NB-IoT的NB-IOT的需求与发展
随着智能城市、大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。目前已经出现了大量物与物的联接， 然而这些联接大多通过蓝牙、Wi-Fi等短距通信技术承载，但非运营商移动网络。为了满足不同物联网业务需求，根据物联网业务特征和移动通信网络特点，3GPP根据窄带业务应用场景开展了增强移动通信网络功能的技术研究以适应蓬勃发展的物联网业务需求。我们正进入万物互联(IoT)的时代，这对于整个移动通信产业来说是一个巨大的机会。这一点在MWC2016上展露无疑。无论是运营商大咖，还是设备商巨头，纷纷展示了完整的物联网解决方案和在不同垂直行业的应用。 当然，实现这一切的基础，是要有无处不在的网络联接。运营商的网络是全球覆盖最为广泛的网络，因此在接入能力上有独特的优势。然而，一个不容忽视的现实情况是，真正承载到移动网络上的物与物联接只占到联接总数的10%，大部分的物与物联接通过蓝牙、WiFi等技术来承载。为此，产业链从几年前就开始研究利用窄带LTE技术来承载IoT联接。历经几次更名和技术演进，2015年9月，3GPP正式将这一技术命名为NB-IoT。MWC2016上，NB-IoT首次亮相，受到瞩目，运营商和设备商纷纷为其站台和背书。华为无线网络产品线首席战略官余泉在接受《通信产业报》(网)采访时表示：“NB-IoT是蜂窝网络产业应对万物互联的一个重要机会。我们非常看好NB-IoT的商用前景，推荐将其作为物联网联接技术的首要选择。”他向记者阐释了NB-IoT的商业和技术优势。从商业层面上来讲，截至目前，蜂窝网络覆盖了全球超过50%的地理面积，90%的人口，是一张覆盖最为完整的网络。 从技术层面上来讲，NB-IoT有4大技术优势。首先是覆盖广，相比传统GSM，一个基站可以提供10倍的面积覆盖;其次是海量连接，200KHz的频率可以提供10万个联接;第三是低功耗，使用AA电池便可以工作十年，无需充电;第四是低成本，模组成本小于5美金。此前，华为曾向记者算了一笔账，假设全球有500万左右物理站点，全部部署NB-IoT，每个站3个扇区、每个扇区部署200kHz、每小时每个传感器发送100个字节，那么全球站点能够联接的传感器数量高达4500亿。据了解，NB-IoT可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。随着3GPP标准的首个版本在6月份发布，将有一批测试网络和小规模商用网络出现。NB-IoT将在多个低功耗广域网技术中脱颖而出。“NB-IoT在欧洲和乃至全球都呈现出巨大的发展机遇。到2020年IoT全部产业链价值有望达到3万亿欧元，包括全产业链上下游，如网络连接、数据处理、平台应用、商业合作等。”余泉表示，华为已经做好在2016年完成NB-IoT商用的准备。 华为轮值CEO胡厚昆在2015全球移动宽带论坛上发表主题演讲时指出，移动运营商需要立即采取行动，抢占快速增长的物联网市场份额。目前，运营商虽然在可接入性方面拥有独特优势，但是许多其它技术，如ZigBee、蓝牙和内置WiFi也在迅速发展，运营商必须与垂直行业展开激烈竞争。胡厚昆强调，必须迅速制定统一的物联网标准，以推动跨行业发展。 沃达丰集团研发主管Luke Ibbetson对此表示赞同。他指出，目前80%-90%的物联网设备由低功耗的室内系统连接，余下的设备则由蜂窝网络连接。很多人认为，新出现的LPWA（低功耗广域）技术成本低，覆盖又广，将为移动运营商发展物联网带来良机。不过，Ibbetson指出：“我们目前还没有为客户开发出合适的解决方案，因此仍然面临巨大压力。” “NB-IoT产业生态系统正在快速成长，它更需要运营商与IoT相关产业参与者精诚合作，携手共进。”谈及NB-IoT落地的挑战，余泉介绍。就在MWC2016举办前一天，GSMA联合企业各方举办全球首届NB-IoT峰会，并在会上成立NB-IoT forum。该联盟成员包括全球主流运营商、网络设备厂家以及主要芯片模组厂家等诸多产业链企业。余泉强调，有超过20家垂直行业企业参加了此次峰会，这是非常可喜的开端。“当然垂直行业供应商可能不是几十家，而是几千家，业界还有很多的工作要做。”余泉以智能抄表行业为例表示，目前家庭拥有水表、电表、煤气表以及暖气表等很多表，这些背后的企业很多。如此多的参与方，会出现大量协同方面的问题，业界需要一个开放的平台加速产业的前进步伐。而且，新标准制定需要开放平台去推动。对此，诸多运营商联合包括华为在内的电信设备商一起搭建了Open Lab。据悉，借助Open Lab，垂直行业厂家就能很轻松地在实际现网上验证自身的物联网应用、网络以及商业模式。 “NB-IoT标准预计在今年6月完成。”余泉表示，这体现NB-IoT进入了发展的关键一年。据悉，随着3GPP标准在6月份冻结，经过市场的洗礼后，NB-IoT会在LPWA市场的多个技术竞争中脱颖而出，成为领先运营商的最佳选择。同时2016年也将成为NB-IoT的商用元年。今年将有很多芯片厂家和模组厂家支持NB-IoT发展。在网络方面，华为计划在今年下半年推出支持NB-IoT的系统。而许多其他网络设备供应商也计划在今年实现对NB-IoT的支持。运营商在发展NB-IoT方面表现的十分迫切。“即使产业已经尽力最大努力，促进NB-IoT快速发展，但运营商还是认为发展进度不够快，给了供应商很大压力。”余泉透露。垂直行业也提出了他们对技术的要求：终端电池寿命要达到10年以上，安全性必须完全满足，且今年要能够商用。用户案例是NB-IoT或者说蜂窝物联网要成功非常关键的一点。现在借助Open Lab，业界已经讨论如何去使能更多的用户案例。目前智能停车、智能水表、智能追踪等用户案例已经完成实验室验证。“预计今年下半年就会有NB-IoT商用的网络，明年将会规模部署，这是我们整个产业的大概期望。”余泉表示。对于NB-IoT发展的挑战，余泉表示万事开头难，但蜂窝产业发展几十年，拥有开放合作的传统，才能达到今天的成就。“我相信NB-IoT产业也会重复这样的开放合作，为运营商、垂直客户带来新的商业成功，同时对整个社会，对整个的经济起到非常好的促进作用。”余泉介绍。 据悉，当前只有10%的IoT应用是基于蜂窝网络的，蜂窝网络具备覆盖优势和成本优势，华为已经做好了在2016年内完成商用的准备。华为方面表示，华为在IoT市场最关键的一步就是“帮助运营商开启一个百亿联接市场”。同时，在GSMA NB-IoT Forum的倡导之下，华为与运营商共同建立开发实验室，加强企业间合作。目前，华为已与中国移动、阿联酋电信、LG Uplus、上海联通、意大利电信和沃达丰在全球成立六个NB-IoT开放实验室，专注于NB-IoT的联合创新、产业发展、集成验证，探索全新的商用案例与商业模式，并将成果整个行业。据了解，华为与移动运营商沃达丰将联手建立NB-IoT开放实验室，以推动NB-IoT技术的发展和推广。使用预标准NB-IoT技术的NB-IoT开放实验室将研究网络解决方案验证、新应用创新、设备集成、业务模式研究以及产品合格验证等。
NB-IoT在行业的应用解决方案？
一次电池物联网设备许多小型IoT器件要求用一次电池长期工作。因此，在为传感器、MCU、无线通信各功能供应超低消耗工作且高效电源的同时，电池控制、监视也变得重要。在此，将示例一种解决方案，其添加了一般且适合电池长期工作的电源配置及切断运输和不使用时的电源消耗的功能。备注：关于锂一次电池3.0V是二氧化锰型 / 3.6V是亚硫酰氯型解决方案概要关于升压IC电路框图(a)是可将MCU直接连接到电池的情况。简单的IoT/安全/可穿戴/医疗的小型器件多为这种结构。近年来，在1.8V～3.8V的大范围内工作的MCU越来越多，这种情况下，无需使用电源IC，即可直接连接到电池使用。对此，RF和传感器需要3.3V的固定电压，即使工作电压宽也为了要满足规格，大多需要一定电压以上的电压，即需要升压IC。RF和传感器不会一直工作，有时RF也会每天通信一次，而且是几秒钟。此外，即使看起来像一直在工作，其实有很多情况是通过细致地ON/OFF控制降低消耗电流，使电池耐用。为实现上述工作，在需要时，MCU将对RF和传感器的工作进行ON/OFF控制。此外停止时，不仅会停止RF和传感器的功能，还会使升压IC及稳压器停止工作，可长时间使用电池。要抑制工作时的纹波，使其噪声频率恒定，PWM固定型适合。如果轻载的工作状态存在，则使用PWM/PFM转换（自动切换工作模式）型。此外，要抑制EMI，并使其小型化，线圈一体型适合。升压 DC/DCXCL102: PWM, 线圈一体型XCL103: PWM/PFM, 线圈一体型XC9141: PWM, 外置线圈XC9142: PWM/PFM, 外置线圈关于LDO为了使RF和传感器的电源噪声更低，有时会在升压IC的后级使用稳压器。具有高纹波抑制比/低噪声并且良好的负载瞬态响应特性的高速LDO最适合于消耗电流的陡峭变化的RF部位此外，传感器用途中100kHz以上的噪声重要的情况下，也有高频噪声低的低消耗型比高速型更适合的情况。稳压器XC6233: 高速XC6215: 低消耗关于RESET IC监视电池电压，电压下降时，向MCU发送信号。使用超低消耗型，抑制对电池的负担。MCU的电源电压与正在监视的电压相同，所以可使用CMOS输出型。CMOS输出型无需上拉电阻，不会有流过上拉电阻的消耗电流。也减少零部件，N沟开漏产品在电池电压下降时输出“L”时，使用的上拉电阻的会有电流流过消耗电流会增加，会影响电池寿命。MCU中也有UVLO和A/D转换器等能监视电压的产品，作为低消耗电压监视和功能安全，MCU外部需要监视功能时，电压检测器很有用。电压检测器XC6136 C型: Iq～100nA (C型 : CMOS输出)关于改善电池的耐久性的解决方案 / Push Button Load SW电路框图(b)是一种通过添加Push Button负载开关，功能追加和大幅度改善电池的耐久性的解决方案。为了共享MCU控制和按钮控制需要开关引脚右侧的SBD和MCU的VDD的上拉电阻是需要的。Push Button 负载开关XC6194: 1A SW内置XC6193: 支持外置Pch驱动大电流本解决方案具有以下很大的优点。1、防止从产品出货到开始使用的电池放电被称为“Storage模式”、“Ship模式”。最适合不能拆卸电池的设备。此时的消耗电流几乎为0。通过按下按钮，即可开始使用。当然，可与此IC共享MCU控制用的按钮。2、可用作主电源ON-OFF开关可用按钮代替机械开关进行ON-OFF。例如，最适合防水设备。MCU可向SHDN引脚发送信号，并关闭Push Button负载开关。此外，我们还准备了可通过长按按钮关闭Push Button负载开关的类型。3、解除死机设备死机等异常时，可有效利用长按按钮的OFF功能。选择长达5秒或10秒的类型误操作而关闭的可能性会降低，适用于死机对策。关闭后，再次按下按钮即可使之正常启动。并且Push Button负载开关作为对电池有益的功能，具有以下特点。通过冲击电流防止功能，抑制启动时的冲击电流启动完成后有PG引脚输出可起动使下一级电源IC和MCU工作。1.2V UVLO功能让Push botton负载开关进入Shutdown状态，有防止电池漏液的效果。VOUT大幅下降时，通过输出短路保护功能进行Shutdown保护如上所述，即使是以直接连接到电池工作的MCU为核心的简单的IoT器件，稍微花点功夫就可进一步改善电池的耐久性和容易满足小型高灵敏度要求。Li-ion Polymer互联网设备虽然是电池工作，但传感器和通信的频率高且功能复杂的IoT器件大多使用Li-ion/Polymer二次电池。对一次电池的充电控制和配合电源电压的超低消耗降压DCDC的追加是有代表性的电源解决方案。解决方案概要关于CHARGER IC使用Li-ion/Polymer的IoT器件需要充电用电池充电IC和将电压降至MCU的电源电压范围内的降压DC/DC或稳压器。首先，我将说明电池充电IC的用法。充电电压（CV : Charge Voltage）和充电电流（CC : Charge Current）是基本选择。根据所需的充电电流，选择充电IC和电阻RISET。电池充电ICXC6808: 5mA ~ 40mAXC6803: 40mA ~ 280mAXC6804: 200 mA ~ 800 mA本电路框的Li-ion/Polymer电池是内置NTC，外置PCM（电池保护电路）的情况。无论内置/外置都需要PCM。关于NTC，如果没有内置在电池中，请注意放置场所并将其外置。如果不需要NTC，请通过电池充电IC指定的方法处理NTC连接引脚。这里显示充电状态的CSO引脚已用于向MCU发送充电情况。CSO引脚为N沟开漏输出，已通过电阻上拉到MCU的电源，以使信号的“H”电平与MCU的I/O电压范围相匹配。如果用LED显示充电状态，则通过限制电流用电阻驱动LED，使该电源从VIN获得。这是为了避免用充电IC供应的充电电流驱动LED。VIN中放置了浪涌保护用TVS。因为是外部引脚，可能会有ESD等浪涌、及劣质USB适配器在无负载时也可能会产生相当高的电压，要用TVS和齐纳二极管采取对策。此外，在充电的同时使用负载电流的情况、或一直供电5V，将Li-ion/Polymer电池用于备用时，可使用具有从VIN或电池两者输出提供适当电流的Current Path功能的高功能充电IC。带Current Path和Shutdown 电池充电ICXC6806关于MCU专用降压DC/DC及LDOLi-ion/Polymer电池高达CV = 4.2V或4.35V，一般来说，最大3.8V左右的MCU需要降压DC/DC或稳压器。在IoT设备中，MCU许多期间在Sleep状态下工作，因此IOUT从μA级（Sleep时）到100mA以上（工作峰值时）必须高效。通过将在超低消耗的同时搭载输出电压切换（VSET）功能的降压DC/DC用于此用途，可进一步改善电池的耐久性。如果使用输出电压切换功能，即使使用电流相同也能降低工作电压，可大大降低功耗。一般来说，MCU因内置的RF、模数和高速运算等，所以在工作时需要较高的电源电压，但可在Sleep时以最小电压工作。例如，Sleep时通过将VOUT从3.0V降至1.8V，可减少MCU的功耗，大幅改善电池的耐久性。降圧DC/DCXC9276: Iq = 200nA, 输出电压切换功能XCL210: 线圈一体型 Iq = 0.5μA (无输出电压切换功能)如果要廉价配置解决方案，稳压器适合。此外在可充电的应用程序中，即使是效率低下的稳压器，有时也会被判断没有问题而使用。稳压器XC6504: Iq = 0.6μA, 无需输出电容关于RF/Sensor专用降压DC/DC及LDORF和传感器也因电池电压高而需要降压DC/DC和稳压器。RF中重要的是低纹波且低EMI。此外，RF特别在发送时的电流变化陡峭，所以瞬态响应出色的HiSAT-COT控制适合。降圧DC/DCXC9281: PWM, 世界最小解决方案（3.52mm2）/低EMIXC9282: PWM/PFM, 世界最小解决方案（3.52mm2）/低EMIXCL221: 线圈一体型 PWM，1.2MHz/高效/低EMIXCL222: 线圈一体型 PWM/PFM，1.2MHz/高效/低EMI仅在需要MCU时，设CE=“H”，工作降压DC/DC，向RF和传感器供应电压使之工作。停止时，不仅会停止RF和传感器的功能，也会停止降压DC/DC的工作，可使电池长时间使用。要抑制工作时的纹波，使其噪声频率恒定，PWM固定型适合。如果有轻载的工作状态，则使用PWM/PFM转换（自动切换工作模式）型。如果要使用稳压器，高纹波抑制/低噪声且像RF一样的消耗电流变化陡峭的负载瞬态响应出色的高速LDO最适合。此外，传感器用途中100kHz以上的噪声重要的情况下，会有高频噪声低的低消耗型比高速型更适合的情况。稳压器XC6233: 高速XC6215: 低消耗关于RESET IC使用超低消耗电压检测器可监视电池电压。MCU的电源电压与检测的电池电压不同，因此要使用N沟开漏型，通过电阻上拉到MCU的电源电压，并将信号传递给MCU。如果想降低检测后的上拉电阻消耗电流，将监测（VSEN）引脚从电源（VIN）引脚中分离，并使用CMOS输出型。通过从MCU的电源电压获得电源，可使用CMOS输出型。电压检测器XC6136 N型: Iq～100nA (N型 : N沟开漏输出)XC6135 C型: Iq～100nA，传感引脚分离型 (C型 : CMOS输出)关于Push Button重启控制器关于作为死机对策而附加的Push Button重启控制器。Push Button重启控制器XC6190Li-ion/Polymer的IoT设备一般不能拆卸电池，所以需要在死机等设备异常时进行复位并使之重新启动的功能。本例中有两个MCU控制用按钮，Push Button重启控制器与其共同使用。死机时，同时持续按下两个开关，规定的时间过去后，RSTB下降到“L”，可复位MCU。RSTB为N沟开漏输出，因此将上拉到MCU的电源电压。这里是向MCU发送了RESETB信号，另外也有例如控制驱动MCU电源的降压DC/DC的CE，通过长按RESET关闭DC/DC来强制重新启动的方法。如上所述，通过配置最合适功能的IC，可实现简单而工业设备所需的低噪声、长寿命的高性能IoT设备。要购买IOT元器件可以来唯样商城哦.