低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强

来源:内容来自公众号「桃芯科技」,作者:桃芯芯,谢谢。

蓝牙的演进

自 1998 年发布第一个蓝牙版本以来,蓝牙已经经历过了 1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.2、5.0、5.1 等多个版本的演进及迭代。现今国内市场上绝大多数的蓝牙仍然停留在 4.2 及之前的版本,而随着物联网时代的加速来临,传统蓝牙面临着定位、组网、传输、功耗等多个方面的问题,亟需产品升级,这也是市场的迫切需求。
此外 , 蓝牙 5.0 以下版本将在 2020 年停止维护,蓝牙 5 甚至更高版本的芯片替代将是市场发展的必然趋势。
蓝牙 5 在 2016 年提出,2017 年中 Nordic 等国际厂商开始陆续推出量产芯片,这一代蓝牙其不仅传输速度在蓝牙 4.X 基础上提升 2 倍,在传输距离、大包扩展等更是直接提升了 4 到 8 倍。不仅如此,蓝牙 5 在物联网的功能也得到扩大和增强,如 mesh 组网、定位等。
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强蓝牙标准演进
从蓝牙 4.0 开始,蓝牙技术的演进集中在低功耗蓝牙标准上面,也就是 BLE 的部分,针对经典蓝牙的音频部分,一直未有更新。近期蓝牙标准组织将要对音频部分进行更新,发布低功耗音频标准,蓝牙 6.0。

物联网短距离无线通信技术对比

5G 作为第五代通信技术,相比 4G 能具备更加强大的通讯和带宽能力,也能够满足物联网应用高速稳定、覆盖面广,低延时等需求。随着 5G 时代的加速到来,物联网趋势也愈发明确,智慧农业、智慧物流、智能家居、车联网、智慧城市、智慧生活等各类物联网应用落地必然是大势所趋。近距离无线通讯作为物联网应用环境中的“毛细血管”,在目前的市场中将会出现非常可观的爆发性需求。据 Gartner 的数据显示,截至 2020 年,全球范围内物联网终端安装数量预计将达到 197.8 亿个,较 2015 年的 45.8 亿个增长 332%。而蓝牙凭借功耗低、稳定性好、成本低、传输距离与速度性能好等多种优势,已成为物联网终端通讯最佳的解决方案之一。

概念对比

我们先看看不同的无线协议对应的不同应用场景,这个基本区分,标志着该协议面世的时候所对应的主要场景。下图是一个大概的概念图,可以直观感受一下各方的区别(Other 部分包含的是 NBIoT 等低速长距离无线协议)。
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__物联网无线通信对比

如果我们只关心比较核心的特性,包括速率和距离的话,可以简化一下表示各个无线协议所处的位置,一般说来,目前各种情形已经都有了较为牢固的主力无线协议,新协议产生的空间不多。
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__速率与距离
较详细的特性对比
下面直接对比大家比较关心的一些无线协议的特性。

  • 功耗:在功耗表现方面 BLE 是最好的,市场上最好的指标是:RTC 休眠(不是 shutdown,很多时候会有意或无意的去混淆这个)的时候 1uA 左右,这个值已经基本上是由 PMU,pad 等半导体的物理特性决定了的,一般来说很难再小了。Active 时候的峰值基本在十毫安以下;而 500ms 广播的平均电流在 30uA。WiFi 基本上是 10 倍数量级的高于这个数值,这个也是比较基本的判断。NB,Lora,Sigfox 的功耗基本介于这两者之间,这几种无线协议解决待机时间的方法是增加收发间隔和低速率。

  • 速率:BLE 是 2Mbps,可以做透传,做 BLE 的 profile 应用,音频等。WiFi 目前用在物联网作为连接功能的基本都是 802.11b (物联网的 802.11ah 协议基本没有应用),所以最高速率在 10Mbps 左右,WiFi 是为数据而生的协议,目前用在控制方面的应用,传输能力比较鸡肋。其他的 Zigbee,NB,Lora,Sigfox 都在 250Kbps 左右,这类协议基本只能做极小数据的透传,不能像 BLE 一样还能做一些应用。

  • 传输距离:BLE5 具备长距离特性,室内 50 米左右,相比 WiFi 在高功率发射的情况下表现还要好。Zigbee 同 BT4.2 之前的水平差不多,应该在室内 10 几米或者再多一点。NB,Lora,Sigfox 属于广域的协议,传输距离都在 1000 米以上。

  • 组网能力:BLE 的 Mesh 组网理论上 65000,实际上目前可能测试到几百上千个节点(有智能灯具 10000 个点的记录)。Mesh 组网的特点是网络节点平等,网络内部的采集和控制可以网内消化,而需要上云端的数据可以通过网关(比如智能音箱或任意一个 Proxy 节点)或手机传输。WiFi 的组网是星型的,由路由器周围带十几或几十个节点,对大规模组网来说并不友好,这也是业界通常的看法。Zigbee 本来就是做工业互联的,开始便具备组网能力,它的弱点在于需要唯一网关上网,所有网络规模大不了,通常 100-200 个点,而且还需要配备专门的路由器。其他 NB,Lora,Sigfox 等都是星型的基站结构,或大或小,看基站的能力以及协议规格,目前看来都是几 K 或小几十 K。

  • 成本:成本难以直接比较,同一种协议的不同芯片规格,成本相差也比较大。BLE 的成本相比其他任何一种协议,如果在相同的高中低档芯片平行比较的话,是最小的。从市面上总体的感觉,也能得出这样的结论。

  • 市场规模:目前单单 BLE 的市场规模,不包括音频的话,也有将近 20 亿片每年,而且 BLE 这块的复合增长率保持在 20% 以上。是个数百亿级的市场(芯片 only)。WiFi 我这里没有数据,单仅仅从作为连接使用的 11b 的角度来看,比 BLE 小很多。而 Zigbee 从 2002 年联盟成立到现在,尚未形成规模市场,根据市场研调公司 ON World 所做研究,截至 2018 年 8 月,Zigbee 芯片组出货量累计才达 5 亿颗。

低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强

物联网无线协议对比
结合速率,功耗,组网,成本,进入互联网简易程度等各种因素,我们判断,蓝牙在物联网短距离无线连接领域应当是当仁不让的头牌。

蓝牙新特性

最新的 BLE5.0 及 5.1 标准是蓝牙 SIG 针对蓝牙物联网应用场景的需求提出来到,最主要的特性可以总结为:

BLE5.0
相对 4.2 来说,特性上是一个全面的提升,必将引领低功耗蓝牙的新应用。包括 2Mbps;广播包 8 倍扩展;4 倍 range;以及谱兼容性等。

  • 2Mbps 在短距离无线通信中是个非常合适的速率,能适应绝大多数应用场景,参考一下蓝牙组织 SIG 定义的那些应用的 Profile 就容易理解。实测的效果可以看到 ING918xx 能达到 1.2Mbps,是个非常好的效果,甚至能够做视频传输应用,以及高保真音频等。

_低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强BLE5 实测速率
_

  • 8 倍广播包扩展指的是在 5.0 中定义的广播包有 255 用户字节,相对 4.2 有 8 倍扩展。但事实上 5.0 定义的最大广播字节有 1650,通过主广播包及 AUX 辅助广播包发送。这对于有大数据广播需求;或者对 mesh 组网中最大 384 字节广播包需求是个非常匹配的满足。不过实话实说,现在在蓝牙应用层面,能把这个用好的很少,或者说还没有看见。
  • 4 倍距离,简称 LR (Long Range),是蓝牙 5 在信道上加了一级纠错编解码,以前通过白化等手段来减少误码率,现在再加一层通道编解码,就提高了灵敏度。当然代价就是传输的实际有效数据减少。
  • 另外,所谓兼容性提高是指 5.0 的广播信道的扩展,以前只能在 37/38/39 信道上做广播,但现在可以在其他 0-36 的信道上同样发广播。这大大提高了广播的质量,减少了信道污染带来的体验下降。当然,为了兼容 4.2,5.0 的广播发起信道还是在 37/38/39。
  • Mesh 自组网。自组网 mesh 技术,可实现多点、大规模网络传输。蓝牙 mesh 支持不同的节点特性,包括 Relay,Friend,以及 Low Power 等。同时基于 5.0 特性使得 mesh 网络的延时减小 10 倍左右,数据传输量提高多达 8 倍以上。相比较 WIFI 和 Zigbee 的组网,蓝牙 mesh 在网络规模,网络延迟等方面均具有强大优势。具有 proxy 功能的节点均可以当做网络的入口,使得 mesh 网络真正实现去中心化。

低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__蓝牙 mesh
BLE5.1
厘米级的精确定位,应当是蓝牙在应用扩展上非常强力的一个应用。以 AoA 为例: 如图,基站蓝牙芯片的 A0,A1 两个天线,对应于被测蓝牙设备发射到来的无线电波,达到的时间是不同的,那么到达时候两个电波的相位是不一样的。结合两个天线之间已知的距离和两个天线接收到的电波相位,即可算出蓝牙发射设备的入射角。低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强AoA 原理
两个基站接收到的同一设备的信号并同时算出被测蓝牙设备和基站之间的角度便可以实现平面定位了。BLE5.1 可以实现厘米级的精确定位。
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强平面定位
新一代蓝牙的远距离特性解决了距离上的用户体验,mesh 组网特性解决了物联网的‘网络’问题,而 5.1 的位置服务则解决了物联网的定位与导航问题。蓝牙焕然一新,用老眼光看待新事物不是与时俱进的态度。
任何一代新的通信协议都带来行业洗牌,带来新的应用和商业机会。就像蜂窝通信从 1G,到 2G,到 3G,到 4G,到 5G 一样,无论设备商,手机厂商,芯片厂商都经历洗涤。

蓝牙新应用场景与规模

蓝牙应用随着蓝牙标准的演进,在应用上也经历不同的场景。

  • 4.0 版本之前的蓝牙主要用于电脑,手机等设备,作为数据和音频传输的接口。作为手机标配确立了蓝牙在互联网生态中的优势地位。
  • 4.0/4.2 版本,带动了可穿戴,智能家居等业务的巨大浪潮,催生了华米等一大批基于连接和数据的物联网应用公司,模组公司。应用场景体现为各种小互联设备,智能家居,智能楼宇等等。
  • 5.0 及 5.1 版本的发布除了在传统的应用上对效率和用户体验带来质变之外,还给蓝牙带来了更为广阔的应用空间,包括组网与位置服务。应用场景扩展到智慧城市,工业互联,汽车,医疗等各个场景。

未来蓝牙芯片的出货量也将持续保持非同一般的增长态势。预测 2018~2022 年复合增长率仍可达 8%~12%,低功耗蓝牙增长在 20-30%,2022 年蓝牙设备整体出货量达 52 亿颗以上。未来几年,蓝牙设备每年净增 4 亿台,目前应该没有哪种芯片能以如此规模增长,应当密切关注。_低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强采自:SIG 蓝牙资讯
_针对蓝牙 5.0/5.1 的新应用方面,我们可以举 2 个例子说明 BLE 的增长规模。首先是位置服务。包括,

  • 地标信息:零售商较早就开始采用地标(PoI)信息,包括智能楼宇、智能工业和智慧城市也开始探索蓝牙 beacon 的应用。
  • 寻物:越来越多的消费者将蓝牙标签贴在钥匙、钱包、手包和其他个人财物上,也包括商店的奢侈品管理等。
  • 资产追踪:蓝牙正在推进用于资产和人员跟踪的实时位置服务(RTLS)解决方案的快速增长,无论是在仓库中对工具和工人定位,或是在医院中对医疗设备及患者定位。
  • 导航:从机场和火车站到博物馆和体育馆,蓝牙室内定位系统(IPS)已迅速成为解决 GPS 室内覆盖难题的标准,可助力访客在复杂环境中进行导航。

低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__采自:SIG 蓝牙资讯
其次是蓝牙网络设备出货,也将保持两位数的增长,包括,

  • 控制系统:蓝牙 mesh 网络正迅速成为许多控制系统的首选无线通信平台,包括用于智能楼宇和智能工业市场中的先进照明解决方案。
  • 监控系统:蓝牙无线传感器网络(WSN)能够监测光照、温度、 湿度和占用情况,帮助提高员工生产力,降低楼宇运营成本, 或更好地满足生产设备对于环境条件和维护的要求,以减少意外停机。
  • 自动化系统:蓝牙可实现楼宇基本系统的自动化集中控制,包括暖气、通风与空气调节(HVAC)、照明和安防系统,从而节约能源、降低运营成本,并延长楼宇核心系统的使用寿命。

_低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强采自:SIG 蓝牙资讯
_不包括手机,平板电脑,个人电脑的情况下,我们看到音频和低功耗两个领域的出货量将保持高速增长,尤其是低功耗领域的增长非常强劲。我们认为一个几乎呈现抛物线增长的市场绝对是一个可观的蓝海市场。

低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__采自:SIG 蓝牙资讯

蓝牙 BLE 芯片市场格局

简单的描述可以总结为,国际大厂还是处于高端,市场占比约 80%,毛利大于 50%;国内少数厂商在少数应用上取得突破,但市场占比依然很小,毛利较低,简单透传的场景较多。
国内外对比

从各种统计数据看,单计算 BLE,出货量最大的当属于北欧半导体(Nordic),其次包括 TI,CSR,Dialog,Cypress,Realtek 等厂商。而国内做到规模出货的主要厂商包括泰凌微,易兆微等少数厂商。我们先来看一个 2018 年的国内 BLE 营收数据,和 Nordic 的对比:
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强

可以看到,国内外在芯片上的差距是非常巨大的,国产芯片的潜力和空间异常广阔。

从 Nordic 发布的新案例数量来看,Nordic 也是在 BLE 细分市场的龙头企业,同时我们也看到新的应用每年也都在稳步的增长。
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__新解决方案
国产当自强
国产芯片的机会巨大,那么国外芯片到底强在哪里,怎么样才能把芯片潜力化为实实在在的市场份额?
以 Nordic 的芯片为例,从大的方面看,功耗低,产品的稳定性兼容性好,SDK 友好。用户的体验就是好使,放心,靠谱。这是每个厂商都应该追求的用户口碑。
从小的方面看,细节决定成败。翻开各个厂商的 datasheet,在非行业内的人士看来,大家差不多,都长的挺像,甚至都一样。但事实上,每家的芯片差异巨大,单从 PR 软文来判断行业和市场,是远远不够的,容易犯人云亦云的错误。
具体的,比如为什么采用不同的 CPU,为什么采用不同的工艺,为什么 Flash 外挂和内置,为什么人家的芯片不会断连接,为什么别人能支持主从一体,为什么人家可以支持远距离特性,为什么人家芯片支持更多的广播集,为什么人家就是功耗低?如此等等,我们挑 2 个来说:

  • 低功耗:低功耗我们可以参考 2 个指标就可以反映芯片的能耗指标,一个是带 RTC 的睡眠电流,这个反映出我们甚至在业务不中断的前提下芯片的最小功耗;另一个是特定时间连接间隔下,比如 500ms,芯片的平均功耗,这个反应的是处理相同的业务时,芯片的功耗。
  • 稳定性,兼容性:这个是芯片性能的综合反应,考验的就是无线通信底层协议的鲁棒性,也就是支持协议的完整性,灵活性。可以通过查看通信协议认证的条目来做基本判断(但也可能有比较 tricky 的东西夹杂),可以咨询专业人士,或者通过下游用户给出比较直观的评价。

蓝牙的本质还是无线通信芯片,国内从业者需要理解无线通信,需要真正理解低功耗 SoC,从基础做起,迎来好的芯片和市场表现。为什么说要掌握底层的核心通信 IP?因为 IP 能力直接决定了芯片的 SoC 架构,芯片低功耗架构,芯片大小成本,芯片的稳定性,兼容性,灵活性。
我们相信国产芯片已经在一些应用上得到了点的突破,是时候做到全面突破,比拼品质,而不仅仅是劣质廉价的时候了。
下图整理了有关蓝牙,WiFi 的芯片和方案公司的情况。可以看到物联网产业蓬勃发展。国内物联网领域,从芯片到方案已经有一系列的公司参与其中,我们相信很快的,国产芯片就会迎来属于自己的春天。
产业界的努力
我们欣喜的看到,产业界,投资界都在此下了很大的功夫。目前各大机构都在此做了布局,业界都看到了物联网领域的巨大机会。这些知名机构包括华创,中兴聚源,武岳峰,北极光,国科投资,国科嘉禾,芯动能,红杉,东方富海,启迪之星等等机构。
低功耗蓝牙芯片综述,国产当自强__整理自:硬科技加速器

几个基本判断

  • 蓝牙在物联网短距离连接方面,注定是最佳方案。
  • 蓝牙产业和芯片保持高速增长,芯片以每年 4 亿片左右的规模增长。
  • 蓝牙芯片国产率目前不到 20%,国产芯片任重道远。国内看似热闹的芯片产业,目前尚无对标国际厂商的标志性芯片面世。
  • 国产芯片迎头赶上的关键是掌握核心无线通信技术,才能自由定义出符合市场,符合客户的完全自主的芯片。

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