NB-IoT通信芯片设计演进之探索

NB-IoT近年来发展迅速，规模商用仅三年，在我国就已经突破了1亿连接数，迸发出强大的生命力。对于NB-IoT产业的发展来说，芯片及模组的性能和成本是至关重要的一个因素。

5G时代下，NB-IoT与蜂窝物联技术相比存在怎样的优势？NB-IoT通信芯片的核心竞争力在哪？本土创新型IC设计公司又该如何在NB-IoT的设计、应用等方面进行布局？

本期我们邀请到北京四季豆信息技术有限公司市场总监李振华先生，一起来听听他对物联网SoC芯片市场的赛道分析。

以下内容由对话音频整理

● 创新型IC设计公司的物联网布局 ● 本土物联网市场赛道分析 ● 如何提高物联网产业B端客户的满意度 ● 属于创新型企业的独特优势

创新型IC设计公司的物联网布局

幻实（主播）

首先请问一下李总，四季豆是一家什么样的公司呢？ 李振华（嘉宾） 大家好，我是北京四季豆信息技术有限公司市场总监李振华。北京四季豆信息技术有限公司是一家创新型IC设计公司，是北京市高新企业，也是国家高新企业。公司主要聚焦高集成度、大规模SoC芯片的设计研发。 目前有两款芯片已经量产，第一款SIG996是业内目前性能最佳的HPLC（High speed Power Line Carrier Communication，高速电力线载波通信）芯片，另一款LH3200是NB-IoT通信芯片。 四季豆团队在HPLC、3GPP体系方面有比较深厚的积累，我们致力于打造一家能够涵盖电力载波通信和广域蜂窝物联通信90%以上场景的AIoT芯片设计企业。目前，公司已申请发明专利26项、实用新型专利2项、集成电路布图设计4项、软件著作权6项。

SIG996 SoC架构及协议栈架构 （图源：四季豆官网） 幻实（主播）

李总思路很清晰，把公司的概况、产品、布局都给我们进行了介绍。在看贵司介绍的时候，我发现有一家和你们有关联的企业，它叫芯象半导体。不妨给我们介绍一下两家企业有着怎样的渊源。 李振华（嘉宾） 芯象半导体2019年3月份于杭州注册成立，它的控股股东就是北京四季豆信息技术有限公司。四季豆和芯象虽然是两家公司，但研发团队的骨干力量实际上是“师出同门”。 在产品方面，LH3200 NB-IoT通信芯片的知识产权也是归于芯象半导体名下。芯片的系统设计、架构设计、软件设计、系统测试、软件测试等环节是完全由芯象的团队自主完成，LH3200目前也是国内集成度最高的芯片之一。在性能指标方面，LH3200的休眠功耗接近业界最佳水平，最低工作电压更是创造了业界最佳水平。 简要来讲，北京四季豆信息技术有限公司是杭州芯象半导体科技有限公司的控股股东，两家公司的法人为同一人，都是张国松先生。

本土物联网市场赛道分析

幻实（主播） 四季豆在面向物联网市场进行布局，但是物联网有许多细分的场景应用，四季豆以这两款产品作为切入点，其中有着怎样的判断逻辑？ 李振华（嘉宾） 物联网的概念最初是1995年比尔盖茨在其著作《未来之路》中被提及，经过二十几年的发展，物联网已经深入到人们生产生活的方方面面。从技术上来讲，物联网通信技术可以以不同的维度来划分，以传输介质可以划分为有线和无线。 有线物联网包括大家所熟知的RS-485、Mod-Bus（应用于电子控制器上的一种通用语言）等等，还有电力线载波通信。PLC的优势在于网随电通，无需额外布线，而且应用规模非常大。

以国内智能电表市场为例，国家电网目前存量大约有4.5亿块电表，南方电网大约有5000万块电表，按照国网和南网的施行规范，电表大约每8年进行一次轮换，另外，集中器、采集器大概也有4000万到5000万块的部署规模，所以，四季豆选择以此为切入点就是看中了它十分巨大的存量市场和增量市场。 另外，电力载波通信不仅能够应用于国家电网和南方电网的智能化采集、计费和控制，在民用领域它也有很多的使用场景。比如分布式发电的电量采集、电动汽车充电桩、城市智慧照明、楼宇信息化以及智能家居等都可以使用PLC技术。 无线物联网可以分为蜂窝物联网和非蜂窝物联网。NB-IoT（窄带物联网）是由中国产业链主导的新兴技术，也是广域蜂窝物联通信的一个典型技术，它具有低功耗、低成本，深覆盖、大连接数等特点。NB-IoT的问世实际上填补了广域蜂窝物联技术在低功耗与低成本这两方面的空缺。 NB-IoT技术面向千行百业，可以应用于智慧城市、智能家居、智能楼宇、医疗健康、智能追踪等领域。以智慧城市为例，NB-IoT技术不仅十分适合应用于水、气、热、电四个领域的远程智能抄表，还在智能井盖、智能垃圾箱、智能消防、智能路灯等领域都有应用。

NB-IoT部分应用领域市场存量 （图源：芯智讯）

起初，包括华为海思、联发科、高通、紫光展锐等近20家企业宣布研发NB-IoT通信芯片。目前，除上述传统大厂之外，能够实现量产的初创企业大概只有三四家，芯象半导体是其中之一，且大有后来居上之势。

如何提高物联网产业

B端客户的满意度

李振华（嘉宾）

您可能会问，既然华为海思、联发科、高通都已经量产供货了，为什么四季豆还要选择这个赛道？

我们认为，不同于手机和家电这样的水平市场，NB-IoT面向的是垂直行业。每个行业都会有不同的需求，就算是在同一个垂直行业，不同的客户也有不同的定制化需求。

同样是满足这些定制化的行业需求，选择大厂的产品，相对来说成本更高，响应速度更慢一些，这也是创新型小厂的生存空间，我们可以快速导入客户的需求，快速做出产品并给到客户，而且我们与下游的方案厂商的配合更加密切，对客户的理解更加深刻。

幻实（主播） 听您刚介绍的产品应用，四季豆的产品似乎面向的是To B市场，并且客户还有一些类国企的风格，这些客户和普通的消费级客户有什么区别，处理这样的客户关系有什么特别之处吗？ 李振华（嘉宾） 在手机、家电为代表的水平市场领域（多为To C），客户对于产品的要求是基本一致的，客户在乎的是使用体验和价格；而在垂直市场（多为To B），客户体验更多的是由我们配合方案厂商来满足，四季豆作为一家芯片原厂，我们的下游客户是模组厂商和方案厂商，所以客户体验固然非常重要，但不是我们最为关注的点，我们首先要能够满足下游的方案厂商和模组厂商的需求。

2014-2019NB-IoT基站投资及应用规模 （图源：前瞻产业研究院）

以智能水表为例，作为一家芯片厂商，我们做出的模组功耗要足够低，工作电压足够低，通信足够稳定，在满足下游方案厂商和模组厂商的通信需求以及其他配合方面，我们要做的足够好，这也是四季豆一直努力的方向。 幻实（主播） 对不同的客户用不同的处理方法效率会更高，做的事也会更有价值。 李振华（嘉宾） 在最基本的通信指标方面，我们至少要跟业界的领先水平相差不多，甚至在某些方面领先业界其他厂商。比如四季豆将产品的最低工作电压做到业界最佳的一点九几伏，休眠模式（PSM模式）工作电流做到1.1微安，接近业界最佳水平700~800纳安。 在满足这些通用需求后，四季豆继续在产品功能方面开拓创新，比如说除了通信之外，我们将计量和主控做进产品中；为了打造更高的集成度产品，我们有6路的ADC（模拟数字转换器），64路的GPIO（输出模块）、温度传感器以及内置开放的MCU等。 总的来说，通过打造定制化，高集成的创新产品，并能够做到产品质量优于其它竞品，加之与下游客户厂商的密切配合，以此达到您所说的用户满意度。

属于创新型企业的独特优势

幻实（主播）

李总今天毫无保留，和我们分享了创新型企业在产品战略方面的布局思路。国内最早做物联网的几家公司，都在往物联网公共行业布局，实际上这些企业有着很强的先发优势，毕竟他们已经在消费级市场占得先机，听了您的分享后，我了解到作为一家创新型公司，也有很多自身的独特优势，并且这些优势可能也十分受下游客户的青睐。

李振华（嘉宾） 先发有先发的优势，后发有后发的优势，最重要的还是要找到合适的市场切入点，然后发挥企业自身的优势，找准客户的痛点发力，帮助客户解决他们所面临的问题，一定能够找到适合自身的市场空间。 幻实（主播） 最后也请李总给我们畅想一下，未来四季豆的产品或市场有着哪些规划，给我们分享一下四季豆未来的发展蓝图。

李振华（嘉宾）

目前，四季豆拥有两款量产的芯片，一款是SIG996，HPLC的电力载波通信芯片，另一款是NB-IoT的LH3200。另外，四季豆也在着手研发*LTE Cat.1芯片。

*LTE Cat.1：LTEUE-Category.X（1~10），用户设备能够支持的4GLTE网络传输速率的等级被分为10级，其中LTE Cat.1速率可以达到10Mbps，LTE Cat.1芯片可广泛应用于可穿戴设备、工业控制、金融支付、共享终端等领域。

传统的物联网芯片有ASIC和SDR（Software Defined Radio，软件定义无线电），他们各有自己的优势和劣势，SDR灵活性高，但功耗相对比较高。ASIC的功耗相对来说低一些，但ASIC在投片前需要验证的工作量非常大，投片失败的风险相当高，投片完成后如需修改，只能在下一版中完成。因此，这两种方式缺点其实都比较明显。 为此，四季豆团队凭借3GPP协议的长期积累，采用柔性架构，我们将侧重计算的部分做成硬件加速器挂在总线上，将随机性的处理用软件在CPU上完成。

这就带来几个好处，一是降低了对内存的要求，降低了CPU运行的主频。二是采用这种柔性架构能够把一些投片前不确定的需求留到投片之后，用软件来完成。通过这种模块化的设计，使得功能布局在模块内高内聚、模块间低耦合，单一模块的改动不会影响到其他模块，从而大大降低投片之前所需要验证的工作量，投片失败的风险也能大为降低。 另外，这种柔性架构形成的平台将延续至后续的3GPP体系，比如说eMTC（ LTE enhanced MTO；增强机器类通信）和LTE Cat.1，因此四季豆的NB-IoT芯片第一次投片即采用Full Mask形式并且一次成功，而业内许多厂商都需要2~3次才能成功，另外许多功能模块还可以在NB-IoT和LTE Cat.1之间双模共享。 通过PLC技术，我们能够覆盖工业物联、广域蜂窝物联等的大部分应用场景，但不是所有场景都能顾及，因此四季豆在规划研发有线和无线的双模产品。因为在一些复杂场景，比如工厂、矿山、码头、电力线载波可能有时并不适用，但是如果产品同时兼容有线与无线两种模式，就能够覆盖更多的场景。该产品预计于明年下半年投片，业内也有高人在筹备公司做该方面的布局。 根据5G物联网联盟的估算，2G退网之后大约70%~80%的物联网存量市场承接由NB-IoT来完成，大约20%~30%由CAT.1来完成，目前LTE Cat.1的模组正处于供不应求的状态。

2018-2020全球NB连接数 （图源：前瞻产业研究院） 人和人的连接运营商已经做到极致，对于物和物的连接，留给人们的想象空间依然很大。四季豆十分乐意能够与行业内的友商、下游方案厂商、媒体等一起做大物联网产业，为万物智联的社会贡献一份微薄之力。

幻实说

随着2G/3G减频退网的加快，NB-IoT将在各垂直行业迎来规模化落地。在公共事业领域，NB-IoT凭借其广覆盖、低功耗、强穿透等特点，占据巨大的市场优势。2019年10月，基于NB-IoT的燃气表出货量就达到了1000万台，目前在线运行的居民燃气表超过2亿台，国内NB-IoT智能水表累计出货量也超过1000万台。 实际上，公用事业及表计行业的最终目的是数字化转型，为达到这一目的，NB-IoT技术只是一种手段。作为广域物联中窄带物联网其中的一种技术，NB-IoT是主流物联网组网技术的有效补充，但并非无所不能，所以围绕NB-IoT这一新手段，还需要做大量的工作才能实现数字化转型的目的。立足5G，产业上下游携手并进，NB-IoT才能为打造万物互联世界发挥出更大的作用。

原文标题：芯片揭秘 | NB-IoT通信芯片设计、应用、演进之探索

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责任编辑：haq