深度文章 | 解析物聯網中「看不見的手」

作者:英飛凌官微

如今,用“趨熱”來談論物聯網已經過時了,這是幾年前的情況。眼下,沒有比“泛在”更合適了,各大物聯網社區以及大多數物聯網終端市場所表現出的積極情緒都反映著市場的欣欣向榮,而來自分析機構的數據也證明了這不僅僅是一個樂觀的表象而是現狀。

從市場規模看,調研機構北京研精畢智的數據預測到2025年,全球物聯網市場規模將超過1.5萬億美元,年複合增長率達到44.59%!

這一增長的基礎在於物聯網設備數量的高速增長——根據IoT Analytics最近的報告預測,到2022年底,全球物聯網市場預計將增長18%,聯網設備數量將達到144億台。預計到2025年,隨著晶片供應限制的緩解和應用增長的進一步加速,全球聯網物聯網設備將增長至270億台。

這其中,國的物聯網市場也正在高速發展,來自艾瑞諮詢的數據預測,2022年中國AIoT市場規模將達到7509億元,未來3年年複合增長率達到30.49%!

這一切在幾年前似乎還不可想像,發生了什麼?


看不見的手:連接技術 

物聯網旨在實現“萬物互連”,將物品與網際網路相連接,進行信息互換和通信。在實現這一目標的過程中,連接是背後那隻看不見的手而且不同於網際網路,物聯網是物聯網設備、雲和網絡之間的無縫通信,只有這樣,才能確保物聯網的全部潛力得到充分發揮。因此,正是連接技術的發展,促進了物聯網產業的發展進程



具體而言,包括無線通信的Wi-Fi、藍牙/BLE和LPWAN,以及用於數據交換的USB技術的發展,為實現物聯網提供了基礎。並且,不同於早期通過類似ZigBee技術的本地點對點的連接方式,如今的物聯網設備更廣泛的使用雲智能連接,以實現網域設備整個系統組成一個自主連接,可以進行自我學習和智能控制的應用環境。

Wi-Fi、藍牙/BLE唱主角

在這個應用環境中,Wi-Fi、藍牙/BLE技術可以說是連接的主角,應用占有率超過一半

智能化、多標準、多協議一直是Wi-Fi的發展方向,Wi-Fi技術已經從早期的802.11b發展到現在的Wi-Fi 6/6E,在功耗、覆蓋率、網絡效率方面更具優勢。Wi-Fi 6使用正交頻分多址聚合 (OFDMA) 技術來提高網絡性能,並使用高階正交幅度調製 (QAM) 格式來提高數據速率。Wi-Fi 6設備在2.4和5 GHz頻段運行,作為Wi-Fi 6的擴展,Wi-Fi 6E在標準歷史上首次使用新頻譜,可以在未經許可的6 GHz頻譜中運行,以訪問更多帶寬。

支持上行MIMO、更寬調製、更高容量和效率、基於調度的工作和多頻段是Wi-Fi 6的主要特性,這使得其除了應用於手機、路由器和網絡適配器這些傳統領域外,更適用於AR/VR和投影儀、高清攝像頭以及其他AI輔助媒體設備,以及工業物聯網 (IIoT) 如攝像頭、實時儀器儀表和軍工(AR眼鏡和其他視覺輔助系統)等應用。

藍牙在IoT設備中主要用於組網時的互聯互通,包括作為連接的入口,例如可穿戴設備,以及智能家電藍牙遙控器等。去年7月,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)正式發布了最新的藍牙規範5.3,雖然和藍牙5.2一樣都是42Mbit/s的傳輸速率和300米的理論傳輸距離,但相較於藍牙5.2,藍牙5.3通過改善低功耗藍牙中的周期性廣播、連接更新以及頻道分級,進一步提升了低功耗藍牙的通訊效率和藍牙設備的無線共存性。藍牙5.3的功耗較藍牙5.2來說有所降低,並且還引入了一些新功能,增強了經典藍牙BR/EDR(基礎速率和增強速率)的安全性。總之,藍牙5.3的延遲更低、抗干擾性更強、提升了電池續航時間。這些特性使之更適用於智能醫療設備、便攜式醫療設備、門禁控制、門鎖和商業照明、人機接口和工業等物聯網應用。

上面提到的低功耗藍牙即BLE,是藍牙V4.0版本開始有的一個特性,是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術,工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。它從一開始就設計為超低功耗(ULP)無線技術,利用智能手段最大限度地降低功耗,這一特性使其廣泛適用於本地連接網際網路設備。

技術疊代推動了新應用並帶來市場增長,2021年,全球Wi-Fi晶片出貨量為47億,預計2022年增長4.3%至49億;全球藍牙晶片出貨量為51億,預計2022年增長3.9%至53億。

 

eSIM應用按下“快捷鍵”

不同於Wi-Fi和藍牙主要用於局域或本地物聯網的連接,在廣域範圍內的無線物聯網連接主力是LPWAN,即低功率廣域網絡。LPWAN每個頻道的傳輸速率介於0.3~50 kbit/s之間,可以用來建立一個私有的無線感測網絡,但也可以是一個第三方提供的服務或基礎設施。LPWA可分為兩類:一類是工作於未授權頻譜的ZETA、LoRa、SigFox等技術;另一類是工作於授權頻譜下,3GPP支持的2/3/4/5G蜂窩通信技術,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。而後者在應用落地的過程中,eSIM是一個必要而前景廣闊的技術

eSIM技術帶來了三大變革:一是去除卡槽,帶來了更大的終端設計自由度,同時,由於晶片內嵌於設備之中,可以全面提升防水、抗震性能;二是號碼遠程下載,帶來用戶隨時隨地入網的便捷性;三是eSIM的多場景化,使泛智能終端接入更為便捷,帶來了萬物互聯應用的更多可能。

顯然,eSIM的發展與智能終端的小型化、功能穩定性等要求密切相關,也將成為運營商拓展新業務的重要抓手。想當年,蘋果剛剛在iOS 12.1的測試版中增加了eSIM 功能,全球運營商就積極響應,紛紛開通eSIM服務。然而,十多年來,儘管一直受到諸如蘋果公司在內的眾多公司推動,但由於各方面因素,eSIM在中國的發展並不及預期。隨著工信部在2020年10月發布批覆文件,同意中國電信、中國移動開展物聯網等領域的eSIM技術應用服務後,該技術在中國市場可以說迎來了春天。

這背後,其實反映出全球蜂窩物聯網市場的快速發展趨勢。調研機構Counterpoint發布的全球蜂窩物聯網模組和晶片的追蹤研究報告顯示,2021年第四季度全球蜂窩物聯網晶片出貨量同比增長57%。其中,中國占據蜂窩物聯網晶片市場總出貨量的近60%,而4G LTE連接同比增長了25%。

除了上述無線連接技術,作為傳輸接口總線技術,USB目前已經演進到USB4標準, 通過Type-C口進行傳輸,最大數據傳輸帶寬達到40Gbit/秒。並且,配備Type-c連接器的標準規格連接線可通過3A的電流甚至最大到5A的電流。2021年9月,USB-IF組織發布了最新的USB Type-C接口和線纜v2.1版本標準協議,供電能力從100W提升到了240W!未來筆記本電腦甚至不再需要標配單獨的電源適配器了。

這些特性,使得Type-C接口正在加快統一全球的傳輸接口。就在今年6月7日,歐洲議會和歐洲理事會一致同意,將自2024年秋天起在歐盟境內統一使用Type-C接口用於移動設備充電。

總的來看,除了手機、電腦、移動電源和小型化設備等傳統應用外,USB Type-C的應用將擴展至汽車、高端照明、投影儀和安防等領域。

 

Matter將啟動新一輪殺手級應用

說到應用,去年開始,全屋智能的概念開始趨熱,這背後一個重要原因是一項連接技術的成熟——Matter,這是一個基於IPv6的智能家居互聯協議,旨在將眾多不同的網絡派系聚集到一起,簡化設備與設備之間傳輸信息的過程,同時強化對隱私安全的保護。連接標準聯盟(前Zigbee 聯盟)組建了Matter工作組,工作組由來自170多個大型市場主體的專家組成,其中不乏蘋果、亞馬遜、谷歌、英飛凌、江森自控、施耐德電氣、LG 電子等巨頭企業。2022 秋季,Matter1.0 標準將推出。



作為一個高度標準化、通用化同時兼顧易用性的互聯互通標準,Matter一方面可以幫助生態系統服務商、設備製造商和最終用戶消除物聯網碎片化的困境,在避免同質化競爭的同時觸達更廣泛的家居場景,另一方面也將推動全屋智能產業完成競爭維度的分化,從追求場景覆蓋廣度,轉向個性化服務。在前不久舉行的WWDC2022開發者大會上,蘋果公司宣布旗下生態產品將全面支持Matter 協議,可以預見,Matter將拉動全屋智能成為物聯網新一輪殺手級應用。


看得見的手:產品組合

前面詳細介紹了物聯網重要的連接技術和它們發揮作用的應用領域,那麼,要利用這些技術在複雜多元的物聯網領域保持回頭率,我們該怎麼做?也許,沒有比英飛凌更合適的參照了。該公司把“連接現實與數字世界”作為發展願景和使命,在上述每個領域都有著深厚的技術積累,並推出了豐富的產品組合。

自從完成對賽普拉斯的收購後,英飛凌在“連接”方面如虎添翼,囊括基於eSIM安全蜂窩連接、Wi-Fi、藍牙、以及基於USB和USB-C的連接技術,可以說涵蓋了幾乎所有主流的無線和有線連接技術,並將這些技術廣泛應用於消費、商業、工業、汽車等多個領域的物聯網應用。



多無線連接共存成為主流之選

針對Wi-Fi和藍牙,英飛凌特別推出了新品牌AIROC,該系列既有Wi-Fi+藍牙Combo,也有單Wi-Fi、單BLE,或是經典藍牙和BLE藍牙雙模的產品,以減小物聯網設計的外形尺寸。

AIROC產品具有先進的Wi-Fi和藍牙共存、互操作性和生命周期支持,可在所有環境中可靠運行,並大幅降低功耗,包括極低的睡眠、傳輸和接收電流消耗,以及優化和延長電池壽命的網絡管理功能。

 

至少在五個方面,AIROC表現出它的核心競爭力

1、可提供豐富的、全新的產品陣容供用戶選型;

2、可提供不同平台穩定可靠的軟體便於用戶集成,ModusToolBox可以幫助簡化軟體整合的過程;

3、可提供各種複雜使用環境下的可靠、穩定連接;

4、包括晶片工藝、系統軟體的集成方面,都提供了可行方案;

5、優化的無線晶片設計支撐了吞吐量、功耗和遠距離覆蓋等方面的高性能表現。據測試,AIROC的Wi-Fi網絡效率,接近友商的3倍!而由於採用28nm的晶片製程工藝(目前市場Wi-Fi晶片普遍還是40nm),其接收功耗較市面Wi-Fi 4產品低50%,比Wi-Fi 5產品低70%,發射功耗低1/4。

利用跨Android的通用軟體框架,Linux操作系統,RTOS平台,以及和英飛凌的ModusToolbox軟體和工具預先集成,AIROC產品允許開發人員在預算內按時向市場交付高質量的差異化產品。這些特性,得到了市場的認可。目前,AIROC無線連接產品,包括Wi-Fi(4-6/6E)、藍牙/BLE、無線網絡和藍牙combos已經售出了超過10億片。

這些產品廣泛應用於智能家居、多媒體、可穿戴、辦公和娛樂。其中,智能家居包括傳統的家電,以及智能公寓、掃地機器人、溫控器、園林電動工具、煙感和安防、藍牙組網照明等設備;在多媒體方面,主要是智能音箱、電視機、耳機、遙控器、投影儀、遊戲機投屏和遊戲手柄;在可穿戴領域,主要是AR/VR眼鏡、手錶和TWS耳機。在最新的Wi-Fi6上,AIROC的產品主要是CYW5557x系列,針對高階的無線應用,例如高端遊戲手柄、VR/AR設備、高解析度的安防控制、實時工業控制,以及高帶寬的家庭影院視頻應用。

 

延伸至雲端的IoT軟體服務成為關鍵

目前物聯網形態已經發展為物聯網設備、雲和網絡之間的無縫通信,因此基於IoT連接的雲端服務也必不可少

針對這一需求,英飛凌推出了Cirrent軟體服務,主要包括兩個組件:INI和MAI,INI是客戶端組件,M2AI是手機移動端組件。通過這一服務,英飛凌能夠深入洞悉用戶的使用環境,最終改善產品應用。例如,在智能家居設備連接方面,Cirrent能夠實現一鍵無線路由連接、自動密碼同步所有設備,並通過遠程網絡連接監視器來提高可靠性、質量和支持。


全屋智能有望邁入Matter時代

智能家居方面,前文提到,Matter將掀起一輪全屋智能行業的熱潮。英飛凌非常看好Matter在未5來AIoT市場的前景,並已經在其BLE MCU和AIROC的combo以及藍牙晶片中進行了Matter協議棧的開發,目前已經完成了基本功能的實現和測試認證環境的搭建,有望在明年年初推出支持Matter的量產版本晶片產品。


此外,硬體安全晶片是實現Matter的關鍵。作為Matter安全工作組的領導者,英飛凌可以說是整個Matter標準的引領者,為解決安全問題提出了許多創新的想法和建議,包括貢獻開源實現代碼、標準的文本及安全之外的能力。英飛凌提供的PSoCTM(可編程片上系統)和OPTIGATM系列產品,不僅能在非常小的物聯網設備中使用更小、更節能、更便宜的設計,還能提供物聯網所需的安全身份證書和加密功能,包括隨機數生成器、加密/解密、簽名和驗證等。這些晶片適合用在物聯網設備的控制器、網絡或節點中。每台設備可以預裝密鑰對和證書,在設備加入Matter網絡時還可加載額外的密鑰對。

 

推動eSIM大範圍落地

提到OPTIGA™,熟悉英飛凌產品的都知道,這是該公司一個將硬體安全控制器與軟體相結合的系列。而針對eSIM,英飛凌提供的交鑰匙方案OPTIGA™ Connect eSIM,全面支持從3G到5G的所有GSMA標準,可以安全地面向所簽約的運營商網絡進行登網鑒權。該方案基於英飛凌的SLC37安全晶片,可以滿足GSMA安全需求並通過了CC EAL4+的測試,因配備堅固耐用且值得信賴的安全保障,所以能夠確保敏感數據和密鑰的安全,防止欺詐。不僅如此,該解決方案完全符合GSMA和3GPP的最新5G規範。它支持各主要移動運營商的配置文件,並具備遠程SIM卡配置功能,可提供最大至1.2 MB的可用內存,供用戶存儲運營商的配置文件、數據及其他應用。其超小型封裝尺寸僅為2.9 mm x 2.5 mm x 0.4 mm,有助於實現嶄新的設計,特別適用於印刷電路板空間非常敏感的終端。


得益於其小巧的外形,該eSIM特別適用於智慧型手機、平板電腦以及智能手錶或健身手環等可穿戴設備。此外,通過將硬體和軟體整合到一個易於集成的系統中,英飛凌能夠幫助製造商高效地開發產品設計,降低eSIM集成工作量,從而加快將產品推向市場。

除了消費級市場,英飛凌在車規及工規eSIM產品上也有布局,並且已經被廣大車廠以及智能工業客戶所認可,其十年以上的產品線跟蹤已經積累了豐富的高質量和高可靠性經驗。

 

歷久彌新的USB技術

除了上述物聯網無線連接方面廣泛的產品組合,英飛凌也是USB和USB-C技術的市場領導者。該公司提供業界最完整的USB產品系列,包括設備控制器、嵌入式主機、集線器、專用橋接器和收發器。英飛凌EZ-PD™產品系列在業內率先支持最新USB供電 (USB PD) 3.0規範,該規範可為筆記本電腦和移動設備提供更耐用的端到端供電和充電解決方案。英飛凌還提供其控制器的AEC-Q100 認證版本,滿足汽車級性能要求。

英飛凌的Type-C控制器基於英飛凌PSoC™ 4可編程片上系統級架構,其中包括可編程模擬和數字模塊、Arm Cortex M0內核和32 KB閃存。這些產品與頂級PC製造商一起推動業界首款Type-C產品,支持他們將USB Type-C的這些優勢推向市場。此外,英飛凌還在線提供適用於EMCA和電子狗應用的參考設計,以縮短用戶的設計周期。

自2008年以來,英飛凌向市場交付的USB類產品超過10億顆。


方向即答案

正如我們看到的,通過無縫集成各種連接技術,英飛凌為消費者、工業、醫療、汽車和其他應用提供了易於使用、可互操作的廣泛的產品組合,讓客戶能夠更快地進入市場。作為全球領先的半導體科技公司,該公司致力於打造一個更加便利、安全和環保的世界,通過提供全面的半導體解決方案,來實現高效的能源管理、智慧出行以及安全、無縫通信,連接現實與數字世界。

當英飛凌將戰略方向聚焦在“感知、計算、執行、連接、安全、”這5個方向時,也許,“我們要成為連接現實世界與數字世界的橋樑”這句話,已經包含了如何“在物聯網領域保持回頭率”的所有答案。


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