遥遥领先Skyworks物联网的未来需要LTE连接

遥遥领先Skyworks物联网的未来需要LTE连接

当今无处不在的无线连接技术使得消费者和企业能够实时获 取数据，从而得出很多营销、运营和设计方面的深入见解。 据市场研究机构IDC预计，到2022年，网络设备晶振，物联网 (IoT) 的规 模将超过1万亿美元，涉及到消费者、企业、医疗保健和工 业应用。随着无线连接世界的承诺逐步变成现实，对于LTE这种可降低成本、延长电池使用寿命、增强安全性并降低复 杂性技术的需求也日益增加 - 这些都是物联网的关键要求。

物联网设备的连接选项

在快速增长过程中，物联网已经发展成为细分市场，存在多 种应用和使用情况。不论是在室内还是室外，固定还是移 动，低速还是高速，石英晶振其适用范围都非常广泛，通常要求也不 尽相同。为了服务于这一细分市场，物联网设备制造商选择 多种授权和非授权频段的网络协议。Wi-Fi® 和 Bluetooth® 是 个人和局域网最为流行的标准，而新技术诸如 LoRaWAN® 和 WiSUN 得到了场地和广域网的支持（图 1）。虽然每种协议 都实现了不同的特征和优势，但每种技术在功耗、覆盖范围 和成本方面都存在一些折衷。在本文中，我们把重点放在低 功耗广域网 (LPWAN) 上，特别是物联网的 LTE 连接.

LTE 对于物联网的优势

由于很多物联网设备在全球范围内销售和使用，其中一个关键的要求便是随时随地安全连接到互联网。为确保安全的、 无处不在的连接，设备需要采用蜂窝连接 - 不论是通过4G LTE，还是之前传统的2G或3G标准。蜂窝连接可确保一定 的质量和可靠性级别，这种连接质量和可靠性是其他技术所 无法实现的。

LTE 技术由 3GPP 基于 GSM 和 UMTS 开发，已然成为蜂窝通信标准。LTE网络部署非常广泛，而这种技术可以为多种用 户设备提供多种数据速率，增强性能并降低成本。这种灵活 性使得 LTE 能够应对多种物联网应用，从游戏和移动计算等 高频段、高数据速率应用到智能仪表和资产跟踪等低功耗、 低数据速率的应用。随着 5G 应用的展开，当今应用 LTE 技 术的物联网设备需要向前兼容下一代的标准。

图 1. 通用物联网无线通信协议

大部分物联网设备预计将用在低数据速率的应用中，这也是凸显 LTE 技术价值的领域。这种技术常被称作移动物联网， 包括机器 LTE (LTE-M) 和窄带物联网 (NB-IoT)（图 2）。这些 技术正被部署在当前的 LTE 网络上，而 NB-IoT 部署在带内 或者较高类别 LTE 运营商的防护频带之内。移动物联网支持 低于 1 Mbps 的数据速率，最低可达 30 Kbps，使得物联网设 备制造商能够应对语音和数据核心应用。

出于多种原因，设计人员在产品中选择使用 M-IoT 连接。 因为这种技术对于需要安全、实时设备到云端通信的任何应用来说都是理想之选，贴片晶振 可用于远程监控、控制和管理。M-IoT 实现了低功耗的广域网连接，不仅可用于常见的消费类设 备，如宠物追踪器和智能手表，也能用于工业应用，如油气 计量、机器监测和工厂库存管理。它的部署范围也越来越广 泛。根据 GSMA* 报道，自 2019 年 5 月开始 100 多个 LTE-M/NB-IoT 网络已经宣布启动或开始部署。

由于 LTE-M 和 NB-IoT 采用了半双工模式，轮流发送和接收 数据而不是实时发送和接收，因而改善了功耗性能。这些标 准也支持网络和设备通信过程中把节能模式作为一种核心特 征。因此，这些技术对于用电池供电的物联网设备来说非常 具有吸引力。除了节能之外，采用半双工构架降低了前端模 块的复杂性和成本 - 这对于“亿万”连接来说非常关键。为 对 LTE-M 和 NB-IoT 提供补充，LTE Cat-1 支持基于语音的物 联网应用，如报警面板和 ATM 机，以及可穿戴设备的流式 音乐传输等数据速率较高但延迟较低的应用。

图 2. 移动物联网技术比较

LTE 对于终端用户的另一个关键优势是更为无缝的连接体验 - 不需要密码或配对。LTE 实现的物联网设备始终连接在蜂 窝网络上，可以根据需要进行远程配置。LTE 的安全性提供 了另一种优势。LTE 设备采用一种嵌入式 SIM 卡识别网络上 的设备，而其网络采用多种验证和加密方案。此外，蜂窝网 络提供的服务质量 (QoS) 控件可确保对加密数据实现最佳处 理，同时最大程度降低流量延迟。

增加 LTE 连接的设计注意事项

在包含 LTE 技术时，产品设计人员需要考虑以下几个重要的 注意事项。首先，必须了解设备将用在什么地方 - 是全球范 围还是地区 SKU。所需的频带覆盖范围将决定增益水平和滤 波，以及网络运营商性能要求。

另一个关键的注意事项包括设备所需的数据速率，是否支持 语音命令，或者是否需要保留传统 2G/3G 网络的向后兼容能 力。这些要素决定了将采用哪一种蜂窝调制解调器平台 - LTE Cat-1、LTE-M、NB-IoT 或 2G/3G。电池的选择对于如何 执行连接也具有重大影响。如果不使用调节器而直接进行电 池连接（在蜂窝调制解调器平台内部或外部），则射频前端 需要运行在一个较大的电源电压范围之上。因此，电压范围 和电流消耗成为功率放大器 (PA) 选择的关键要素之一。 

此外，LTE 设备认证过程也很漫长，费时费力。设备需要通 过网络运营商的认证（Verizon、AT&T 等）、3GPP 标准（全 球认证论坛 - GCF）、工业（轻量 M2M）和监管认证 （FCC、CE 等）。对于产品设计人员来说，幸运的是有一些 成熟的 LTE 模块制造商和调制解调器厂家，他们在提交产品 的同时也一并解决了这些认证问题。

最后，由于产品可能涉及多个连接标准，有源晶振一款应用 LTE 的设 备不应违反与其他无线电如 GPS 和 Wi-Fi的共存要求。在一 款物联网设备的典型受限物理空间范围内，确保多种射频技 术能共存，是很有挑战性的。

设计决策

在任何物联网设备上增加 LTE 连接时，产品设计人员面临着 典型的“制造或购买”的决策。在内部创建一种解决方案可 最大程度实现灵活性，但也承担着重大风险。如果没有对于 标准规格的深入理解和射频技术的广泛体验，设计工程师可 能会犯下重大错误，浪费开发时间和资源。

在对一款 LTE 设备进行测试时通常也会出现很多共性的问 题： 覆盖范围有限、电流消耗高于预期、输出功率不足、接 收器敏感度降级，以及杂散辐射增加。这些挑战通常可以向 后追踪到射频前端部件选择、PCB 布置、天线设计、PA 匹 配和滤波。遗憾的是，即便设计在仿真阶段貌似中规中矩， 甚至工程样件阶段已经达标，但在最后仍会发生上述问题。 对于产品寿命周期较短的消费类物联网设备来说，上市时间 是一个重大的竞争优势。这也是 LTE 应用受限的一个原因所 在 - 制造迭代以优化 LTE 连接的工作费时费力。为缩短上市 时间，对于 OEM 来说，拥有完全集成的、经认证的连接方 案已经越来越重要了。

Skyworks 连续开发了几代创新解决方案，在此方面拥有几十 年的经验，率先实现了物联网设备上的 LTE 无缝连接。在设 计物联网应用产品时，Skyworks 提供了成本高效的射频无线 引擎，可以解决全局波段覆盖、集成功能、电池直接连接、 网络和监管合规性等关键要求。例如，我们的 SKY680xx 系 列 LTE 通用多频段前端模块（图 3）通过与主要调制解调器 平台供应商之间的合作和参考设计，已经为全球网络上的几 百万台物联网设备供电。

Skyworks 也率先将 DIE 级别智能集成在移动物联网中，利用 多年的功率放大器设计和系统集成经验，通过先进的布置技 术开发 System-in-Package (SiP) 解决方案。石英晶体振荡器SKY66430-11（图4 ）是一款独特的，完全认证的多合一移动物联网解决方案， 它将整个射频前端的 Sequans 公司的 Monarch 平台集成在单 个的 8.8 x 10.8 x 0.95 mm 空间内。这一完全屏蔽的设备为那 些寻求规范设计过程并加快商业化的 OEM 提供了一种完整 的解决方案。

随着消费者希望永远连接，物联网设备在全球范围内迅速激 增，移动物联网技术将变得更为流行。制造商必须对这一最 先进的无线解决方案作出应对，它简化了设计，支持多种协 议和标准。Skyworks 也提供了具体的集成解决方案，可支持 全双工蜂窝/LTE、Wi-Fi®、Bluetooth®、LoRaWAN™、Thread 和 Zigbee®。通过多种工艺和布置技术，Skyworks 能够提供满足 物联网市场多样化、片段化需求的射频前端解决方案，实现其随时随地连接万事万物的愿景.