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”),是一种编码脉冲手艺。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,是数字通讯中的一种扩频手艺。CSS手艺能够提升无线通讯的性能和距离,实现比FSK(Frequency Shift Keying,频移键控)等调制手艺距离更远的无线通讯,这异常有助于非蜂窝广域网络规模化的组网应用。本文就从CSS手艺、市场、射频收发器等方面做简要论述。

CSS扩频手艺传输性能优异  实现更远距离的无线通讯

CSS手艺并非是一种新的手艺。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教授发明晰雷达应用专利,后由Sidney Darlington进一步将CSS手艺引入雷达系统创造性地开发了脉冲压缩(Chirp)雷达。自1997年以来人们最先研究将CSS手艺应用于商业的无线数据传输。厥后,IEEE 802.15.4尺度将CSS指定为了一种用于低速率无线小我私家局域网(LR-WPAN)的手艺,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)等手艺相结合,可以实现更好的通讯性能。CSS手艺使用了其所有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手艺在异常低的功率下也能够抵制多径衰落,异常适用于要求低功耗和较低数据速率的应用场景。CSS手艺的低成本、低功耗、远距离以及数据速率的可扩展性等特征为产物商业化应用提供了现实的可能。

时域线性扩频调频upchirp示例(泉源:Wikipedia)

从CSS手艺应用情形来看,德国Nanotron公司使用CSS手艺在2.4GHz频段上实现了570米的距离通讯。美国Semtech公司的LoRa产物使用CSS手艺在Sub-1GHz频段上实现了几公里,甚至几十公里的距离通讯。

CSS手艺通讯距离远可以在一定范围内实现更大规模的无线毗邻,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手艺的普及应用将为新兴的非蜂窝广域网络市场的生长注入了新的活力,将会有力地推动行业应用的生长。

非蜂窝广域网络如日中天 物联网生长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手艺的网络,一样平常是指3GPP主导的物联网尺度,代表手艺有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允许频段组建的网络,代表手艺有SIGFOX、LoRaWAN、ZETA等。也有的提出0G网络,是相对于1G/2G/3G/4G而言,在通讯领域一样平常是指蜂窝移动电话之前的移动电话手艺,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、远距离通讯、传输少量数据的网络,也就是非蜂窝广域网络。非蜂窝广域网络的生长是源于对数据大规模采集和大量装备治理等的需求,并借助互联网手艺和平台提升了基于数据的智能化治理水平。物联网市场生长步入规模化应用阶段。现在,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。

差别网络手艺示意图

现实上,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。一样平常地,非蜂窝广域网络都是通过网关(或称为集中器,或称为基站)毗邻到互联网,而网关毗邻到互联网的方式一样平常是有线或蜂窝网络等公网,最终照样要走公网的管道,究竟有线和蜂窝网络是普遍存在的基础性网络。另一方面,传感器或装备多是基于微控制器(MCU)的,受其资源限制,仅可运行轻量的简朴通讯协议或定制化通讯协议,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毗邻器的作用。非蜂窝广域网络更是蜂窝网络的拓展延伸。非蜂窝广域网络差别的无线接入手艺可以知足物联网现实部署中林林总总无线毗邻的应用需求,为传感器网络或装备联网提供了天真的无线接入方式和便捷的网络部署。

非蜂窝和蜂窝手艺也可以相互融合。最近有报道称,在手机上集成了无线通讯手艺,可以在没有蜂窝网络的情形下,实现两机或多机的无线远距离相互通讯,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异常强劲的生长势头。据最近撒播的国家电网《电力装备无线传感器网络节点组网协议》显示,针对电力装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物理层进行了界说,”CSS物理层:事情在470-510MHz或者2400-2483.5MHz频段,接纳线性调频扩频(CSS)调制。线性调频扩频(CSS)调制应相符LoRaWAN? 1.1 Specification 和IEEE Std 802.15.4TM-2015物理层的划定”。随着泛在电力物联网的建设生长,非蜂窝广域网络在泛在电力物联网中将会有着更为广漠的应用场景。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主要的典型应用市场。

另外,在一些主要的应用领域里,考虑到数据和平安等方面的因素,需要非蜂窝网络手艺将装备接入到专网上,以保障私域网络的数据隐私和平安性。非蜂窝无线手艺以其怪异的优势在物联网络应用中发挥着主要的作用。

非蜂窝广域网络可以组建无线传感网络,毗邻和治理一定范围内大量传感器或装备等,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。在外洋物联网运营模式已最先生长,如Sigfox等。而海内情形还处于探索生长阶段,现在主要照样以提供解决方案为主。

低功耗广域网络市场生长前景看好  非蜂窝广域网络预期规模增速显著

凭据IHS Markit展望,2017年全球LPWAN毗邻数目为8753.7万个,预计到2023年可达171698.4万个,2017-2023年复合增进率(CAGR)为64%。其中,除NB-IoT和LTE-M等蜂窝毗邻之外,非蜂窝广域网络毗邻数目2017年为8124.8万个,2023年预计可达84443.6万个,2017-2023年复合增进率(CAGR)为48%。到2023年非蜂窝广域网络毗邻规模占比约为50%,非蜂窝广域网络市场未来具有很大的生长潜力。

2017-2023年全球LPWAN毗邻数目(泉源: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手艺的应用图包罗感知层、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。

非蜂窝手艺系统应用框图

射频收发器是非蜂窝手艺组网应用的要害器件,随着非蜂窝广域网络的生长,射频收发器产物越来越受到市场关注。从业界现在非蜂窝广域网络手艺应用情形来看, 接纳的都是外洋半导体公司的射频收发器产物,这些厂商有Semtech、ST、Silicon Labs、TI、NXP、ON等,鲜有海内半导体公司的产物。Semtech公司的LoRa产物在中国市场上得到了许多公司的支持,海内少数公司通过IP授权的方式获得了LoRa IP,提供本地化产物,这些厂商有翱捷(ASR)、国民手艺、华普等公司。随着射频收发器市场需求的生长,海内的一些芯片设计公司也最先研究和开发射频收发器产物。最近有报道称,海内上海磐启微电子有限公司推出了基于CSS手艺的Chirp-IOT芯片PAN3028,融合了多维信号调制手艺解决了频率不延续对射频的影响,提高了吸收灵敏度,在射频收发器领域实现了新的手艺突破。Chirp-IOT产物的国产化也填补了中国非蜂窝广域网络市场的空缺。

由于射频收发器在Sub-1GHz频段上具有优越的无线传输特征,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接纳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:

Sub-1GHz射频收发器厂商

万物智联市场快速生长需求大  集成电路设计国产化迎新时机

中国市场规模大,对集成电路的需求也大,而现在还较多地依赖于集成电路的入口。凭据海关统计,2018年中国入口集成电路有4170亿块,入口金额达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入口量一半。近些年,国家不停加大对集成电路产业的政策扶持力度,泛起了一大批新的集成电路设计公司,集成电路手艺水平也在逐步提升。加之近两年中美商业环境的转变,加速了集成电路国产化的速率。在涉及到国家焦点主要应用领域,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主要的生长契机,也是非蜂窝广域网络行业一个生长机会。随着万物智联市场的快速生长,中国集成电路设计也将会迎来一波新的生长时机。

凭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,同比增进21.5%,2009到2018年中国集成电路设计产值年复合增进率(CAGR)为28.7%,集成电路设计产业保持了较高的生长速率。

2009-2018年中国集成电路设计产值(泉源:半导体行业协会)

结语

CSS手艺在无线通讯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毗邻需求的不停增进,射频收发器产物越来越受到芯片公司的关注。而海内射频收发器产物厂商少,行业生长还对照微弱,需要更多的海内射频收发器厂商配合的介入,助力非蜂窝广域网络行业的生长,赋能非蜂窝广域网无线超毗邻,创新更多的物联网应用

未来,随着集成电路手艺的不停生长,或许会泛起更多的新手艺、新产物,这也将会大大厚实非蜂窝广域网络生态。“独木不成林”。需要各行各业配合的介入,确立共建共享共荣的良性生长生态。

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