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物聯網下,中外藍牙BLE芯片公司搶位戰

2019-11-07 09:18 德灃資本

導讀:經過二十余年的發展,藍牙在生活、生產中目前幾乎處處可見,已經成為在物聯網短距離連接方面的最佳方案,且仍保持著芯片以每年4億片左右的規模增長。但國內現狀卻是:藍牙芯片國產率目前不到20%,國產芯片任重道遠。

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圖片來自“123RF”

經過二十余年的發展,藍牙在生活、生產中目前幾乎處處可見,已經成為在物聯網短距離連接方面的最佳方案,且仍保持著芯片以每年4億片左右的規模增長。

但國內現狀卻是:藍牙芯片國產率目前不到20%,國產芯片任重道遠。國內看似熱鬧的芯片產業,目前尚無對標如Nordic、Dialog、TI等國際廠商的標志性芯片面世!

我們認為,國產芯片迎頭趕上的關鍵是掌握核心無線通信技術,才能自由定義出符合市場、符合客戶的完全自主的芯片。

藍牙的演進

自1998年發布第一個藍牙版本以來,藍牙已經經歷過了1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.2、5.0、5.1等多個版本的演進及迭代。

現今國內市場上絕大多數的藍牙仍然停留在4.2及之前的版本,而隨著物聯網時代的加速來臨,傳統藍牙面臨著定位、組網、傳輸、功耗等多個方面的問題,亟需產品升級,這也是市場的迫切需求。

此外,藍牙5.0以下版本將在2020年停止維護,藍牙5甚至更高版本的芯片替代將是市場發展的必然趨勢。

藍牙5在2016年提出,2017年中Nordic等國際廠商開始陸續推出量產芯片,這一代藍牙其不僅傳輸速度在藍牙4.X基礎上提升2倍,在傳輸距離、大包擴展等更是直接提升了4到8倍。不僅如此,藍牙5在物聯網的功能也得到擴大和增強,如mesh組網、定位等。

從藍牙4.0開始,藍牙技術的演進集中在低功耗藍牙標準上面,也就是BLE的部分,針對經典藍牙的音頻部分,一直未有更新。近期藍牙標準組織將要對音頻部分進行更新,發布低功耗音頻標準,藍牙6.0。

物聯網短距離,無線通信技術對比

隨著5G時代的加速到來,物聯網趨勢也愈發明確,智慧農業、智慧物流、智能家居、車聯網、智慧城市、智慧生活等各類物聯網應用落地必然是大勢所趨。

近距離無線通訊作為物聯網應用環境中的“毛細血管”,在目前的市場中將會出現非常可觀的爆發性需求。

據Gartner的數據顯示,截至2020年,全球范圍內物聯網終端安裝數量預計將達到 197.8億個,較2015年的45.8億個增長 332%。

而藍牙憑借功耗低、穩定性好、成本低、傳輸距離與速度性能好等多種優勢,已成為物聯網終端通訊最佳的解決方案之一。

概念對比

我們先看看不同的無線協議對應的不同應用場景,這個基本區分,標志著該協議面世的時候所對應的主要場景。(Other部分包含的是NBIoT等低速長距離無線協議)

物聯網無線通信對比.jpg

物聯網無線通信對比

如果我們只關心比較核心的特性,包括速率和距離的話,可以簡化一下表示各個無線協議所處的位置,一般說來,目前各種情形已經都有了較為牢固的主力無線協議,新協議產生的空間不多。

速度與距離.jpg

速率與距離

較詳細的特性對比

下面直接對比大家比較關心的一些無線協議的特性。

功耗:在功耗表現方面BLE是最好的,市場上最好的指標是:RTC休眠(不是shutdown,很多時候會有意或無意的去混淆這個)的時候1uA左右,這個值已經基本上是由PMU,pad等半導體的物理特性決定了的,一般來說很難再小了。Active時候的峰值基本在十毫安以下;而500ms廣播的平均電流在30uA。WiFi基本上是10倍數量級的高于這個數值,這個也是比較基本的判斷。NB,Lora,Sigfox的功耗基本介于這兩者之間,這幾種無線協議解決待機時間的方法是增加收發間隔和低速率。

速率:BLE是2Mbps,可以做透傳,做BLE的profile應用,音頻等。WiFi目前用在物聯網作為連接功能的基本都是802.11b(物聯網的802.11ah協議基本沒有應用),所以最高速率在10Mbps左右,WiFi是為數據而生的協議,目前用在控制方面的應用,傳輸能力比較雞肋。其他的Zigbee,NB,Lora,Sigfox都在250Kbps左右,這類協議基本只能做極小數據的透傳,不能像BLE一樣還能做一些應用。

傳輸距離:BLE5具備長距離特性,室內50米左右,相比WiFi在高功率發射的情況下表現還要好。Zigbee同BT4.2之前的水平差不多,應該在室內10幾米或者再多一點。NB,Lora,Sigfox屬于廣域的協議,傳輸距離都在1000米以上。

組網能力:BLE的Mesh組網理論上65000,實際上目前可能測試到幾百上千個節點(有智能燈具10000個點的記錄)。Mesh組網的特點是網絡節點平等,網絡內部的采集和控制可以網內消化,而需要上云端的數據可以通過網關(比如智能音箱或任意一個Proxy節點)或手機傳輸。WiFi的組網是星型的,由路由器周圍帶十幾或幾十個節點,對大規模組網來說并不友好,這也是業界通常的看法。Zigbee本來就是做工業互聯的,開始便具備組網能力,它的弱點在于需要唯一網關上網,所有網絡規模大不了,通常100~200個點,而且還需要配備專門的路由器。其他NB,Lora,Sigfox等都是星型的基站結構,或大或小,看基站的能力以及協議規格,目前看來都是幾K或小幾十K。

成本:成本難以直接比較,同一種協議的不同芯片規格,成本相差也比較大。BLE的成本相比其他任何一種協議,如果在相同的高中低檔芯片平行比較的話,是最小的。從市面上總體的感覺,也能得出這樣的結論。

市場規模:目前單單BLE的市場規模(不包括音頻),也有將近20億片每年,而且BLE這塊的復合增長率保持在20%以上。是個數百億級的市場(芯片only)。WiFi我這里沒有數據,單僅僅從作為連接使用的11b的角度來看,比BLE小很多。而Zigbee從2002年聯盟成立到現在,尚未形成規模市場,根據市場研調公司ON World所做研究,截至2018年8月,Zigbee芯片組出貨量累計才達5億顆。

結合速率,功耗,組網,成本,進入互聯網簡易程度等各種因素,我們判斷,藍牙在物聯網短距離無線連接領域應當是當仁不讓的頭牌。

藍牙新特性

最新的BLE5.0及5.1標準是藍牙SIG針對藍牙物聯網應用場景的需求提出來到,最主要的特性可以總結為:

BLE5.0

相對4.2來說,特性上是一個全面的提升,必將引領低功耗藍牙的新應用。包括2Mbps;廣播包8倍擴展;4倍range;以及譜兼容性等。

2Mbps在短距離無線通信中是個非常合適的速率,能適應絕大多數應用場景,參考一下藍牙組織SIG定義的那些應用的Profile就容易理解。實測的效果可以看到ING918xx能達到1.2Mbps,是個非常好的效果,甚至能夠做視頻傳輸應用,以及高保真音頻等。

8倍廣播包擴展指的是在5.0中定義的廣播包有255用戶字節,相對4.2有8倍擴展。但事實上5.0定義的最大廣播字節有1650,通過主廣播包及AUX輔助廣播包發送。這對于有大數據廣播需求;或者對mesh組網中最大384字節廣播包需求是個非常匹配的滿足。不過實話實說,現在在藍牙應用層面,能把這個用好的很少,或者說還沒有看見。

4倍距離,簡稱LR(Long Range),是藍牙5在信道上加了一級糾錯編解碼,以前通過白化等手段來減少誤碼率,現在再加一層通道編解碼,就提高了靈敏度。當然代價就是傳輸的實際有效數據減少。

另外,所謂兼容性提高是指5.0的廣播信道的擴展,以前只能在37/38/39信道上做廣播,但現在可以在其他0~36的信道上同樣發廣播。這大大提高了廣播的質量,減少了信道污染帶來的體驗下降。當然,為了兼容4.2,5.0的廣播發起信道還是在37/38/39.

Mesh自組網。自組網mesh技術,可實現多點、大規模網絡傳輸。藍牙mesh支持不同的節點特性,包括Relay,Friend,以及Low Power等。同時基于5.0特性使得mesh網絡的延時減小10倍左右,數據傳輸量提高多達8倍以上。相比較WIFI和Zigbee的組網,藍牙mesh在網絡規模,網絡延遲等方面均具有強大優勢。具有proxy功能的節點均可以當做網絡的入口,使得mesh網絡真正實現去中心化。

BLE5.1

厘米級的精確定位,應當是藍牙在應用擴展上非常強力的一個應用。以AoA為例:

如圖,基站藍牙芯片的A0,A1兩個天線,對應于被測藍牙設備發射到來的無線電波,達到的時間是不同的,那么到達時候兩個電波的相位是不一樣的。結合兩個天線之間已知的距離和兩個天線接收到的電波相位,即可算出藍牙發射設備的入射角。

AOA原理.jpg

AoA原理

兩個基站接收到的同一設備的信號并同時算出被測藍牙設備和基站之間的角度便可以實現平面定位了。BLE5.1可以實現厘米級的精確定位。

新一代藍牙的遠距離特性解決了距離上的用戶體驗,mesh組網特性解決了物聯網的‘網絡’問題,而5.1的位置服務則解決了物聯網的定位與導航問題。

任何一代新的通信協議都帶來行業洗牌,帶來新的應用和商業機會。就像蜂窩通信從1G,到2G,到3G,到4G,到5G一樣,無論設備商,手機廠商,芯片廠商都經歷洗滌。

藍牙新應用場景與規模

藍牙應用隨著藍牙標準的演進,在應用上也經歷不同的場景。

4.0版本之前的藍牙主要用于電腦,手機等設備,作為數據和音頻傳輸的接口。作為手機標配確立了藍牙在互聯網生態中的優勢地位。

4.0/4.2版本,帶動了可穿戴,智能家居等業務的巨大浪潮,催生了華米等一大批基于連接和數據的物聯網應用公司,模組公司。應用場景體現為各種小互聯設備,智能家居,智能樓宇等等。

5.0及5.1版本的發布除了在傳統的應用上對效率和用戶體驗帶來質變之外,還給藍牙帶來了更為廣闊的應用空間,包括組網與位置服務。應用場景擴展到智慧城市,工業互聯,汽車,醫療等各個場景。

未來藍牙芯片的出貨量也將持續保持非同一般的增長態勢。預測2018~2022年復合增長率仍可達8%~12%,低功耗藍牙增長在20~30%,2022年藍牙設備整體出貨量達 52億顆以上。

未來幾年,藍牙設備每年凈增4億臺,目前應該沒有哪種芯片能以如此規模增長,應當密切關注。

針對藍牙5.0/5.1的新應用方面,我們可以舉2個例子說明BLE的增長規模。首先是位置服務。包括,

地標信息:零售商較早就開始采用地標(PoI)信息,包括智能樓宇、智能工業和智慧城市也開始探索藍牙beacon的應用。

尋物:越來越多的消費者將藍牙標簽貼在鑰匙、錢包、手包和其他個人財物上,也包括商店的奢侈品管理等。

資產追蹤:藍牙正在推進用于資產和人員跟蹤的實時位置服務(RTLS)解決方案的快速增長,無論是在倉庫中對工具和工人定位,或是在醫院中對醫療設備及患者定位。

導航:從機場和火車站到博物館和體育館,藍牙室內定位系統(IPS)已迅速成為解決GPS室內覆蓋難題的標準,可助力訪客在復雜環境中進行導航。

其次是藍牙網絡設備出貨,也將保持兩位數的增長,包括,

控制系統:藍牙mesh網絡正迅速成為許多控制系統的首選無線通信平臺,包括用于智能樓宇和智能工業市場中的先進照明解決方案。

監控系統:藍牙無線傳感器網絡(WSN)能夠監測光照、溫度、濕度和占用情況,幫助提高員工生產力,降低樓宇運營成本,或更好地滿足生產設備對于環境條件和維護的要求,以減少意外停機。

自動化系統:藍牙可實現樓宇基本系統的自動化集中控制,包括暖氣、通風與空氣調節(HVAC)、照明和安防系統,從而節約能源、降低運營成本,并延長樓宇核心系統的使用壽命。

不包括手機,平板電腦,個人電腦的情況下,我們看到音頻和低功耗兩個領域的出貨量將保持高速增長,尤其是低功耗領域的增長非常強勁。我們認為一個幾乎呈現拋物線增長的市場絕對是一個可觀的藍海市場。

藍牙BLE芯片市場格局

簡單的描述可以總結為,國際大廠還是處于高端,市場占比約80%,毛利大于50%;國內少數廠商在少數應用上取得突破,但市場占比依然很小,毛利較低,簡單透傳的場景較多。

國內外對比

從各種統計數據看,單計算BLE,出貨量最大的當屬于北歐半導體(Nordic),其次包括TI,CSR,Dialog,Cypress,Realtek等廠商。而國內做到規模出貨的主要廠商包括泰凌微,易兆微等少數廠商。我們先來看一個2018年的國內BLE營收數據,和Nordic的對比:


國內和Nordic對比.jpg


可以看到,國內外在芯片上的差距是非常巨大的,國產芯片的潛力和空間異常廣闊。

從Nordic發布的新案例數量來看,Nordic也是在BLE細分市場的龍頭企業,同時我們也看到新的應用每年也都在穩步的增長。


新解決方案.jpg

新解決方案

國產當自強

國產芯片的機會巨大,那么國外芯片到底強在哪里,怎么樣才能把芯片潛力化為實實在在的市場份額?

以Nordic的芯片為例,從大的方面看,功耗低,產品的穩定性兼容性好,SDK友好。用戶的體驗就是好使,放心,靠譜。這是每個廠商都應該追求的用戶口碑。

從小的方面看,細節決定成敗。翻開各個廠商的datasheet,在非行業內的人士看來,大家差不多,都長的挺像,甚至都一樣。但事實上,每家的芯片差異巨大,單從PR軟文來判斷行業和市場,是遠遠不夠的,容易犯人云亦云的錯誤。

具體的,比如為什么采用不同的CPU,為什么采用不同的工藝,為什么Flash外掛和內置,為什么人家的芯片不會斷連接,為什么別人能支持主從一體,為什么人家可以支持遠距離特性,為什么人家芯片支持更多的廣播集,為什么人家就是功耗低?如此等等,我們挑2個來說:

低功耗:低功耗我們可以參考2個指標就可以反映芯片的能耗指標,一個是帶RTC的睡眠電流,這個反映出我們甚至在業務不中斷的前提下芯片的最小功耗;另一個是特定時間連接間隔下,比如500ms,芯片的平均功耗,這個反應的是處理相同的業務時,芯片的功耗。

穩定性,兼容性:這個是芯片性能的綜合反應,考驗的就是無線通信底層協議的魯棒性,也就是支持協議的完整性,靈活性。可以通過查看通信協議認證的條目來做基本判斷(但也可能有比較tricky的東西夾雜),可以咨詢專業人士,或者通過下游用戶給出比較直觀的評價。

藍牙的本質還是無線通信芯片,國內從業者需要理解無線通信,需要真正理解低功耗SoC,從基礎做起,迎來好的芯片和市場表現。為什么說要掌握底層的核心通信IP?因為IP能力直接決定了芯片的SoC架構,芯片低功耗架構,芯片大小成本,芯片的穩定性,兼容性,靈活性。

我們相信國產芯片已經在一些應用上得到了點的突破,是時候做到全面突破,比拼品質,而不僅僅是劣質廉價的時候了。

下圖整理了有關藍牙,WiFi的芯片和方案公司的情況。可以看到物聯網產業蓬勃發展。國內物聯網領域,從芯片到方案已經有一系列的公司參與其中,我們相信很快的,國產芯片就會迎來屬于自己的春天。

融資信息.jpg

產業界的努力

我們欣喜的看到,產業界,投資界都在此下了很大的功夫。目前各大機構都在此做了布局,業界都看到了物聯網領域的巨大機會。這些知名機構包括華創,中興聚源,武岳峰,北極光,國科投資,國科嘉禾,芯動能,紅杉,東方富海,啟迪之星等等機構。

寫在最后:幾個基本判斷

藍牙在物聯網短距離連接方面,注定是最佳方案。

藍牙產業和芯片保持高速增長,芯片以每年4億片左右的規模增長。

藍牙芯片國產率目前不到20%,國產芯片任重道遠。國內看似熱鬧的芯片產業,目前尚無對標國際廠商的標志性芯片面世。

國產芯片迎頭趕上的關鍵是掌握核心無線通信技術,才能自由定義出符合市場,符合客戶的完全自主的芯片。


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