物聯網無線通信模組及其應用初探

文/楊 彬（合肥工業大學智能制造技術研究院）

物聯網是信息產業發展的新浪潮，其在全球范圍內飛速發展和普遍應用，預示著萬物智能、萬物互聯的新時代來臨。無線通信模組作為物聯網智能終端的關鍵部件將伴隨著物聯網產業的快速發展，呈現爆發式增長的新業態。

一、物聯網無線通信模組的概念

無線通信模組是物聯網智能終端的核心部件，是智能終端與物聯網之間的連接紐帶[1]，是物聯網產業的中流砥柱，在物聯網產業架構中處于感知層和網絡層中間，負責智能終端和網絡層之間的數據傳輸。無線通信模組本質上是將基帶、射頻、電源、存儲等芯片與阻容感等電子元器件集成到一起，并配以特定的封裝形式和軟件設計，以滿足不同應用場景下物聯網智能終端設備的聯網需求。產業鏈上游為基帶、射頻、阻容感等各類電子元器件廠家，標準化程度較高。特別是基帶和射頻芯片，是整個無線通信模組的核心部件，決定著通信模組的核心性能和功能，主要供應商有英特爾、高通、聯發科、海思、思佳訊、威迅、銳迪科等[2]。產業鏈下游則是移動支付、無線抄表、智慧路燈、安防、家居等各細分領域的物聯網智能終端設備廠家。模組廠商從上游采購芯片等原材料，經過軟硬件設計、測試、認證、生產及銷售等環節流入下游終端環節，進而推動物聯網技術及其應用的發展。

二、物聯網無線通信模組的架構

無線通信模組是物聯網智能終端的核心部件，肩負著智能終端接入網絡的重要使命。感知層采集的海量數據均需通過無線通信模組匯聚到網絡層，進而通過云端對設備進行有效控制。無線通信模組主要由基帶單元、射頻單元、電源管理、內存存儲及外圍接口五部分組成。

基帶單元是整個無線通信模組的中樞神經系統，主要由基帶處理芯片組成，負責基帶信號處理和協議處理等，主要實現基帶編解碼、語音編解碼、定時控制、數字系統控制、射頻控制、省電控制和人機接口控制等功能。

射頻單元具有接收和發送信號的功能，主要負責射頻信號的切換、收發、頻率合成、功率放大及信號的過濾，是整個無線通信模組的發射機和接收機，直接決定了信息傳輸的距離和質量。

電源管理單元主要負責為模組提供穩定可靠的供電，并通過特定的技術手段降低整個系統的功耗和空閑時段的能耗，確保智能終端在電池供電模式下具有更長的使用壽命。

內存存儲單元主要負責信息的存儲，包括無線通信模組出廠時的軟件參數和終端運行時產生的部分信息數據等。

外圍接口單元主要包括天線接口和功能接口兩部分。天線接口由主天線、分集天線、GNSS 天線、藍牙天線及WiFi 天線等射頻天線接口中的一種或者多種組合而成，具體類型取決于無線通信模組的功能和模式。功能接口為物聯網智能終端提供各種信號的輸入和輸出，主要有電源、USB、USIM、UART、SD 卡、模擬或數字音頻、I2C、ADC、觸摸屏、攝像頭、顯示器、狀態指示及通用的GPIO 接口等。

三、物聯網無線通信模組的分類

物聯網無線通信模組從功能上一般分為通信模組和定位模組兩類。其中通信模組按照不同的通信制式分為2/3/4/5G、NB-IoT 及eMTC等蜂窩通信模組和WiFi、藍牙、Zig-Bee、Lora 等非蜂窩通信模組；定位模組也即GNSS 模組，具體包括美國制式的GPS 定位模組、歐盟的GLONASS 定位模組、俄羅斯的伽利略定位模組以及中國的北斗導航定位模組[3]。

從傳輸速率上看，無線通信模組可分為以4G 和5G 為代表的高速率模組，以3G 和eMTC 為代表的中速率模組及以2G、NB-IoT 等為代表的低速率模組。

隨著物聯網技術的深入發展，越來越多的物聯網應用場景對無線模組有了更高的期望，模組的種類也日益豐富。比如以eSIM技術為代表的嵌入式SIM 卡模組和軟件SIM卡模組；以NB-IoT 和eMTC 為代表的LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域物聯網）模組及內置主控芯片和內存的智能模組等。嵌入式SIM卡模組拋棄了傳統的外部SIM卡方式，模組在生產時就嵌入了SIM芯片，要求無線通信模組廠家具有較高的生產工藝。軟件SIM卡模組則完全拋棄了SIM硬件實體，以軟件的形式存儲于模組中，客戶無需外接SIM卡即可實現對SIM卡的激活和變更，進一步降低智能終端成本。智能模組功能最為強大，終端廠家無需外接主控和存儲芯片，即可實現自身定制化的需求。

四、NB-IoT 無線通信模組簡介

NB-IoT 無線通信技術由于其低成本、低功耗、廣覆蓋、適用場景廣泛等特點，已成為當下國內乃至全球部署和應用最廣泛的物聯網技術。隨著物聯網技術不斷發展，傳統蜂窩網絡的承載能力越來越難以支撐海量的物與物連接，以NB-IoT 為代表的低功耗廣域網絡應運而生，并在很短的時間內取得了長足的發展。從2016 年標準凍結開始，NB-IoT 僅用了3 年時間就實現了全球范圍內大規模商用，推動了整個NB-IoT 產業鏈的迅速發展。

NB-IoT 無線通信模組即可以連接NB-IoT 網絡制式的通信模組。NB-IoT 模組芯片方面，華為早在2016 年底就推出Boudica 120 大規模商用芯片，隨后高通、因特爾、聯發科、銳迪科、中興微電子等也都紛紛推出了自己的NB-IoT 專屬芯片。模組設計方面，上海移遠是國內最早進行NB-IoT 無線通信模組開發的廠商之一，并于2017 年率先推出了基于Boudica 120 芯片的國內第一款NB-IoT 無線通信模組BC95。加拿大的Sierra Wireless，意大利的Telit，瑞士的U-blox，中國的芯訊通、利爾達、有方科技、廣和通等模組廠家也紛紛布局NB-IoT 市場。國內運營商方面，中國移動、中國聯通、中國電信也積極參與并完成了NB-IoT 網絡的大規模建設。

NB-IoT 無線通信模組使用License 頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點[4]。

（1）廣覆蓋：同樣的頻段下，覆蓋能力將比現有網絡提升20dB 的增益，信號能夠穿透墻壁或地板，覆蓋地下室、地下管道等更深的室內場景。

（2）大連接：理想情況下，每個扇區可連接約5 萬臺設備。假設每平方公里1200 戶居民，每戶家庭有40 個設備，該環境下的設備連接也是可以實現的。

（3）低功耗：獨有的PSM(省電模式)和eDRX(擴展型非連續接收)兩大核心技術大大延長了NB-IoT智能終端的電池壽命，實現在每日傳輸少量數據的情況下，電池運行時間可長達10 年。

（4）低成本：NB-IoT 無線通信模組具有半雙工模式、單接收天線、低峰值速率、內存需求低（500KByte）、上下行帶寬低至180kHz 等特點，極大地降低了基帶芯片和無線模組設計的復雜度，可以將模組的設計成本控制在5 美元之內；同時NB-IoT 與LTE 互相兼容，可重復使用已有硬件設備、共享頻譜，網絡部署成本低。

基于以上技術特點，NB-IoT 無線通信模組已成為當今社會的主流連接，在智能抄表、智慧城市、資產追蹤等領域開始大展拳腳[5]。

五、 物聯網無線通信模組的應用及發展趨勢

1.無線通信模組的應用

物聯網無線通信模組廣泛地應用在智慧農業、智能家居、智能抄表、移動支付、智能電網、智慧交通等領域，持續帶動物聯網產業飛速發展。一般情況下，2G、3G 模組主要應用于數據量不是太多，速率不高的場景，如移動支付、資產追蹤等；4G 模組主要應用于對速率要求相對較高的智能車載和智慧安防等領域；5G 模組則普遍應用于數據量較大、時延要求較高的無人駕駛等領域；LPWAN 模組特別是NB-IoT 模組則在數據量不大、功耗和速率要求相對較低的無線抄表、智能家居、智慧路燈、智慧停車、共享單車等領域得到廣泛應用[6]。

2.無線通信模組的發展趨勢

物聯網技術的日益發展和新興行業的不斷涌現對無線通信模組提出了更高的要求。

首先，以5G 為代表的高速率、高性能、低延遲的無線通信模組需求日益增加，以滿足未來無人駕駛、智慧交通、智慧城市的迫切需求。

其次，以低速率、低成本、低功耗、廣覆蓋、大連接為特點的NB-IoT 模組將被應用到越來越多的細分領域中，成為物聯網智能終端的主流。

再者，智能化也日漸成為無線通信模組的又一發展趨勢，終端廠家基于模組自身內置的主控芯片和存儲芯片，即可實現各種智能化操作和個性化應用，將進一步降低產品成本，豐富產品功能，同時又實現自身定制化的需求。

最后，物聯網通信模組在未來3～5 年中，會朝著更加小型化、集成化、智能化、多樣化的方向發展，越來越多的芯片、功能會集成到物聯網模組中，其應用領域和應用范圍也將日益豐富。特別是可穿戴市場的興起，對于模組的尺寸、功耗、功能等都提出了更高的需求和期望。

綜上所述，物聯網無線通信模組具有廣闊的發展前景，被廣泛應用于各行業領域，正悄無聲息地融入和改變人們的生活，但同時物聯網無線通信模組也存在市場競爭激烈、種類繁多、同質化嚴重、核心標準缺失等問題。因此，強烈建議國內龍頭模組廠商能牽頭組建物聯網無線通信模組產業發展聯盟，統籌協調聯盟企業的技術、人力等各種資源，科學規劃、合理布局，分工合作、有序競爭，準確定位、抱團發展，助推中國無線通信模組技術和產品產業化、市場化、國際化，進一步提升中國物聯網無線通信模組產業的話語權，形成產業上下游協同發展的新模式。