随着物联网的发展,无线通信技术得到了广泛地应用。Wireless MCU是指集成了MCU和无线电通信功能的MCU产品,可以集成或提供相关的通信协议栈,简化了物联网无线产品的开发设计。Wireless MCU也可称为无线SoC(System on Chip,系统级芯片)。

如同汽车需要道路行驶一样,无线电通信也需要占有一定的频谱资源来进行通信。而无线电频谱资源是一种有限的资源,根据《中华人民共和国无线电管理条例》规定:“无线电频谱资源属于国家所有”,“国家对无线电频谱资源实行统一规划、合理开发、有偿使用的原则”。各国有划分出一定的频段资源,无需许可即可免费使用。国际电联(ITU)定义了ISM频段,但ISM频段在各国规定并不统一,需遵循当地法规。免许可的无线电设备主要体现在短距离无线电发射设备。

2．4GHz和Sub-1GHz是Wireless MCU主要使用的频段。本报告主要以这两种免许可频段为主。Wi-Fi和蜂窝技术(如NB-IoT等)暂不在该报告的范围内。

无线电频率

ISM是Industrial Scientific Medical的缩写,是指工业、科学、医学所用频段,一般不需要使用许可即可使用。这里所说的Wireless MCU产品主要使用ISM频率。

在国际电联无线电规则ITU-R第5条脚注5．138,5．150和5．280 中指定的ISM频段中,2．4GHz为全世界通用的ISM频段,蓝牙、Zigbee等无线技术都工作在该频段上。Sub-1GHz由于国家或地区法规不同而有所不同。根据ITU的划分,中国是位于3区。在国际电联第3区大部分国家没有指定在100 MHz～1 GHz频段中用于ISM应用的频段。根据我国规定,用于ISM应用的相应频段也划分给了无线电业务使用,不论是ISM应用还是符合划分的无线电业务,都可以使用,但均要符合我国无线电管理有关规定。

无线电频率使用许可

无线电频谱资源属国家所有,是有限的自然资源,使用无线电频谱资源需要取得无线电频率使用许可。以下三类无线电频率的使用无需许可即可使用:

业余无线电台、公众对讲机、制式无线电台使用的频率,不需要取得频率许可。其中,业余无线电台是指经过国家无线电主管部门批准设置的用于业余无线电爱好者通信的无线电台;公众对讲机,是指发射功率不大于0．5W,工作于指定频率的无线对讲机;制式无线电台,是指配备在船舶(含海上平台)、航空器、铁路机车这三种载体上的制式无线电台。

国际安全遇险系统、用于航空、水上移动业务和无线电导航业务的国际固定频率,不需要取得频率许可。

国家无线电管理机构规定的微功率短距离无线电发射设备使用的频率,不需要取得频率许可。

主要的无线电技术

本节对Wireless MCU使用的无线技术进行简单的介绍,主要是针对2．4GHz和Sub-1GHz免许可频段。

Bluetooth

蓝牙是一种无线通信技术标准,用于设备间的短距离数据交换。蓝牙使用全球通用免授权的2．4-2．485GHz ISM频段。1994年由爱立信(Ericsson)发明,最初考虑将其作为RS-232数据线的替代方案。

1998年,索尼爱立信、国际商业机器、英特尔、诺基亚及东芝公司等业界龙头创立“特别兴趣小组”(Special Interest Group,SIG),目标是开发一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准。如今,蓝牙技术联盟成员超过36,000家公司。

Zigbee

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议,基于IEEE 802．15．4标准规范的媒体访问层与物理层。IEEE 802．15．4是由IEEE 802．15工作组管理的技术标准,定义了物理层,为作为多种协议(包括Zigbee)的基础的MAC层提供了一个通用标准。Zigbee是一种可靠、低功耗、可互操作的协议,支持大量网络节点、支持多种网络拓扑。

ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准,联盟成立于2001年8月,目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作。

LDSW

LDSW是Low Duty Cycle Smart Wireless的英文缩写,是一种超低占空比智能无线通信技术,由成都西谷曙光数字技术有限公司开发,是全新一代的无线智能通信技术。LDSW是基于有源RFID技术,具有低功耗、低成本、通信距离更远、多频道协同等特点,可以实现目标的身份信息、位置信息(定位)和状态信息(传感器数据)的自动采集和控制指令信息的传输,满足各种物联网信息传输的需要。LDSW采用了全球2．45GHz ISM免许可频段,广泛适用于各行各业。

由于采用超低占空比,LDSW可以实现1/10000超低占空比通信方式。LDSW网关能在1秒内唤醒千米外的LDSW终端,并在几毫秒内完成数据采集和设备的控制。LDSW网关和智能终端通信距离可达1500米以上。一个LDSW网关最多可支持512个智能终端。

LPWA

随着物联网连接规模的不断增大,对无线数据传输的需求也越来越大,出现了低功耗广域(Low Power Wide Area,LPWA)技术,如LoRaWAN、Sigfox、ZETA等。这类技术一般都是基于sub-1GHz的无线网络技术。LPWA主要特点可概括为远距离、低功耗和低成本。

远距离:

无线网络覆盖范围从几公里(城市)到10多公里(农村)不等。

低功耗:

一般LPWA传感终端采用电池供电,传输速率低、数据量小,电池续航可达几年,甚者10几年

低成本:

简化轻量的协议降低了硬件设计的复杂性,降低了设备成本,又降低了昂贵的基础设施投入,并且使用免许可频段降低了网络成本

Proprietary

为满足各种各样的无线应用需求,很多公司开发了相应专有的无线组网解决方案,在此不再一一列出。

市场概况

根据MarketsandMarkets的报告,全球无线连接市场规模预计将从2020年的690亿美元增长到2025年的1411亿美元,复合年增长率为15．4%。推动无线连接市场增长的主要因素是智能基础设施发展中对无线传感器网络的需求增加,互联网渗透率的显著提高,物联网应用的普及以及新冠肺炎流行带来的在家办公和线上学习等趋势的增长,在物联网应用中对低功耗广域(LPWA)网络的需求增加。无线传感器、终端和连接设备的高功耗以及缺乏统一的通信标准成为无线连接市场的制约因素。

亚太区的市场增长可归功于发展中国家智能手机和智能消费设备的高度普及

到2025年,全球无线连接市场预计将达到1411亿美元,在预测期内复合年增长率为15．4%

该市场的增长可以归因于新技术的日益普及,如:

机器到机器交互(M2M)和物联网赋能设备

未来5年,扩展和新产品发布为市场用户提供有利可图的机会

到2025年,北美无线连接市场预计将达到384亿美元,在预测期间的复合年增长率为13．4%

消费类电子产品、可穿戴设备和智慧城市项目等应用中对芯片组的需求不断增长,这推动了亚太地区无线连接市场的增长

无线连接市场推动因素:智能基础设施发展中对无线传感器网络的需求不断增加。由于传感器制造商更加注重加强无线传感技术,无线传感器有望获得青睐。随着工艺优化、家庭自动化和生活方式改善的趋势,传感器成本不断下降,使得无线传感器网络(WSNs)的应用越来越广泛。

各种无线连接技术(如ZigBee、BLE、Z-Wave和EnOcean)的进步使得无线传感器能够在智能家庭和办公室中快速部署。传感器广泛用于从家庭到办公楼的各种应用中,而高端精密传感器则用于多个行业和实验室中。因此,对价格实惠的智能无线传感器的需求不断增长预计将推动BLE芯片组/设备市场的增长,因为这些设备可以与Smart Ready设备搭配使用。消费类电子产品、可穿戴设备和智慧城市项目等应用中对芯片组的需求不断增长,推动了亚太地区无线连接市场的增长。

针对市场上存在的Wireless MCU产品,从其应用、位数、内核、频率等方面进行了简要地统计。

Wireless MCU应用

根据Wireless MCU产品应用情况,将其应用大致分为工业、消费、家居、医疗、其他等。其中,工业和消费应用占比最高,分别为43%和37%。

Wireless MCU位数

根据MCU的位数,将其使用的内核分为8位、32位。其中,32位Wireless MCU占比为 80%,32位机为主流。

Wireless MCU内核

从MCU的内核来看,基于Arm Cortex-M0内核的Wireless MCU占比最大,达到了41%;其次为Arm Cortex-M3。基于Arm内核的产品总占比达到了60%,成为市场主流。而作为近几年新兴起的RISC-V占比为8%,产品发展速度较快。

Wireless MCU频率

根据Wireless MCU产品使用的无线频率情况,将频率分为了2．4GHz、Sub-1GHz等。2．4GHz产品占比达到了95%,为Wireless MCU主要采用的频率。而随着物联网通信技术的发展,Sub-1GHz Wireless MCU 产品将会有一定的增长。

附PPT: