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线性调频扩频技术,非蜂窝广域网络的“活力之水”

Chirp,中文译名啁啾(读音:“周纠”),是一种编码脉冲技术。CSS是英文Chirp Spread Spectrum的缩写,中文意为啁啾扩频,又称线性调频扩频,是数字通信中的一种扩频技术。CSS技术能够提升无线通信的性能和距离,实现比FSK(Frequency Shift Keying,频移键控)等调制技术距离更远的无线通信,这非常有助于非蜂窝广域网络规模化的组网应用。本文就从CSS技术、市场、射频收发器等方面做简要阐述。

CSS扩频技术传输性能优异  实现更远距离的无线通信

CSS技术并非是一种新的技术。在自然界里,Chirp脉冲就为海豚和蝙蝠等生物所用。20世纪40年代Hüttmann教授发明了雷达应用专利,后由Sidney Darlington进一步将CSS技术引入雷达系统创造性地开发了脉冲压缩(Chirp)雷达。自1997年以来人们开始研究将CSS技术应用于商业的无线数据传输。后来,IEEE 802.15.4标准将CSS指定为了一种用于低速率无线个人局域网(LR-WPAN)的技术,实现了数据速率可扩展性、远距离、更低功耗和成本,其与差分相移键控调制(DPSK)等技术相结合,可以实现更好的通信性能。CSS技术使用了其全部分配带宽来广播信号,从而使其对信道噪声具有一定的鲁棒性。CSS技术在非常低的功率下也能够抵抗多径衰落,非常适用于要求低功耗和较低数据速率的应用场景。CSS技术的低成本、低功耗、远距离以及数据速率的可扩展性等特性为产品商业化应用提供了现实的可能。

线性调频扩频技术,非蜂窝广域网络的“活力之水”

时域线性扩频调频upchirp示例(来源:Wikipedia)

从CSS技术应用情况来看,德国Nanotron公司使用CSS技术在2.4GHz频段上实现了570米的距离通信。美国Semtech公司的LoRa产品使用CSS技术在Sub-1GHz频段上实现了几公里,甚至几十公里的距离通信。

CSS技术通信距离远可以在一定范围内实现更大规模的无线连接,大大降低无线接入和组网的成本,组建经济高效的无线广域网络,有助于物联网络规模化部署应用。CSS技术的普及应用将为新兴的非蜂窝广域网络市场的发展注入了新的活力,将会有力地推动行业应用的发展。

非蜂窝广域网络方兴未艾 物联网发展步入规模化应用阶段

低功耗广域网络(Low-Power Wide Area Network, LPWAN)大致可以分为蜂窝和非蜂窝广域网络。蜂窝广域网络是指由运营商建设的基于蜂窝技术的网络,一般是指3GPP主导的物联网标准,代表技术有NB-IoT、LTE-M(eMTC)和EC-GSM-IoT等;非蜂窝广域网络主要是指由企业自主建设使用免许可频段组建的网络,代表技术有SIGFOX、LoRaWAN、ZETA等。也有的提出0G网络,是相对于1G/2G/3G/4G而言,在通信领域一般是指蜂窝移动电话之前的移动电话技术,如无线电话。在物联网领域,0G指的是一个低带宽的无线网络,没有SIM卡、没有流量、低成本接入、远距离通信、传输少量数据的网络,也就是非蜂窝广域网络。非蜂窝广域网络的发展是源于对数据大规模采集和大量设备管理等的需求,并借助互联网技术和平台提升了基于数据的智能化管理水平。物联网市场发展步入规模化应用阶段。目前,非蜂窝广域网络主要应用于市政、园区、水务、消防、物流、家居、电力、社区、工厂、农业、环境等领域。

线性调频扩频技术,非蜂窝广域网络的“活力之水”

不同网络技术示意图

实际上,非蜂窝广域网络和蜂窝广域网络相互之间是一种相互依存互为补充的关系。一般地,非蜂窝广域网络都是通过网关(或称为集中器,或称为基站)连接到互联网,而网关连接到互联网的方式一般是有线或蜂窝网络等公网,最终还是要走公网的管道,毕竟有线和蜂窝网络是广泛存在的基础性网络。另一方面,传感器或设备多是基于微控制器(MCU)的,受其资源限制,仅可运行轻量的简单通信协议或定制化通信协议,通过网关转换成互联网协议(IP),网关起到了非蜂窝广域网络和互联网连接器的作用。非蜂窝广域网络更是蜂窝网络的拓展延伸。非蜂窝广域网络不同的无线接入技术可以满足物联网实际部署中各种各样无线连接的应用需求,为传感器网络或设备联网提供了灵活的无线接入方式和便捷的网络部署。

非蜂窝和蜂窝技术也可以相互融合。最近有报道称,在手机上集成了无线通信技术,可以在没有蜂窝网络的情况下,实现两机或多机的无线远距离相互通信,并可以实现自组网、定位等功能,这也为非蜂窝广域网络的应用提供了新的应用场景。

同时,非蜂窝网络也在国家电网方面具有非常强劲的发展势头。据最近流传的国家电网《电力设备无线传感器网络节点组网协议》显示,针对电力设备无线传感器网络的组网和传感器接入应用,在物理层协议规范中有对CSS物理层进行了定义,”CSS物理层:工作在470-510MHz或者2400-2483.5MHz频段,采用线性调频扩频(CSS)调制。线性调频扩频(CSS)调制应符合LoRaWAN? 1.1 Specification 和IEEE Std 802.15.4TM-2015物理层的规定”。随着泛在电力物联网的建设发展,非蜂窝广域网络在泛在电力物联网中将会有着更为广阔的应用场景。除电力市场之外,其他抄表类市场应用,如:水表、气表、燃气表等,也是非蜂窝广域网络重要的典型应用市场。

另外,在一些重要的应用领域里,考虑到数据和安全等方面的因素,需要非蜂窝网络技术将设备接入到专网上,以保障私域网络的数据隐私和安全性。非蜂窝无线技术以其独特的优势在物联网络应用中发挥着重要的作用。

非蜂窝广域网络可以组建无线传感网络,连接和管理一定范围内大量传感器或设备等,也可以成为一种网络基础设施,由专门公司来提供网络服务,或者说是一种物联网络运营服务。在国外物联网运营模式已开始发展,如Sigfox等。而国内情况还处于探索发展阶段,目前主要还是以提供解决方案为主。

低功耗广域网络市场发展前景看好  非蜂窝广域网络预期规模增速明显

根据IHS Markit预测,2017年全球LPWAN连接数量为8753.7万个,预计到2023年可达171698.4万个,2017-2023年复合增长率(CAGR)为64%。其中,除NB-IoT和LTE-M等蜂窝连接之外,非蜂窝广域网络连接数量2017年为8124.8万个,2023年预计可达84443.6万个,2017-2023年复合增长率(CAGR)为48%。到2023年非蜂窝广域网络连接规模占比约为50%,非蜂窝广域网络市场未来具有很大的发展潜力。

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2017-2023年全球LPWAN连接数量(来源:IHS Markit 2019)

射频收发器受市场关注   Sub-1GHz频段更受青睐

一个完整的应用非蜂窝技术的应用图包括感知层、网络层和应用层。其中感知层中的射频收发器主要用于传感器和网关之间的信息交互。

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非蜂窝技术系统应用框图

射频收发器是非蜂窝技术组网应用的关键器件,随着非蜂窝广域网络的发展,射频收发器产品越来越受到市场关注。从业界目前非蜂窝广域网络技术应用情况来看, 采用的都是国外半导体公司的射频收发器产品,这些厂商有Semtech、ST、Silicon Labs、TI、NXP、ON等,鲜有国内半导体公司的产品。Semtech公司的LoRa产品在中国市场上得到了很多公司的支持,国内少数公司通过IP授权的方式获得了LoRa IP,提供本地化产品,这些厂商有翱捷(ASR)、国民技术、华普等公司。随着射频收发器市场需求的发展,国内的一些芯片设计公司也开始研究和开发射频收发器产品。最近有报道称,国内上海磐启微电子有限公司推出了基于CSS技术的Chirp-IOT芯片PAN3028,融合了多维信号调制技术解决了频率不连续对射频的影响,提高了接收灵敏度,在射频收发器领域实现了新的技术突破。Chirp-IOT产品的国产化也填补了中国非蜂窝广域网络市场的空白。

由于射频收发器在Sub-1GHz频段上具有良好的无线传输特性,传输距离远、障碍物穿透能力强等,非蜂窝广域网络基本都是采用Sub-1GHz射频收发器组建网络。下面是关于Sub-1GHz射频收发器主要的厂商:

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Sub-1GHz射频收发器厂商

万物智联市场快速发展需求大  集成电路设计国产化迎新机遇

中国市场规模大,对集成电路的需求也大,而目前还较多地依赖于集成电路的进口。根据海关统计,2018年中国进口集成电路有4170亿块,进口金额达3107亿美元。据国家统计局的统计显示,我国2018年集成电路产量1739.47亿个,国产集成电路产量不足进口量一半。近些年,国家不断加大对集成电路产业的政策扶持力度,出现了一大批新的集成电路设计公司,集成电路技术水平也在逐步提升。加之近两年中美贸易环境的变化,加速了集成电路国产化的速度。在涉及到国家核心重要应用领域,仍然是强调国产自主可控。这是中国集成电路设计公司一个重要的发展契机,也是非蜂窝广域网络行业一个发展机会。随着万物智联市场的快速发展,中国集成电路设计也将会迎来一波新的发展机遇。

根据半导体行业协会的统计,2018年中国集成电路设计产值为2519.3亿人民币,同比增长21.5%,2009到2018年中国集成电路设计产值年复合增长率(CAGR)为28.7%,集成电路设计产业保持了较高的发展速度。

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2009-2018年中国集成电路设计产值(来源:半导体行业协会)

结语

CSS技术在无线通信方面具有显著的优势,有助于非蜂窝广域网络实现大范围的组网应用。随着物联网市场无线连接需求的不断增长,射频收发器产品越来越受到芯片公司的关注。而国内射频收发器产品厂商少,行业发展还比较薄弱,需要更多的国内射频收发器厂商共同的参与,助力非蜂窝广域网络行业的发展,赋能非蜂窝广域网无线超连接,创新更多的物联网应用

未来,随着集成电路技术的不断发展,或许会出现更多的新技术、新产品,这也将会大大丰富非蜂窝广域网络生态。“独木不成林”。需要各行各业共同的参与,建立共建共享共荣的良性发展生态。

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