看完這篇，你也懂NB-IoT晶元的核心競爭力！
近日，工信部、國資委印發《關於開展深入推進寬頻網路提速降費、支撐經濟高質量發展2019專項行動的通知》。其中特別提出，面向物流等移動物聯網應用，需要進一步升級NB-IoT（窄帶物聯網）網路能力，持續完善NB-IoT網路覆蓋。建立移動物聯網發展監測體系，促進各地NB-IoT應用和產業發展。
另外，針對NB-IoT應用案推廣，還鼓勵行業間、產業鏈各方加強合作，推動車聯網、工業互聯網等應用規模發展，以支撐智能製造。
物聯網與NB-IoT
物聯網是一項近年來快速發展的新興技術，已經在智能家居、智能表計、共享經濟、智慧城市、消費電子等領域得到廣泛應用。物聯網是互聯網的延伸和擴展，具體來說，它將各種信息感測設備與互聯網結合起來，實現任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通。
物聯網通信技術指物聯網中物與物之間的通信技術（本文特指無線通信技術），以通信距離分類，可分為短距通信和廣域通信，如圖1所示。
圖1：物聯網通信技術
NB-IoT是華為等網路設備商以及全球各大通信運營商主導的，3GPP組織標準化的窄帶蜂窩物聯網通信技術，因其低成本、低功耗、廣覆蓋和海量連接的特點備受關注。
NB-IoT的優勢和挑戰
NB-IoT從2017年6月商用以來，發展迅速，中國三大運營商基本實現了全國覆蓋，海外也建成了60多個NB-IoT網路。市場和應用方面，連接數已達2000萬，多個百萬級應用落地，一些應用正在衝擊千萬級，預計2019年連接數將達到一個億。與此同時，一些應用場景類似的廣域物聯網通信技術也在推廣過程中，也取得不錯的關注度，LoRa是其中之一。NB-IoT和LoRa的簡要對比如下：
1）LoRa沒有移動性，通信局限於一片固定區域。NB-IoT從一個小區到另一個小區還能繼續通信，支持全國漫遊。
2）LoRa為外國公司私有技術，具有一定專利和政策風險。NB-IoT是華為等網路設備商和運營商主導制定的3GPP標準，免收專利費或專利費用低。
3）大規模無線通信網路的部署、優化和運營難度極大，尤其是用戶數達到一定規模，不同用戶業務並發和管理，不同網路以及用戶間的干擾都面臨很多問題。LoRa需自己建網，採用未授權頻段，抗干擾能力弱，缺乏統一網路規劃管理，通信質量無法保障，技術和標準的成熟度有待檢驗。而NB-IoT由運營商統一建好網路，用戶只需購買終端接入（類似手機），同時，NB-IoT是3GPP 4G標準的低功耗和低成本演進，技術和標準較成熟。可以說，由經驗豐富的運營商部署和維護是NB-IoT的最大優勢。
4）終端晶元的成本和功耗與具體設計實現相關，LoRa和NB-IoT之間無確定差別。
我們認為NB-IoT最大的挑戰還是來自同宗同源的蜂窩通信技術，比如2G和4G。NB-IoT的產生源於四個需求，即低成本、低功耗、廣覆蓋、海量連接。然而， NB-IoT在發展初期，廣覆蓋和海量連接的優勢體現不出來。比如當前階段，NB-IoT網路覆蓋顯然不及成熟的2G和4G網路，雖然NB-IoT有覆蓋增強技術（支持MCL=164dB），但此技術以多佔用網路（時間）資源和增加功耗為代價，適用於個別覆蓋差點，不宜給大多數用戶使用。
另外，NB-IoT支持海量連接數，但早期的用戶數還在2G和4G可支持的範圍。並且，即使NB-IoT技術上支持海量連接，但和其他所有無線通信技術一樣，還是會受到同一時刻和同一頻率，只能有一個用戶通信的限制。並發通信上，NB-IoT並無優勢。在這樣的情況下，如果NB-IoT在低成本和低功耗上，相比其他蜂窩通信無法做到明顯的優勢，用戶的使用意願就大打折扣。另外，雖說網路覆蓋主要依靠運營商解決，但終端晶元如果能優化通信性能，也可以大幅改善用戶體驗和運營商建網成本。因此，終端晶元的成本、功耗和性能，是NB-IoT產業發展的三個核心要素。
針對性能和功耗，3GPP以及運營商給出專門的測試規範和指標，這是本文接下來的主要內容。
NB-IoT終端測試技術
與其他使用蜂窩技術的產品類似，使用NB-IoT技術的產品在商用前，需經過3GPP標準規定的一致性測試（conformance test）以及運營商的測試和認證。這套嚴格和完整的測試和認證體系，是運營商和網路設備商從2G發展到5G，擁有幾十億用戶和連接，在技術和經驗上的集中體現，是每個入網產品的質量及用戶體驗的根本保證。
一致性測試通過一系列測試用例，檢驗被測試設備是否滿足3GPP標準規定的行為和性能要求。一致性測試分為協議一致性測試，無線資源管理（RRM）一致性測試，以及射頻（RF）一致性測試。其中，協議一致性測試檢驗是否符合協議規定的各種行為（如駐網、建鏈、重選等），無線資源管理一致性測試檢驗是否符合協議對測量、時間調整和鏈路質量監測的精度要求，射頻一致性測試檢驗是否符合協議對接收功率、靈敏度、抗干擾和性能的要求，以及發射功率、質量和頻譜的要求。
一致性測試是最基本也是最重要的測試。運營商的測試和認證，一定會包含一致性測試。另外，運營商還會根據自己的需要，加上自己定製的測試用例。以中移動NB-IoT入庫測試為例，除了一致性測試，還增加了NV-IoT，功耗、高低溫、IPV6，機卡一致性、外場、OneNET雲平台等測試。
當然，雖然運營商測試包含一致性測試，不能認為一致性測試只是運營商測試的一個子集。運營商測試中的一致性測試，通常不會遍歷3GPP標準定義的所有測試用例。所以，建議除了運營商入庫測試，也要找第三方或自測通過所有一致性測試用例。
從測試用例上看，中移動NB-IoT終端入庫測試和中移動研究院NB-IoT GTI認證（可選項也需要測試）相互補充，二者一起形成了對NB-IoT終端晶元和產品最完備的測試。
終端晶元EC616介紹
EC616是上海移芯通信科技有限公司研發的NB-IoT終端晶元，完全支持3GPP Rel14 NB-IoT標準，包括支持2-HARQ，Cat-NB2，OTDOA等所有Rel14功能，支持低頻和中頻全頻段。相比現有的NB-IoT晶元，EC616有一些突出的特點。在功能方面：
1）EC616集成了PA，單載波（single tone）和多載波（multi-tone）都能達到23dBm發射功率。
2）EC616集成了所有電源，包括所有IO，FEM，PA的電源。用戶的電路板上不需要任何電源或load switch。
3）EC616支持供電電壓範圍2.4V~4.3V，極限情況可以達到2.1V~4.3V（2.4V以下電壓時多載波發射功率略有回退，但仍符合3GPP power class3規範要求；單載波發射功率不受影響）。這意味著EC616可以支持充電鋰電池、鋰亞電池、鋰錳電池等各種電池供電，大多數應用不需要外部的升壓或降壓器件。模塊客戶也不需要做高壓和低壓兩類模塊，單一模塊可支持大多數應用供電需求。註：鋰錳電池在低溫(
4）EC616可以靈活配置支持不同的IO電壓，包括1.8V/2.8V/3.3V。這意味著無論外圍電路（如MCU）採用何種電壓，都可以靈活適配，不需要增加介面處的level shifter和對應供電。
5）EC616為儘可能支持open CPU方案，實現了不少MCU特有的功能。比如，除了豐富的外設，還內部實現了RC振蕩器為系統提供時鐘，在不需要通信的時候（MCU模式），以更低的功耗運行。
6）EC616即使在最深的睡眠模式，仍能保持6個GPIO有電且保持控制信號。這有利於單晶元實現表計、煙感、門鎖等方案。
除上述功能外，EC616在晶圓面積（die size）、通信性能和功耗方面，也做了細緻的設計和優化。
EC616已通過中移動研究院NB-IoT GTI認證（包括所有可選項），即將開始中移動NB-IoT終端晶元入庫測試。
EC616測試方法
以測試方法分類，蜂窩通信晶元（如NB-IoT）可以分為儀器測試和外場測試兩類。一致性測試和運營商測試中的大多數用例屬於儀器測試。儀器測試的優點是測試用例充分和完備，公平公正，且環境確定，結果確定、可復現。而最終用戶是在外場實際網路中使用該晶元和產品，外場常常會遇到一些意想不到的情況，所以外場的表現和體驗如何，也是必測的項目。本文重點關注儀器測試。
一致性測試，以及運營商測試的測試方法為，設定一個行為或指標，達到算通過，不達到算不通過。對於行為類的測試用例，的確只有通過和不通過兩種結果。而對於指標類測試（如性能和功耗），協議給出的最低要求比較寬鬆，如果只是記錄通過或不通過，則無法反應被測設備各項指標的真實水平。為此，本文給出EC616實測的原始結果，供客戶參考和核對，也供同行借鑒。EC616測試用例如圖2所示。
圖2：EC616指標類測試用例
EC616儀器性能測試
通信性能，對於一般讀者可能比較抽象。通俗地說，一定信號和干擾功率下，通信傳輸錯誤率越低，說明性能越好，或者說，滿足一定的傳輸正確率，允許的信號越小（或允許的干擾越大），說明性能越好。性能關係到通信可靠性（通信正確/錯誤率）、通信可能性（如弱信號或強幹擾下能否通信），以及通信質量（如吞吐率和時延），是最重要和最基本的用戶體驗。
儀器性能測試用例選自3GPP 36.101規範。我們選擇了直接反應通信性能的三類測試，分別是靈敏度、基帶接收性能、發射信號質量。
測試方法和參數配置詳見36.101相關章節，如需要請讀者自行查閱。本文所有測試均在band8下完成。
1、靈敏度
手機在信號弱的地方（如地下室、電梯）無法通話和上網，NB-IoT也是類似。靈敏度定義為滿足通信需要的最小允許的接收信號功率。靈敏度數值越小，代表弱信號下通信能力越強。信號功率一般以dBm為單位，通俗地說，dBm數值每減少3(dB)，信號功率減為原來的一半。
NB-IoT可以採用信號重複（repetition）的方式改善不同覆蓋條件下的靈敏度。簡單地說，就是在極弱信區，發送端反覆重複發送同一數據，接收端再用合併累加的方式，使得有用信號得以增強，從而滿足通信的需要。也就是說，不同重複次數下的靈敏度是不同的。註：不同重複次數下的靈敏度協議沒有給出確定指標，不屬於一致性測試，不過因其重要性，我們還是列出相應結果。
靈敏度是一個綜合指標，不僅反應了基帶接收演算法性能，還反應射頻接收通路的雜訊係數（Noise figure）和前端損耗（FE loss）的好壞。
根據協議定義，靈敏度為傳輸誤塊率（BLER）為5%時對應的接收信號功率。為了讓讀者對通信性能有更清晰全面的認識，我們採用二維曲線的方式表示。其中，橫坐標為接收信號功率，縱坐標為傳輸誤塊率。圖中也標出3GPP的最低要求作為參考。
測試結果如下：
圖3：36.101-7.3.1F.1靈敏度測試結果
圖4：36.101-7.3.1F.2 rep=4靈敏度測試結果
圖5：36.101-7.3.1F.2 rep=32靈敏度測試結果
EC616靈敏度結果總結如下：
2、基帶接收性能
基帶接收性能測試和靈敏度測試有三點不同之處：
1）基帶接收性能測試採用人為加雜訊的方法，抬高接收信號總功率，使得射頻本身的雜訊和失真可以忽略不計，從而這項測試只反應基帶的接收性能，而與射頻無關。人為增加的雜訊，模擬了實際網路中常見的同頻率干擾。
2）外場無線傳播的信道環境多種多樣，很多時候接收到的信號功率並不是固定不變，而是隨時間發生起伏和衰落（fading）。基帶接收性能測試模擬了外場常見的幾種衰落信道模型（如EPA，ETU）。
3）測試用例分為NPDSCH和NPDCCH兩類，NPDSCH測試用例使用誤塊率（BLER）作為衡量指標，而NPDCCH測試用例使用下行調度漏檢率（Pm）作為衡量指標。
在分析方法上，基帶接收性能測試和靈敏度測試是類似的，只是橫坐標換成了接收信噪比（SNR），即信號和雜訊的功率之比。由於雜訊功率固定不變，所以橫坐標還是反應了接收信號功率的變化。接收信噪比以dB作為單位，類似地，信噪比每減少3(dB)，（同等雜訊功率下）信號減為原來的一半。
EC616測試結果如下（重複過長導致測試時間過長的測試用例未列出）：
圖6：36.101-8.12.1.1.1 Test1 NPDSCH性能測試結果
圖7：36.101-8.12.1.1.1 Test2 NPDSCH性能測試結果
圖8：36.101-8.12.1.1.2 Test1 NPDSCH性能測試結果
圖9：36.101-8.12.2.1.1 Test1 NPDCCH性能測試結果
圖10：36.101-8.12.2.1.2 Test1 NPDCCH性能測試結果
EC616接收性能結果總結如下：
3、射頻發射質量
靈敏度和基帶接收性能衡量的都是下行鏈路的性能，即基站發射和終端接收的性能。由於基站通常具有較好的發射性能，所以，下行鏈路性能中，起決定因素的是終端接收的性能。而在上行鏈路中，即終端發射和基站接收，受限於終端較低成本的射頻發射電路（如PA），終端發射信號的質量是影響上行鏈路性能的因素之一。
與接收性能指標不同，發射信號質量指標越好，並不一定帶來更好的用戶體驗。比如Tx EVM，如果做到Tx EVM=7%，意味著SNR=23dB。這麼高的SNR對於上行鏈路來說，貢獻的干擾已經不明顯，再提升EVM指標意義不大。所以，發射信號質量指標要綜合成本和功耗來看，盡量做到均衡。
EC616射頻發射質量如下表：
EC616儀器功耗測試
物聯網應用中絕大多數都是電池供電，比如表計、門鎖、煙感、穿戴。功耗對於電池供電的應用至關重要，直接決定了電池壽命。所以低功耗是NB-IoT核心指標之一。
功耗測試時：
1）需測試整機功耗，而不是單一晶元功耗。即電路板上的所有器件的耗電都應統計在內。
2）測試某個瞬時或者某個部件功耗的意義不大，應測試終端設備在不同的狀態和模式下的平均電流。
終端常見的工作狀態如下表所示：
所有功耗測試用例選自《中國移動NB-IOT終端測試-功耗》，測試方法和參數配置詳見該文檔。
功耗測試結果如下表所示：
後記
在儀器性能和功耗的測試中，EC616表現優異。然而，實驗室表現再優秀，如果優勢不能在外場實際網路中體現出來，那就是「紙上談兵」。和實驗室儀器測試的確定和可復現不同，外場測試情況複雜多變不確定，除了性能是根本，對蜂窩通信環境、網路的理解也很重要。外場測試的內容，將在本文的下篇《NB-IoT晶元核心競爭力之實網實戰》中予以介紹。
關於移芯通信
上海移芯通信科技有限公司坐落於上海張江，公司於2017年5月成立，從事蜂窩移動通信晶元及其軟體的研發和銷售，致力於做世界上最好的蜂窩物聯網晶元。公司團隊主要來自Marvell和展訊，團隊在蜂窩通信晶元上有著輝煌歷史、深厚積累和豐富經驗。在全球範圍內，移芯通信是除了高通、海思、三星、MTK、展銳這些世界級大公司外，極少數有能力獨立研發蜂窩modem的公司。公司所有核心技術和IP全部自研，包括射頻、基帶、SoC、協議棧軟體、平台應用軟體和硬體方案。為客戶提供turnkey完整方案和服務。
市場和銷售聯繫：
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