详解NB-IoT芯片的核心竞争力

近日，工信部、国资委印发《关于开展深入推进宽带网络提速降费、支撑经济高质量发展2019专项行动的通知》。其中特别提出，面向物流等移动物联网应用，需要进一步升级NB-IoT（窄带物联网）网络能力，持续完善NB-IoT网络覆盖。建立移动物联网发展监测体系，促进各地NB-IoT应用和产业发展。

另外，针对NB-IoT应用案推广，还鼓励行业间、产业链各方加强合作，推动车联网、工业互联网等应用规模发展，以支撑智能制造。

物联网与NB-IoT

物联网是一项近年来快速发展的新兴技术，已经在智能家居、智能表计、共享经济、智慧城市、消费电子等领域得到广泛应用。物联网是互联网的延伸和扩展，具体来说，它将各种信息传感设备与互联网结合起来，实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。

物联网通信技术指物联网中物与物之间的通信技术（本文特指无线通信技术），以通信距离分类，可分为短距通信和广域通信，如图1所示。

图1：物联网通信技术

NB-IoT是华为等网络设备商以及全球各大通信运营商主导的，3GPP组织标准化的窄带蜂窝物联网通信技术，因其低成本、低功耗、广覆盖和海量连接的特点备受关注。

NB-IoT的优势和挑战

NB-IoT从2017年6月商用以来，发展迅速，中国三大运营商基本实现了全国覆盖，海外也建成了60多个NB-IoT网络。市场和应用方面，连接数已达2000万，多个百万级应用落地，一些应用正在冲击千万级，预计2019年连接数将达到一个亿。与此同时，一些应用场景类似的广域物联网通信技术也在推广过程中，也取得不错的关注度，LoRa是其中之一。NB-IoT和LoRa的简要对比如下：

1）LoRa没有移动性，通信局限于一片固定区域。NB-IoT从一个小区到另一个小区还能继续通信，支持全国漫游。

2）LoRa为外国公司私有技术，具有一定专利和政策风险。NB-IoT是华为等网络设备商和运营商主导制定的3GPP标准，免收专利费或专利费用低。

3）大规模无线通信网络的部署、优化和运营难度极大，尤其是用户数达到一定规模，不同用户业务并发和管理，不同网络以及用户间的干扰都面临很多问题。LoRa需自己建网，采用未授权频段，抗干扰能力弱，缺乏统一网络规划管理，通信质量无法保障，技术和标准的成熟度有待检验。而NB-IoT由运营商统一建好网络，用户只需购买终端接入（类似手机），同时，NB-IoT是3GPP 4G标准的低功耗和低成本演进，技术和标准较成熟。可以说，由经验丰富的运营商部署和维护是NB-IoT的最大优势。

4）终端芯片的成本和功耗与具体设计实现相关，LoRa和NB-IoT之间无确定差别。

我们认为NB-IoT最大的挑战还是来自同宗同源的蜂窝通信技术，比如2G和4G。NB-IoT的产生源于四个需求，即低成本、低功耗、广覆盖、海量连接。然而， NB-IoT在发展初期，广覆盖和海量连接的优势体现不出来。比如当前阶段，NB-IoT网络覆盖显然不及成熟的2G和4G网络，虽然NB-IoT有覆盖增强技术（支持MCL=164dB），但此技术以多占用网络（时间）资源和增加功耗为代价，适用于个别覆盖差点，不宜给大多数用户使用。

另外，NB-IoT支持海量连接数，但早期的用户数还在2G和4G可支持的范围。并且，即使NB-IoT技术上支持海量连接，但和其他所有无线通信技术一样，还是会受到同一时刻和同一频率，只能有一个用户通信的限制。并发通信上，NB-IoT并无优势。在这样的情况下，如果NB-IoT在低成本和低功耗上，相比其他蜂窝通信无法做到明显的优势，用户的使用意愿就大打折扣。另外，虽说网络覆盖主要依靠运营商解决，但终端芯片如果能优化通信性能，也可以大幅改善用户体验和运营商建网成本。因此，终端芯片的成本、功耗和性能，是NB-IoT产业发展的三个核心要素。

针对性能和功耗，3GPP以及运营商给出专门的测试规范和指标，这是本文接下来的主要内容。

NB-IoT终端测试技术

与其他使用蜂窝技术的产品类似，使用NB-IoT技术的产品在商用前，需经过3GPP标准规定的一致性测试（conformance test）以及运营商的测试和认证。这套严格和完整的测试和认证体系，是运营商和网络设备商从2G发展到5G，拥有几十亿用户和连接，在技术和经验上的集中体现，是每个入网产品的质量及用户体验的根本保证。

一致性测试通过一系列测试用例，检验被测试设备是否满足3GPP标准规定的行为和性能要求。一致性测试分为协议一致性测试，无线资源管理（RRM）一致性测试，以及射频（RF）一致性测试。其中，协议一致性测试检验是否符合协议规定的各种行为（如驻网、建链、重选等），无线资源管理一致性测试检验是否符合协议对测量、时间调整和链路质量监测的精度要求，射频一致性测试检验是否符合协议对接收功率、灵敏度、抗干扰和性能的要求，以及发射功率、质量和频谱的要求。

一致性测试是最基本也是最重要的测试。运营商的测试和认证，一定会包含一致性测试。另外，运营商还会根据自己的需要，加上自己定制的测试用例。以中移动NB-IoT入库测试为例，除了一致性测试，还增加了NV-IoT，功耗、高低温、IPV6，机卡一致性、外场、OneNET云平台等测试。

当然，虽然运营商测试包含一致性测试，不能认为一致性测试只是运营商测试的一个子集。运营商测试中的一致性测试，通常不会遍历3GPP标准定义的所有测试用例。所以，建议除了运营商入库测试，也要找第三方或自测通过所有一致性测试用例。

从测试用例上看，中移动NB-IoT终端入库测试和中移动研究院NB-IoT GTI认证（可选项也需要测试）相互补充，二者一起形成了对NB-IoT终端芯片和产品最完备的测试。

终端芯片EC616介绍

EC616是上海移芯通信科技有限公司研发的NB-IoT终端芯片，完全支持3GPP Rel14 NB-IoT标准，包括支持2-HARQ，Cat-NB2，OTDOA等所有Rel14功能，支持低频和中频全频段。相比现有的NB-IoT芯片，EC616有一些突出的特点。在功能方面：

1）EC616集成了PA，单载波（single tone）和多载波（multi-tone）都能达到23dBm发射功率。

2）EC616集成了所有电源，包括所有IO，FEM，PA的电源。用户的电路板上不需要任何电源或load switch。

3）EC616支持供电电压范围2.4V~4.3V，极限情况可以达到2.1V~4.3V（2.4V以下电压时多载波发射功率略有回退，但仍符合3GPP power class3规范要求；单载波发射功率不受影响）。这意味着EC616可以支持充电锂电池、锂亚电池、锂锰电池等各种电池供电，大多数应用不需要外部的升压或降压器件。模块客户也不需要做高压和低压两类模块，单一模块可支持大多数应用供电需求。注：锂锰电池在低温(<-20°)和大电流情况下会出现2.1V输出电压这种极限情况。

4）EC616可以灵活配置支持不同的IO电压，包括1.8V/2.8V/3.3V。这意味着无论外围电路（如MCU）采用何种电压，都可以灵活适配，不需要增加接口处的level shifter和对应供电。

5）EC616为尽可能支持open CPU方案，实现了不少MCU特有的功能。比如，除了丰富的外设，还内部实现了RC振荡器为系统提供时钟，在不需要通信的时候（MCU模式），以更低的功耗运行。

6）EC616即使在最深的睡眠模式，仍能保持6个GPIO有电且保持控制信号。这有利于单芯片实现表计、烟感、门锁等方案。

除上述功能外，EC616在晶圆面积（die size）、通信性能和功耗方面，也做了细致的设计和优化。

EC616已通过中移动研究院NB-IoT GTI认证（包括所有可选项），即将开始中移动NB-IoT终端芯片入库测试。

EC616测试方法

以测试方法分类，蜂窝通信芯片（如NB-IoT）可以分为仪器测试和外场测试两类。一致性测试和运营商测试中的大多数用例属于仪器测试。仪器测试的优点是测试用例充分和完备，公平公正，且环境确定，结果确定、可复现。而最终用户是在外场实际网络中使用该芯片和产品，外场常常会遇到一些意想不到的情况，所以外场的表现和体验如何，也是必测的项目。本文重点关注仪器测试。

一致性测试，以及运营商测试的测试方法为，设定一个行为或指标，达到算通过，不达到算不通过。对于行为类的测试用例，的确只有通过和不通过两种结果。而对于指标类测试（如性能和功耗），协议给出的最低要求比较宽松，如果只是记录通过或不通过，则无法反应被测设备各项指标的真实水平。为此，本文给出EC616实测的原始结果，供客户参考和核对，也供同行借鉴。EC616测试用例如图2所示。

图2：EC616指标类测试用例

EC616仪器性能测试

通信性能，对于一般读者可能比较抽象。通俗地说，一定信号和干扰功率下，通信传输错误率越低，说明性能越好，或者说，满足一定的传输正确率，允许的信号越小（或允许的干扰越大），说明性能越好。性能关系到通信可靠性（通信正确/错误率）、通信可能性（如弱信号或强干扰下能否通信），以及通信质量（如吞吐率和时延），是最重要和最基本的用户体验。

仪器性能测试用例选自3GPP 36.101规范。我们选择了直接反应通信性能的三类测试，分别是灵敏度、基带接收性能、发射信号质量。

测试方法和参数配置详见36.101相关章节，如需要请读者自行查阅。本文所有测试均在band8下完成。

1、灵敏度

手机在信号弱的地方（如地下室、电梯）无法通话和上网，NB-IoT也是类似。灵敏度定义为满足通信需要的最小允许的接收信号功率。灵敏度数值越小，代表弱信号下通信能力越强。信号功率一般以dBm为单位，通俗地说，dBm数值每减少3(dB)，信号功率减为原来的一半。

NB-IoT可以采用信号重复（repetition）的方式改善不同覆盖条件下的灵敏度。简单地说，就是在极弱信区，发送端反复重复发送同一数据，接收端再用合并累加的方式，使得有用信号得以增强，从而满足通信的需要。也就是说，不同重复次数下的灵敏度是不同的。注：不同重复次数下的灵敏度协议没有给出确定指标，不属于一致性测试，不过因其重要性，我们还是列出相应结果。

灵敏度是一个综合指标，不仅反应了基带接收算法性能，还反应射频接收通路的噪声系数（Noise figure）和前端损耗（FE loss）的好坏。

根据协议定义，灵敏度为传输误块率（BLER）为5%时对应的接收信号功率。为了让读者对通信性能有更清晰全面的认识，我们采用二维曲线的方式表示。其中，横坐标为接收信号功率，纵坐标为传输误块率。图中也标出3GPP的最低要求作为参考。

测试结果如下：

图3：36.101-7.3.1F.1灵敏度测试结果

图4：36.101-7.3.1F.2 rep=4灵敏度测试结果

图5：36.101-7.3.1F.2 rep=32灵敏度测试结果

EC616灵敏度结果总结如下：

2、基带接收性能

基带接收性能测试和灵敏度测试有三点不同之处：

1）基带接收性能测试采用人为加噪声的方法，抬高接收信号总功率，使得射频本身的噪声和失真可以忽略不计，从而这项测试只反应基带的接收性能，而与射频无关。人为增加的噪声，模拟了实际网络中常见的同频率干扰。

2）外场无线传播的信道环境多种多样，很多时候接收到的信号功率并不是固定不变，而是随时间发生起伏和衰落（fading）。基带接收性能测试模拟了外场常见的几种衰落信道模型（如EPA，ETU）。

3）测试用例分为NPDSCH和NPDCCH两类，NPDSCH测试用例使用误块率（BLER）作为衡量指标，而NPDCCH测试用例使用下行调度漏检率（Pm）作为衡量指标。

在分析方法上，基带接收性能测试和灵敏度测试是类似的，只是横坐标换成了接收信噪比（SNR），即信号和噪声的功率之比。由于噪声功率固定不变，所以横坐标还是反应了接收信号功率的变化。接收信噪比以dB作为单位，类似地，信噪比每减少3(dB)，（同等噪声功率下）信号减为原来的一半。

EC616测试结果如下（重复过长导致测试时间过长的测试用例未列出）：

图6：36.101-8.12.1.1.1 Test1 NPDSCH性能测试结果

图7：36.101-8.12.1.1.1 Test2 NPDSCH性能测试结果

图8：36.101-8.12.1.1.2 Test1 NPDSCH性能测试结果

图9：36.101-8.12.2.1.1 Test1 NPDCCH性能测试结果

图10：36.101-8.12.2.1.2 Test1 NPDCCH性能测试结果

EC616接收性能结果总结如下：

3、射频发射质量

灵敏度和基带接收性能衡量的都是下行链路的性能，即基站发射和终端接收的性能。由于基站通常具有较好的发射性能，所以，下行链路性能中，起决定因素的是终端接收的性能。而在上行链路中，即终端发射和基站接收，受限于终端较低成本的射频发射电路（如PA），终端发射信号的质量是影响上行链路性能的因素之一。

与接收性能指标不同，发射信号质量指标越好，并不一定带来更好的用户体验。比如Tx EVM，如果做到Tx EVM=7%，意味着SNR=23dB。这么高的SNR对于上行链路来说，贡献的干扰已经不明显，再提升EVM指标意义不大。所以，发射信号质量指标要综合成本和功耗来看，尽量做到均衡。

EC616射频发射质量如下表：

EC616仪器功耗测试

物联网应用中绝大多数都是电池供电，比如表计、门锁、烟感、穿戴。功耗对于电池供电的应用至关重要，直接决定了电池寿命。所以低功耗是NB-IoT核心指标之一。

功耗测试时：

1）需测试整机功耗，而不是单一芯片功耗。即电路板上的所有器件的耗电都应统计在内。

2）测试某个瞬时或者某个部件功耗的意义不大，应测试终端设备在不同的状态和模式下的平均电流。

终端常见的工作状态如下表所示：

所有功耗测试用例选自《中国移动NB-IOT终端测试-功耗》，测试方法和参数配置详见该文档。

功耗测试结果如下表所示：

后记

在仪器性能和功耗的测试中，EC616表现优异。然而，实验室表现再优秀，如果优势不能在外场实际网络中体现出来，那就是“纸上谈兵”。和实验室仪器测试的确定和可复现不同，外场测试情况复杂多变不确定，除了性能是根本，对蜂窝通信环境、网络的理解也很重要。外场测试的内容，将在本文的下篇《NB-IoT芯片核心竞争力之实网实战》中予以介绍。