技术一样,还是会受到同一时刻和同一频率,只能有一个用户通信的限制。并发通信上,NB-IoT并无优势。在这样的情况下,如果NB-IoT在低成本和低功耗上,相比其他蜂窝通信无法做到明显的优势,用户的使用意愿就大打折扣。另外,虽说网络覆盖主要依靠运营商解决,但终端芯片如果能优化通信性能,也可以大幅改善用户体验和运营商建网成本。因此,终端芯片的成本、功耗和性能,是NB-IoT产业发展的三个核心要素。
 
针对性能和功耗,3GPP以及运营商给出专门的测试规范和指标,这是本文接下来的主要内容。
 
NB-IoT终端测试技术
 
与其他使用蜂窝技术的产品类似,使用NB-IoT技术的产品在商用前,需经过3GPP标准规定的一致性测试(conformance test)以及运营商的测试和认证。这套严格和完整的测试和认证体系,是运营商和网络设备商从2G发展到5G,拥有几十亿用户和连接,在技术和经验上的集中体现,是每个入网产品的质量及用户体验的根本保证。
 
一致性测试通过一系列测试用例,检验被测试设备是否满足3GPP标准规定的行为和性能要求。一致性测试分为协议一致性测试,无线资源管理(RRM)一致性测试,以及射频(RF)一致性测试。其中,协议一致性测试检验是否符合协议规定的各种行为(如驻网、建链、重选等),无线资源管理一致性测试检验是否符合协议对测量、时间调整和链路质量监测的精度要求,射频一致性测试检验是否符合协议对接收功率、灵敏度、抗干扰和性能的要求,以及发射功率、质量和频谱的要求。
 
一致性测试是最基本也是最重要的测试。运营商的测试和认证,一定会包含一致性测试。另外,运营商还会根据自己的需要,加上自己定制的测试用例。以中移动NB-IoT入库测试为例,除了一致性测试,还增加了NV-IoT,功耗、高低温、IPV6,机卡一致性、外场、OneNET云平台等测试。
 
当然,虽然运营商测试包含一致性测试,不能认为一致性测试只是运营商测试的一个子集。运营商测试中的一致性测试,通常不会遍历3GPP标准定义的所有测试用例。所以,建议除了运营商入库测试,也要找第三方或自测通过所有一致性测试用例。
 
从测试用例上看,中移动NB-IoT终端入库测试和中移动研究院NB-IoT GTI认证(可选项也需要测试)相互补充,二者一起形成了对NB-IoT终端芯片和产品最完备的测试。
 
终端芯片EC616介绍
 
EC616是上海移芯通信科技有限公司研发的NB-IoT终端芯片,完全支持3GPP Rel14 NB-IoT标准,包括支持2-HARQ,Cat-NB2,OTDOA等所有Rel14功能,支持低频和中频全频段。相比现有的NB-IoT芯片,EC616有一些突出的特点。在功能方面:
 
1)EC616集成了PA,单载波(single tone)和多载波(multi-tone)都能达到23dBm发射功率。
 
2)EC616集成了所有电源,包括所有IO,FEM,PA的电源。用户的电路板上不需要任何电源或load switch。
 
3)EC616支持供电电压范围2.4V~4.3V,极限情况可以达到2.1V~4.3V(2.4V以下电压时多载波发射功率略有回退,但仍符合3GPP power class3规范要求;单载波发射功率不受影响)。这意味着EC616可以支持充电锂电池、锂亚电池、锂锰电池等各种电池供电,大多数应用不需要外部的升压或降压器件。模块客户也不需要做高压和低压两类模块,单一模块可支持大多数应用供电需求。注:锂锰电池在低温(<-20°)和大电流情况下会出现2.1V输出电压这种极限情况。
 
4)EC616可以灵活配置支持不同的IO电压,包括1.8V/2.8V/3.3V。这意味着无论外围电路(如MCU)采用何种电压,都可以灵活适配,不需要增加接口处的level shifter和对应供电。
 
5)EC616为尽可能支持open CPU方案,实现了不少MCU特有的功能。比如,除了丰富的外设,还内部实现了RC振荡器为系统提供时钟,在不需要通信的时候(MCU模式),以更低的功耗运行。
 
6)EC616即使在最深的睡眠模式,仍能保持6个GPIO有电且保持控制信号。这有利于单芯片实现表计、烟感、门锁等方案。
 
除上述功能外,EC616在晶圆面积(die size)、通信性能和功耗方面,也做了细致的设计和优化。
 
EC616已通过中移动研究院NB-IoT GTI认证(包括所有可选项),即将开始中移动NB-IoT终端芯片入库测试。
 
EC616测试方法
 
以测试方法分类,蜂窝通信芯片(如NB-IoT)可以分为仪器测试和外场测试两类。一致性测试和运营商测试中的大多数用例属于仪器测试。仪器测试的优点是测试用例充分和完备,公平公正,且环境确定,结果确定、可复现。而最终用户是在外场实际网络中使用该芯片和产品,外场常常会遇到一些意想不到的情况,所以外场的表现和体验如何,也是必测的项目。本文重点关注仪器测试。
 
一致性测试,以及运营商测试的测试方法为,设定一个行为或指标,达到算通过,不达到算不通过。对于行为类的测试用例,的确只有通过和不通过两种结果。而对于指标类测试(如性能和功耗),协议给出的最低要求比较宽松,如果只是记录通过或不通过,则无法反应被测设备各项指标的真实水平。为此,本文给出EC616实测的原始结果,供客户参考和核对,也供同行借鉴。EC616测试用例如图2所示。
 
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图2:EC616指标类测试用例
 
EC616仪器性能测试
 
通信性能,对于一般读者可能比较抽象。通俗地说,一定信号和干扰功率下,通信传输错误率越低,说明性能越好,或者说,满足一定的传输正确率,允许的信号越小(或允许的干扰越大),说明性能越好。性能关系到通信可靠性(通信正确/错误率)、通信可能性(如弱信号或强干扰下能否通信),以及通信质量(如吞吐率和时延),是最重要和最基本的用户体验。
 
仪器性能测试用例选自3GPP 36.101规范。我们选择了直接反应通信性能的三类测试,分别是灵敏度、基带接收性能、发射信号质量。
 
测试方法和参数配置详见36.101相关章节,如需要请读者自行查阅。本文所有测试均在band8下完成。
 
1、灵敏度
 
手机在信号弱的地方(如地下室、电梯)无法通话和上网,NB-IoT也是类似。灵敏度定义为满足通信需要的最小允许的接收信号功率。灵敏度数值越小,代表弱信号下通信能力越强。信号功率一般以dBm为单位,通俗地说,dBm数值每减少3(dB),信号功率减为原来的一半。
 
NB-IoT可以采用信号重复(repetition)的方式改善不同覆盖条件下的灵敏度。简单地说,就是在极弱信区,发送端反复重复发送同一数据,接收端再用合并累加的方式,使得有用信号得以增强,从而满足通信的需要。也就是说,不同重复次数下的灵敏度是不同的。注:不同重复次数下的灵敏度协议没有给出确定指标,不属于一致性测试,不过因其重要性,我们还是列出相应结果。
 
灵敏度是一个综合指标,不仅反应了基带接收算法性能,还反应射频接收通路的噪声系数(Noise figure)和前端损耗(FE loss)的好坏。
 
根据协议定义,灵敏度为传输误块率(BLER)为5%时对应的接收信号功率。为了让读者对通信性能有更清晰全面的认识,我们采用二维曲线的方式表示。其中,横坐标为接收信号功率,纵坐标为传输误块率。图中也标出3GPP的最低要求作为参考。
 
测试结果如下:
 
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图3:36.101-7.3.1F.1灵敏度测试结果
 
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图4:36.101-7.3.1F.2 rep=4灵敏度测试结果
 
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图5:36.101-7.3.1F.2 rep=32灵敏度测试结果
 
EC616灵敏度结果总结如下:
 
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2、基带接收性能
 
基带接收性能测试和灵敏度测试有三点不同之处:
 
1)基带接收性能测试采用人为加噪声的方法,抬高接收信号总功率,使得射频本身的噪声和失真可以忽略不计,从而这项测试只反应基带的接收性能,而与射频无关。人为增加的噪声,模拟了实际网络中常见的同频率干扰。
 
2)外场无线传播的信道环境多种多样,很多时候接收到的信号功率并不是固定不变,而是随时间发生起伏和衰落(fading)。基带接收性能测试模拟了外场常见的几种衰落信道模型(如EPA,ETU)。
 
3)测试用例分为NPDSCH和NPDCCH两类,NPDSCH测试用例使用误块率(BLER)作为衡量指标,而NPDCCH测试用例使用下行调度漏检率(Pm)作为衡量指标。
 
在分析方法上,基带接收性能测试和灵敏度测试是类似的,只是横坐标换成了接收信噪比(SNR),即信号和噪声的功率之比。由于噪声功率固定不变,所以横坐标还是反应了接收信号功率的变化。接收信噪比以dB作为单位,类似地,信噪比每减少3(dB),(同等噪声功率下)信号减为原来的一半。
 
EC616测试结果如下(重复过长导致测试时间过长的测试用例未列出):
 
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图6:36.101-8.12.1.1.1 Test1 NPDSCH性能测试结果
 
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图7:36.101-8.12.1.1.1 Test2 NPDSCH性能测试结果
 
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图8:36.101-8.12.1.1.2 Test1 NPDSCH性能测试结果
 
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图9:36.101-8.12.2.1.1 Test1 NPDCCH性能测试结果
 
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图10:36.101-8.12.2.1.2 Test1 NPDCCH性能测试结果
 
EC616接收性能结果总结如下:
 
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3、射频发射质量
 
灵敏度和基带接收性能衡量的都是下行链路的性能,即基站发射和终端接收的性能。由于基站通常具有较好的发射性能,所以,下行链路性能中,起决定因素的是终端接收的性能。而在上行链路中,即终端发射和基站接收,受限于终端较低成本的射频发射电路(如PA),终端发射信号的质量是影响上行链路性能的因素之一。
 
与接收性能指标不同,发射信号质量指标越好,并不一定带来更好的用户体验。比如Tx EVM,如果做到Tx EVM=7%,意味着SNR=23dB。这么高的SNR对于上行链路来说,贡献的干扰已经不明显,再提升EVM指标意义不大。所以,发射信号质量指标要综合成本和功耗来看,尽量做到均衡。
 
EC616射频发射质量如下表:
 
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EC616仪器功耗测试
 
 
物联网应用中绝大多数都是电池供电,比如表计、门锁、烟感、穿戴。功耗对于电池供电的应用至关重要,直接决定了电池寿命。所以低功耗是NB-IoT核心指标之一。
 
功耗测试时:
 
1)需测试整机功耗,而不是单一芯片功耗。即电路板上的所有器件的耗电都应统计在内。
2)测试某个瞬时或者某个部件功耗的意义不大,应测试终端设备在不同的状态和模式下的平均电流。
 
终端常见的工作状态如下表所示:
 
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所有功耗测试用例选自《中国移动NB-IOT终端测试-功耗》,测试方法和参数配置详见该文档。
 
功耗测试结果如下表所示:
 
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后记
 
在仪器性能和功耗的测试中,EC616表现优异。然而,实验室表现再优秀,如果优势不能在外场实际网络中体现出来,那就是“纸上谈兵”。和实验室仪器测试的确定和可复现不同,外场测试情况复杂多变不确定,除了性能是根本,对蜂窝通信环境、网络的理解也很重要。外场测试的内容,将在本文的下篇《NB-IoT芯片核心竞争力之实网实战》中予以介绍。
 
 
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