物聯網的多模芯趨勢 “Q科技”之LTE物聯網技術分享（附：PPT）
2017-03-31 11:05:43 n
沈磊，產品市場高級總監
大家好，很感謝大家今天抽出時間和我們探討未來的物聯網技術以及通信、連接技術在未來物聯網大市場的作用。
其實整個物聯網的概念也是方興未艾，有很多新的技術、很多新的概念正在產生。讓大家興奮的一點是，物聯網真正的商業模式、應用服務還有對我們生活的改變，其中絕大部分的可能還沒有被發掘出來，現在我們都處在一個大時代的門口，在展望，然后一起學習。所以借今天的機會，大家一塊討論物聯網的愿景。
如果大家了解Qualcomm，我們是在無線通信領域，尤其是在智能手機領域的技術和芯片組等方面一直處于領先地位。Qualcomm成立32年了，在過去的30年聚焦的都是連接人，把全球60億、70億的人連接起來，載體就是手機?？梢哉f整個手機行業的發展歷程都有Qualcomm的身影。從最早的模擬通信到數字通信，從功能手機到智能手機，Qualcomm一直在推動行業的變革和演進。
從現在開始到未來的30年，Qualcomm的一個主要愿景就是連接萬物，也就是每個人身邊，你的工作和生活環境當中各種各樣的物體。我們希望充分利用連接、計算和其他技術，讓大家的生活更加享受、更有效率，整個的生活方式發生一個本質的變化。
談到催生未來物聯網的主要技術，分為兩大塊：一個是連接，一個是計算。首先是連接，就是連接各個物體，它們互相通話，如兩個物體之間、以及它們和網絡的通話，有短距、中距和廣域的連接技術。另一方面就是計算，很多都在手機里看到，包括CPU、GPU、多媒體、圖像、傳感器、定位等這些在手機里的計算技術，也將被轉移應用到以后的物聯網中。
Qualcomm認為這個市場非常多樣，每個領域都有很迫切的需求，為什么我們認為手機中的技術能夠應用到物聯網呢？比較負責任的講，在過去相當長的時間里面，手機一直是推動技術進步、產品進步的一個主要領域。首先，手機行業的規模非常大，每年全球手機的出貨量都是10億部以上。另外，手機的生態系統足夠大，領先的產品和技術廠家都在參與，大家共同努力、相互競爭，所以技術能夠以比一個較快的步伐往前推動。主流技術的演進不是以年來計算，都是以月來計算，很多通信、計算技術，每過幾個月就有很大的提升。和其他領域相比，手機技術的演進速度非?？臁４送猓謾C對各方面的性能、功耗、面積、成本的要求極度苛刻，大家知道現在手機有多么輕薄，多么強大的處理能力。舉個例子，一個手機里面的通信系統有4G的通信系統、有GPS、FM、Wi-Fi、藍牙等，這些都是射頻系統，要收發數據、處理各種信號，以上這些還要全部塞在一個這么輕薄、這么小的金屬殼子里，這個殼子里的電池、相機等機械構件都在搶占資源。如何能在這么一個嚴苛的設計環境里，既兼顧技術的進步，又兼顧多個系統的兼容、功耗、成本和散熱等其他指標，這是極難的事情。但這也是這個行業令人興奮的原因，對廠商提出最高的挑戰，整個行業一直在做最大的努力。
物聯網這個詞很大，很多人都叫IoT，即Internet of
Things，我們還有一個叫法叫Internet of Everything，即萬物互聯。也就是說把除了人之外的所有物體都可以連接起來，每個物體都更加智能，可以很聰明地用最佳的方式提供服務。
這個涵蓋面就太廣了，“萬物Everything“可以是從大到小、各種各樣的物體，每一個領域、每一個市場、每一種物體的性質是非常不一樣的。比如說中國現在有三到四億個家庭，每個家庭至少有三到四塊表——水表、電表、煤氣表，以前都是有人抄表，這些表占用了大量的社會資源，而且會遇到階梯電費、省水、煤氣安全等不同情景。如果這些表是智能的，能夠把資費、信息上傳，就可以節省成本和資源，且并不需要非常高的計算能力，只需具備一定的計算和連接能力就可以。此外，也有一些應用，比如非常高清的、和生命財產安全相關的監控應用，例如高清攝像頭，它監控非常重要的人、物和財產，它承擔救人的責任，要來幫助人，那么它的智能程度就要非常高，可能比飛機還要復雜。比如，以后如果無人機能夠到一些火災現場，或者緊急事件的現場去處置，就要求它要有非常高的智能程度，根據當時的情況自動計算路線，很聰明的完成各種任務，傳回大量的音頻、視頻，同時需要把大量的控制信號傳到現場；如果自動駕駛的車輛或者非常聰明的機器人，在我們碰到問題時能夠提供醫療服務、搶救，幫助我們脫離危險，這對通訊能力是極高的要求，這些都屬于萬物互聯或者物聯網的概念。
這么多樣復雜的場景，是沒有辦法只通過一個技術、一個網絡、一個系統來提供所有的服務的。萬物互聯是非常多樣化的，提供的技術也是非常靈活的，要根據實際的情況配置所需的通信和計算能力。
在過去的30年，Qualcomm有幸參與了手機行業的大發展，這個過程中我們也是迎接挑戰磨煉自己，積攢了大量的連接和計算能力。在過去幾年，物聯網市場剛開始發展的時候，Qualcomm也積極參與，到今天為止，Qualcomm物聯網芯片的累計出貨量已超過10億片。物聯網是一個未來的概念，但此時此刻也正在發生，Qualcomm也在積極參與。
剛才提到不管是連接和計算，物聯網的概念非常寬泛，應用非常多樣性。在連接方面，需要多種多樣的技術來支持，這里我們簡單列了幾種連接技術。例如短距的連接，物體之間的連接，或者和人的連接，可以使用藍牙、NFC、ZigBee這種一兩米范圍的連接技術；如果是局域網，在家庭、辦公室、機場、咖啡廳，也可以使用有增強型的藍牙，也可以使用ZigBee、Wi-Fi。當然Wi-Fi也有各個等級，數據率、覆蓋范圍，可以使用802.11ac、802.11a/b/g/n、802.11ax、1x1、2x2，最高級可以使用802.11ad，Wi-Fi可以在局域網有一個很好的覆蓋。那如果是再大一點的范圍，如廣域網的連接，例如智慧城市，將整個城市里的所有路燈、停車場都連接起來，把能源管道在全國范圍內連接起來，就需要一個廣域網，那么毫無疑問，這就需要蜂窩網絡技術。蜂窩網絡技術，就是大家最熟悉的2G、3G、4G、未來的5G技術，采用的都是蜂窩網絡技術，它是廣域覆蓋、全球范圍內最成熟、部署最廣泛的技術。
蜂窩技術還有一些應用，比如說電表，如果有必要可以通過無線傳輸，也可以把小區里所有電表的信息匯總到一個集中器，處理完將數據打包發送到電力公司。當然這里還有很多其他的技術，有線，無線的，Qualcomm這些年積累的，都會在未來物聯網領域發揮很大的作用，如何把這些技術有機地整合在一起非常重要。剛才提到很多是蜂窩和非授權的技術，非授權的技術包括像Zigbee、藍牙、Wi-Fi等。而專門針對物聯網催生的技術，包括像Sigfox和像LoRa等900MHz頻段的私有的、非授權的技術。
那么在蜂窩和非蜂窩的通訊技術之間怎么選擇？哪一個是未來的方向？我們可以非常自信地講，蜂窩通訊技術是未來物聯網連接支撐技術里絕對的主流方向，有多個原因。首先，最簡單的一個例子，蜂窩通訊技術從2G、3G、4G到現在30多年發展下來，它的覆蓋無處不在，它不是全新的，不需要重新部署，它在空氣當中，任何一個地理范圍都有充分的覆蓋。例證就是，大家走到任何一個地方，你的手機基本都有信號。第二，它是授權頻譜，是運營商花費了很大精力進行部署的，所以部署都非常慎重，在連接性、安全、質量方面都有充分的保證，它是始終在線、非?？煽康囊粋€基礎設施。此外，說到安全，通過這些年的發展，蜂窩技術從核心網到接收網到手機，整個鏈路上已經有多層的加密機制，你想從空中截取傳輸的數據，想知道里面的內容幾乎是不可能的，它已經做了大量的安全積累。最后，相當重要的一點，這個行業生態系統的從業者非常多，在網絡側有全球主流的基礎設施廠商，終端側有眾多的手機廠商，在芯片側有Qualcomm等很多從業者，大家從標準的制定到技術的發展和驗證，到產品的研發和上市，以及整個網絡、整個手機的優化和完善，一直在做這方面的工作。世界上最大的一個產業鏈，花了長時間不斷地積累和完善，讓蜂窩技術成為最為可靠、最為完善、最為可用的技術。
對于未來5年、10年、15年，物聯網的發展能到多大的量，每個人都有自己的愿景。那么這里我們引用了一個第三方的數據，到2025年，全球物聯網，包括機器和物體的連接能達到50億以上。這是一個非常保守的估計，沒有人可以預測，我們只知道這個數量將非常大，而它的覆蓋領域，可以說唯一的線路就是你的想象力，所以它有無限多的可能。
我們舉幾個簡單的例子，比如智能城市，所的路燈、交通管理、智能泊車，大家開車找不到車位，可以用技術管理起來；移動健康，可穿戴設備，例如在鍛煉的時候查看你的心率；遠程的看護，照顧老年人和小朋友的身體；各種公共事業，水電煤氣表等；還有很多工業領域的案例，比如油氣管線，油田的控制，這些現在都是靠人去支持，靠一些模擬的或者其他的方式，在效率、能力等各方面都是有限的，這些完全可以用技術管理起來；此外，環境監測也是一個充滿前景的領域，北京空氣污染是個嚴重的問題，空氣過濾是不是可以智能啟動？包括采取的應對措施、風險和資源的管理等；智能樓宇，所有的辦公場合，住宅場所的門鎖、空調的安全是不是可以管起來；還有工業物聯網，生產場合比如說碼頭、港口、機場，從原材料到成品到生產的過程中，那么多的物料都要管理，我們都可以用技術連接起來；零售業更不用說，ATM也可以管理起來，戶外的廣告牌，資產的管理，有價值的人的追蹤，比如小朋友、寵物，都可以管理。所以，還是那句話，物聯網絕大部分的應用服務、商業模式都還沒有被發明出來，或者沒有被想象出來，所以這是它有趣的地方，這是一個顛覆性的行業，一次像工業革命般的機會。
大家都知道蜂窩技術的發展，從2G的GSM、GPRS、EDGE到3G的WCDMA、EV-DO到4G LTE、4G+、載波聚合等，這東西是不是可以直接用到物聯網上？其實不是的。因為這些東西都是針對人與人的通信，針對手機設計的，但是物聯網提出的要求和手機是有比較大的區別的。所以在2016年6月，全球標準化組織3GPP組織在比較短時間里面，制定了兩個新的蜂窩技術標準，還是屬于4G無線通訊或者LTE的范疇。這兩個技術，根據3GPP組織的名稱，一個叫Cat-M1 (eMTC)。其中Cat是指的是LTE的類別，根據LTE的速率，給出了不同的等級劃分。大家知道手機的入門級是LTE Cat.4，達到上行50Mbps、下行150Mbps的速率。那么LTE Cat.4往上是LTE Cat.6，下行300Mbps，到了LTE Cat.12，下行速率達到600Mbps。Qualcomm剛推出的支持LTE Cat.16級別的千兆級調制解調器，下行可以做到1Gbps。此外，我們還有支持LTE Cat.18的調制解調器，下行速率達到1.2Gbps。除了Cat-M1，3GPP組織還同時推出了一個叫Cat-NB1 (NB-IoT) 的標準。所以Cat-M1和Cat-NB1這兩個標準是2016年6月份，同時推出的兩個新的行業標準，有了這個行業標準之后，后面做基站、做芯片、做應用服務的，大家都會跟進。
Cat-M1也叫eMTC是機器之間通訊的標準，Cat-NB1也叫NB-IoT，比較標準的稱呼是Cat-M1和Cat-NB1。和我剛才提到的一路往上走的Cat.6、Cat.12、Cat.16、Cat.18相反，它們往下走，主要任務是降低系統復雜度和降低系統成本、提高系統的續航時間，去掉不需要的部分，比如高數據率、高移動性、超強傳輸能力，而是根據物聯網的要求度身定制，去掉不必要的能力，達到提升電池壽命、降低成本、提升小區內部署總量的要求，實現其他的益處。
那這兩種技術是如何實現4G調制解調器的海量部署、規模經濟和超長生命周期的呢？主要方法是降低復雜度。首先就要放棄掉原來LTE對數據速率的追求，絕大部分物聯網的應用并不需要超高的數據率。舉個簡單的例子，Qualcomm現在在手機上能實現高達千兆級的下行速率，它的應用場景能滿足沉浸式的VR體驗、聯網云服務，或者文件和媒體的超高速下載，但在物聯網的應用場景卻很少，所以物聯網并不需要1Gbps、1.2Gbps這樣超高速的數據速率。絕大部分物聯網應用在1Mbps或者幾百kbps、幾十kbps就夠用了，所以可以放棄高速數據速率，提供可用速率就可以了。比如說Cat-M1，上行下行都是1Mbps；Cat-NB1上行和下行速率分別是60kbps和20kbps，上行高一些，下行反而更低一些。因為Cat-NB1主要是針對一些計量和環境傳感器等，做很簡單的應用，往往是一兩個星期甚至更長時間才需要給網絡發一點點數據，從網上下載很多數據的情況十分少見。所以上行60kbps，下行只有20kbps。
另外一個復雜度的降低來自于帶寬。大家知道一個LTE載波是20MHz，兩載波聚合就是兩個20MHz，三載波聚合就是3x20MHz。而到物聯網帶寬有了明顯的下降：Cat-M1只需要1.4MHz系統就夠了，Cat-NB1需要200KHz，所需帶寬非常窄，這個跟GSM的頻段是一樣的。一方面帶寬窄了，另一方面部署起來也比較容易。Cat-M1可以在已有的LTE頻段里部署，每20MHz就是一個LTE的載波，用來傳輸到手機上的數據，我可以在一個20MHz的載波里面，選定一個位置把Cat-M1部署進去。部署進去之后，在真正的工作狀態下它還可以跳頻，但標準保證了這不會干擾到現有的手機系統。
Cat-NB1部署更加靈活，它既可以在20MHz的頻段中進行部署，也可以在載波間的保護頻段部署，每個20MHz的LTE載波中間都留著一個保護頻段，這個保護頻段為避免互相干擾大家都不使用。其實保護頻段已經很窄了，但是200KHz更窄，就可以被部署在保護頻段中。當然也可以專門找一個頻段對這200KHz進行部署，所以方法其實非常靈活。
