物联网无线通信模组及其应用初探

文/杨 彬（合肥工业大学智能制造技术研究院）

物联网是信息产业发展的新浪潮，其在全球范围内飞速发展和普遍应用，预示着万物智能、万物互联的新时代来临。无线通信模组作为物联网智能终端的关键部件将伴随着物联网产业的快速发展，呈现爆发式增长的新业态。

一、物联网无线通信模组的概念

无线通信模组是物联网智能终端的核心部件，是智能终端与物联网之间的连接纽带[1]，是物联网产业的中流砥柱，在物联网产业架构中处于感知层和网络层中间，负责智能终端和网络层之间的数据传输。无线通信模组本质上是将基带、射频、电源、存储等芯片与阻容感等电子元器件集成到一起，并配以特定的封装形式和软件设计，以满足不同应用场景下物联网智能终端设备的联网需求。产业链上游为基带、射频、阻容感等各类电子元器件厂家，标准化程度较高。特别是基带和射频芯片，是整个无线通信模组的核心部件，决定着通信模组的核心性能和功能，主要供应商有英特尔、高通、联发科、海思、思佳讯、威迅、锐迪科等[2]。产业链下游则是移动支付、无线抄表、智慧路灯、安防、家居等各细分领域的物联网智能终端设备厂家。模组厂商从上游采购芯片等原材料，经过软硬件设计、测试、认证、生产及销售等环节流入下游终端环节，进而推动物联网技术及其应用的发展。

二、物联网无线通信模组的架构

无线通信模组是物联网智能终端的核心部件，肩负着智能终端接入网络的重要使命。感知层采集的海量数据均需通过无线通信模组汇聚到网络层，进而通过云端对设备进行有效控制。无线通信模组主要由基带单元、射频单元、电源管理、内存存储及外围接口五部分组成。

基带单元是整个无线通信模组的中枢神经系统，主要由基带处理芯片组成，负责基带信号处理和协议处理等，主要实现基带编解码、语音编解码、定时控制、数字系统控制、射频控制、省电控制和人机接口控制等功能。

射频单元具有接收和发送信号的功能，主要负责射频信号的切换、收发、频率合成、功率放大及信号的过滤，是整个无线通信模组的发射机和接收机，直接决定了信息传输的距离和质量。

电源管理单元主要负责为模组提供稳定可靠的供电，并通过特定的技术手段降低整个系统的功耗和空闲时段的能耗，确保智能终端在电池供电模式下具有更长的使用寿命。

内存存储单元主要负责信息的存储，包括无线通信模组出厂时的软件参数和终端运行时产生的部分信息数据等。

外围接口单元主要包括天线接口和功能接口两部分。天线接口由主天线、分集天线、GNSS 天线、蓝牙天线及WiFi 天线等射频天线接口中的一种或者多种组合而成，具体类型取决于无线通信模组的功能和模式。功能接口为物联网智能终端提供各种信号的输入和输出，主要有电源、USB、USIM、UART、SD 卡、模拟或数字音频、I2C、ADC、触摸屏、摄像头、显示器、状态指示及通用的GPIO 接口等。

三、物联网无线通信模组的分类

物联网无线通信模组从功能上一般分为通信模组和定位模组两类。其中通信模组按照不同的通信制式分为2/3/4/5G、NB-IoT 及eMTC等蜂窝通信模组和WiFi、蓝牙、Zig-Bee、Lora 等非蜂窝通信模组；定位模组也即GNSS 模组，具体包括美国制式的GPS 定位模组、欧盟的GLONASS 定位模组、俄罗斯的伽利略定位模组以及中国的北斗导航定位模组[3]。

从传输速率上看，无线通信模组可分为以4G 和5G 为代表的高速率模组，以3G 和eMTC 为代表的中速率模组及以2G、NB-IoT 等为代表的低速率模组。

随着物联网技术的深入发展，越来越多的物联网应用场景对无线模组有了更高的期望，模组的种类也日益丰富。比如以eSIM技术为代表的嵌入式SIM 卡模组和软件SIM卡模组；以NB-IoT 和eMTC 为代表的LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域物联网）模组及内置主控芯片和内存的智能模组等。嵌入式SIM卡模组抛弃了传统的外部SIM卡方式，模组在生产时就嵌入了SIM芯片，要求无线通信模组厂家具有较高的生产工艺。软件SIM卡模组则完全抛弃了SIM硬件实体，以软件的形式存储于模组中，客户无需外接SIM卡即可实现对SIM卡的激活和变更，进一步降低智能终端成本。智能模组功能最为强大，终端厂家无需外接主控和存储芯片，即可实现自身定制化的需求。

四、NB-IoT 无线通信模组简介

NB-IoT 无线通信技术由于其低成本、低功耗、广覆盖、适用场景广泛等特点，已成为当下国内乃至全球部署和应用最广泛的物联网技术。随着物联网技术不断发展，传统蜂窝网络的承载能力越来越难以支撑海量的物与物连接，以NB-IoT 为代表的低功耗广域网络应运而生，并在很短的时间内取得了长足的发展。从2016 年标准冻结开始，NB-IoT 仅用了3 年时间就实现了全球范围内大规模商用，推动了整个NB-IoT 产业链的迅速发展。

NB-IoT 无线通信模组即可以连接NB-IoT 网络制式的通信模组。NB-IoT 模组芯片方面，华为早在2016 年底就推出Boudica 120 大规模商用芯片，随后高通、因特尔、联发科、锐迪科、中兴微电子等也都纷纷推出了自己的NB-IoT 专属芯片。模组设计方面，上海移远是国内最早进行NB-IoT 无线通信模组开发的厂商之一，并于2017 年率先推出了基于Boudica 120 芯片的国内第一款NB-IoT 无线通信模组BC95。加拿大的Sierra Wireless，意大利的Telit，瑞士的U-blox，中国的芯讯通、利尔达、有方科技、广和通等模组厂家也纷纷布局NB-IoT 市场。国内运营商方面，中国移动、中国联通、中国电信也积极参与并完成了NB-IoT 网络的大规模建设。

NB-IoT 无线通信模组使用License 频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本等特点[4]。

（1）广覆盖：同样的频段下，覆盖能力将比现有网络提升20dB 的增益，信号能够穿透墙壁或地板，覆盖地下室、地下管道等更深的室内场景。

（2）大连接：理想情况下，每个扇区可连接约5 万台设备。假设每平方公里1200 户居民，每户家庭有40 个设备，该环境下的设备连接也是可以实现的。

（3）低功耗：独有的PSM(省电模式)和eDRX(扩展型非连续接收)两大核心技术大大延长了NB-IoT智能终端的电池寿命，实现在每日传输少量数据的情况下，电池运行时间可长达10 年。

（4）低成本：NB-IoT 无线通信模组具有半双工模式、单接收天线、低峰值速率、内存需求低（500KByte）、上下行带宽低至180kHz 等特点，极大地降低了基带芯片和无线模组设计的复杂度，可以将模组的设计成本控制在5 美元之内；同时NB-IoT 与LTE 互相兼容，可重复使用已有硬件设备、共享频谱，网络部署成本低。

基于以上技术特点，NB-IoT 无线通信模组已成为当今社会的主流连接，在智能抄表、智慧城市、资产追踪等领域开始大展拳脚[5]。

五、 物联网无线通信模组的应用及发展趋势

1.无线通信模组的应用

物联网无线通信模组广泛地应用在智慧农业、智能家居、智能抄表、移动支付、智能电网、智慧交通等领域，持续带动物联网产业飞速发展。一般情况下，2G、3G 模组主要应用于数据量不是太多，速率不高的场景，如移动支付、资产追踪等；4G 模组主要应用于对速率要求相对较高的智能车载和智慧安防等领域；5G 模组则普遍应用于数据量较大、时延要求较高的无人驾驶等领域；LPWAN 模组特别是NB-IoT 模组则在数据量不大、功耗和速率要求相对较低的无线抄表、智能家居、智慧路灯、智慧停车、共享单车等领域得到广泛应用[6]。

2.无线通信模组的发展趋势

物联网技术的日益发展和新兴行业的不断涌现对无线通信模组提出了更高的要求。

首先，以5G 为代表的高速率、高性能、低延迟的无线通信模组需求日益增加，以满足未来无人驾驶、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、广覆盖、大连接为特点的NB-IoT 模组将被应用到越来越多的细分领域中，成为物联网智能终端的主流。

再者，智能化也日渐成为无线通信模组的又一发展趋势，终端厂家基于模组自身内置的主控芯片和存储芯片，即可实现各种智能化操作和个性化应用，将进一步降低产品成本，丰富产品功能，同时又实现自身定制化的需求。

最后，物联网通信模组在未来3～5 年中，会朝着更加小型化、集成化、智能化、多样化的方向发展，越来越多的芯片、功能会集成到物联网模组中，其应用领域和应用范围也将日益丰富。特别是可穿戴市场的兴起，对于模组的尺寸、功耗、功能等都提出了更高的需求和期望。

综上所述，物联网无线通信模组具有广阔的发展前景，被广泛应用于各行业领域，正悄无声息地融入和改变人们的生活，但同时物联网无线通信模组也存在市场竞争激烈、种类繁多、同质化严重、核心标准缺失等问题。因此，强烈建议国内龙头模组厂商能牵头组建物联网无线通信模组产业发展联盟，统筹协调联盟企业的技术、人力等各种资源，科学规划、合理布局，分工合作、有序竞争，准确定位、抱团发展，助推中国无线通信模组技术和产品产业化、市场化、国际化，进一步提升中国物联网无线通信模组产业的话语权，形成产业上下游协同发展的新模式。