Suomalainen LTE-osaaminen ja Norjan ultravähävirtainen langaton kokemus ovat yhdistyneet. Tuloksena on edistynyt alhaisen tehonkulutuksen modeemipiiri IoT-sovelluksiin.

Menestys piirimarkkinoilla ei riipu vain huolellisesti laaditun ja resursoidun strategian toteuttamisesta. Joskus sattuma puuttuu peliin.

Vuonna 2014 BLE- eli Bluetooth Low Energy -ratkaisuistaan tunnettu norjalainen Nordic Semiconductor työsti seuraavaa kehitysaskeltaan omassa IoT-strategiassaan. Samaan aikaan piirivalmistajien uusi rationalisointikierros oli jättänyt Oulussa maailman kokeneimpiin kuuluvia matkapuhelinpiirien suunnittelijoita ilman töitä. Ja toisaalla matkapuhelintekniikoita hallinnoiva tietoliikennestandardien 3GPP-järjestö oli viimeistelemässä uutta määritystä, joka laajensi järjestön modeemiluokat kattamaan LTE-tuotteet matalatehoisiin IoT-sovelluksiin.

Alkuvuodesta 2015 nämä kolme tapahtumaa yhdistyivät suunnitteluprojektissa, jossa johti lopulta Nordic Semiconductorin nRF91-sarjan julkaisuun: kyse oli ultrakompaktisti mobiiliverkkojen modeemista, joka sopi ihanteellisesti IoT:n ainutlaatuisiin vaatimuksiin.

OSAAJIEN ETSIMINEN

Nordic on rakentanut maineensa itse kehittämillään erittäin alhaisen tehonkulutuksen langattomilla piireillä. Yhtiön suunnittelemat 2,4 gigahertsin radiot pystyvät lähettämään lyhyitä megabittien purskeita kymmenien metrien yli kuluttamalla keskimäärin vain mikroampeerien virtaa nappiparistosta monissa sovelluksissa.

Vuonna 2010 Nordicin osaamisesta tässä teknologiassa tuli Bluetooth 4.0 -määritysten ydinosa. Kyse oli suositun lyhyen kantaman avoimesta RF-standardista, johon sisältyi Low Energy -elementti. Myöhemmin Nordicin nRF51-sarjan Bluetooth LE -ratkaisut saavuttivat suosiota tuhansien valmistajien IoT-ratkaisuissa, kuten älyvalaistuksessa ja älykkäissä lukkojärjestelmissä, ympäri maailman.

Vuonna 2014 yritys etsi kokeneita RF-suunnittelijoita vahvistaakseen R&D-ryhmäänsä, jonka tehtävänä oli uuden sukupolven Bluetooth LE -järjestelmäpiirin kehitys. Sen piti kuluttaa vähemmän tehoa, siirtää dataa nopeammin, olla RF-osaltaan herkempi ja prosessointi-, verkko- ja turvaominaisuuksia piti parantaa. Uutinen harvinaisesta joukosta kyvykkäitä matkapuhelinsuunnittelijoita Suomessa sai Nordicin järjestämään rekrytointitapahtuman Oulussa.

Yli 200 suunnittelijaa tuli paikalle. Heidän joukossaan oli 3G- ja 4G LTE -suunnittelun veteraani Juha Heikkilä, joka oli aloittanut uransa Nokialla. Kun Nokia luopui kännykkämodeemien kehityksestä vuonna 2010 myyden toiminnot Renesasille, Heikkilä meni mukana. Sama kuvio toistui, kun Broadcom osti Renesasin modeemiliiketoiminnan 164 miljoonalla dollarilla vuonna 2013. Vuoden 2014 puolivälissä Broadcom päätti keskittää investointinsa muualle ja sulki Oulun yksikön. Monen muun mukana Heikkilä joutui etsimään uusia haasteita.

Heikkilän kanssa Nordic Semiconductorin rekrytointitapahtumassa oli kymmeniä suunnittelijoita, joilla oli samanlainen tausta. Osa oli työskennellyt aiemmin Ericssonilla, joka jätti modeemibisneksen loppuvuonna 2014. Lyhyesti sanottuna tarjolla oleva osaaminen edusti maailman matkapuhelinsuunnittelun ehdotonta kermaa tuohon aikaan.

- Olin ollut vastuussa 3G- ja 4G-modeemien suunnittelutiimeistä usean vuoden ajan, Heikkilä selittää. – Rekrytointitapahtumassa seuraani tuli neljä samalla tavoin ansioitunutta kollegaa. Huomasimme nopeasti, että jos Nordic olisi erittäin kunnianhimoinen IoT-strategiassaan, sen täytyisi harkita pitkän kantaman mutta pienen tehonkulutuksen LPWAN-ratkaisua täydentääkseen Bluetooth LE -tuotteitaan mahdollistaakseen yhteyden pilvipalveluihin. Mobiiliverkkotekniikka oli täydellinen ratkaisu.

Bluetooth LE on ihanteellinen paikallisverkkoihin, mutta sen lyhyt kantama ja TCP/IP-nettiyhteensopivuuden puuttuminen vaativat yhdyskäytävää – kuten älypuhelinta tai Wi-Fi-reititintä – lähettääkseen dataa pilveen. IoT-sovelluksissa yhdyskäytävät merkitsevät monimutkaisuuden lisääntymistä, lisähintaa ja (teknologiasta riippuen) kompromisseja luotettavuudessa. Sen sijaan mobiilitekniikka on turvallinen, luotettava ja mahdollistaa pilviyhteyden ilman yhdyskäytävää.

Ei ole siksi mikään yllätys, että esimerkiksi tietoliikennelaitteita valmistavan Ericssonin mukaan mobiiliverkon IoT kasvaa nopeasti: Vuonna 2018 käytössä olevista 1,8 miljardista LPWAN-laitteesta se valtaa 75 prosenttia.

Kävi ilmi, että Nordic ja Heikkilän tiimi olivat ajatelleet samoin mobiili-IoT:stä. Tämän seurauksena Nordicin johto päätti tukea LTE-pohjaisen IoT-tuotelinjan kehitystä. Tammikuuhun 2015 mennessä Heikkilä – nyt Nordicin Suomen-toimintojen vetäjäksi nimitettynä ja Nordicin teknologiajohtaja Svein-Egil Nielsenille raportoivana – oli koonnut kasaan 60 suomalaisen LTE-asiantuntijan ryhmän ja avannut Nordic Semiconductorin toimiston Ouluun. Toimiston työntekijämäärä on nyt noussut 165:een, joista kaikki kahta hallinnon ihmistä lukuun ottamatta ovat suunnittelijoita.

Suurin piirtein samaan aikaan 3GPP julkisti virallisesti alhaisen tehonkulutuksen LTE-kategorian. Myöhemmin, osana seuraavaa Release 13 -määritystä, tekniikka tultiin tuntemaan nimillä LTE kategoria M1 (LTE-M) ja Narrow Band IoT eli NB-IoT. Tarkoituksena oli päästä eroon modeemilaitteiston monimutkaisuudesta ja edistää edullisten, alhaisen tehonkulutuksen laitteiden kehitystä LPWAN-verkkojen IoT-käyttöön. Määritelmä keskitti Nordicin Suomen-osaston ponnistukset kehittämään erityisesti LTE-M- ja NB-IoT-mobiilituotteita.

VISIOSTA TODELLISUUTTA

LTE-modeemit ovat erittäin haasteellisia suunnitella, tuotteistaa ja sertifioida. Haasteiden vaativuus aiheuttaa sen, ett vain harvalla yrityksellä on varaa toimia mobiilibisneksessä. Tammikuussa 2015 ne suunnittelutiimit, jotka pystyivät suunnittelemaan korkealaatuisen LTE-modeemin, voitiin laskea yhden käden sormilla. Yksi näistä tiimeistä työskenteli Nordicille.

- Tiimissämme on mukana suunnittelijoita, jotka kehittivät Broadcomilla työskennellessään yhden markkinoiden parhaista LTE-modeemeista, selittää Heikkilä. – He ovat työskennelleet LTE:n parissa alusta asti.

Vaikka LTE-M- ja NB-IoT-modeemit ovat yksinkertaisempia kuin älypuhelinten suuren datanopeuden laitteet, vaatii sellaisten tuotteiden suunnittelu laajaa LTE-osaamista. Heikkilän mukaan asiantuntemus on vieläkin tärkeämpää alhaisemman kategorioiden tuotteissa, koska kaikki täytyy optimoida viimeisen päälle, jotta määritysten tiukkoihin vaatimuksiin vastataan.

nRF91-sarja ei ole vain riisuttu versio high end -modeemista. Jotkut kilpailijat ovat ottaneet tällaisen lähestymistavan, mutta Heikkilän mukaan hänen suosimansa metodologia on suunnitella ”alhaalta ylös” (from the ground up).
- Kyse on täysin uudesta tuotealueesta. Vaikka high end -tuotteiden osaamista ilman muuta tarvitaan, jos alhaisen tehonkulutuksen modeemi perustuu aiempaan suunnitteluun, voit tien varrella ajautua tekemään kompromisseja saavuttaaksesi määrityksen asettavat rajoitukset, Heikkilä selittää.

- Me halusimme aloittaa projektin ilman ennakkoajatuksia, jotta voisimme saattaa innovaation ja kokemuksen yhteen ja päästä tuotteeseen, joka ylittää standardin vaatimukset. Lisäksi tuotteen piti tarjota asiakkaille joustavuutta toteuttaa mikä tahansa heidän haluamansa IoT-sovellus.

Yksi standardin rajoituksista on tehonkulutus: modeemit pitää suunnitella toimimaan pitkiä aikoja pienillä paristoilla. Tässä Trondheimin suunnittelutiimin vuosikymmenen kokemus radion, sovellusprosessorin ja muiden Nordicin BLE-piirisarjojen tehonkulutuksen minimoimisessa astui mukaan. Tämä kokemus lyhensi Heikkilän mukaan dramaattisesti projektiin kulunutta aikaa.

- Olisimme päässeet samaan lopulta, mutta ilman tätä talon sisällä olevaa osaamista se olisi vienyt paljon, paljon enemmän aikaa, ja samalla vienyt resursseja pois kriittisestä ja intensiivisestä RF-suunnittelusta.

MOBIILIA KAIKKEEN

Vähävirtaisen LTE-modeemin suunnittelu on vasta alku. Mobiilitaajuuksia lisensoidaan ja reguloidaan. Tämä on operationaalinen etu, koska se varmistaa palvelunlaadun, säännöt yhteistoiminnalle ja turvallisuuden, mutta samalla se tarkoittaa, että verkkoon kytkeytyvien tuotteiden täytyy olla verkko-operaattorin sertifioimia. Sertifiointi on alueelle tuleville yrityksille pelottava prosessi. Nordic helpotti joitakin sertifiointihaasteista suunnittelemalla yhden variantin, joka toimii kaikilla mobiilitaajuuksilla ympäri maailman.

Operaattorien ja integraattorien näkökulmasta Nordic oli kuitenkin uusi yritys ja sen kykyä onnistua epäiltiin. Mutta kun suomalaisen Nordicille nyt työskentelevän mobiilisuunnittelutiimin perintö käsi selväksi, epäilykset katosivat nopeasti.

- Avain menestykseen ei piile vain hyvässä suunnittelussa, Heikkilä sanoo. – LTE-suunnittelu on toki erittäin vaikeaa, tehonkulutuksen optimointi on hyvin vaikeaa, mutta on myös hyvin vaikeaa varmistaa, että tuotetta voidaan valmistaa suurissa volyymeissä käyttämällä mahdollisimman vähän piitä korkeilla saannoilla.

- nRF91-sarjassa samalle sirulle on integroitu radio, sovellusprosessori, flash- ja RAM-muistit sekä tehonhallinta. Tämäntasoinen integrointi testaa suurivolyymisen, suurisaantoisen piituotannon kykyjä.

SUOMALAINEN PERINNE ELÄÄ

Vaikka volyymituotanto on vielä joidenkin kuukausien päässä, tuotteen kehitys on pitkällä. Tammikuussa Nordic esitteli nRF91-sarjan maailmalle. Tuote on kokonainen alhaisen tehonkulutuksen monimoodimodeemi (LTE-M/NB-IoT) 10 x 16 x 1,2 millin kotelossa, johon on integroitu lähetinvastaanotin, RF-etupää, dedikoitu Arm Cortex-M33 -sovellusprosessori, flash-muistia, tehonhallinta, sekä kide- ja passiivikomponentit.

nRF91-sarja yhdistää kaikki perinteisen mobiilimoduulin edut, kuten telealan sääntely- ja mobiilisertifioinnin, pakettiin joka on alaltaan 33 prosenttia, paksuudeltaan 50 prosenttia ja kokonaistilavuudeltaan 20 prosenttia pienempi kuin kilpailevat ratkaisut.

Nordic solmi strategisen kumppanuuden amerikkalaisen RF-liitäntäratkaisuja kehittävän Qorvon kanssa sekä RF-etupään että SiP-järjestelmäkotelon kehityksessä ja tuotannossa.

nRF91-sarjan menestys takaa, ett suomalainen mobiilisuunnittelun perinne – joka on keskeinen perusta nyt käytössä olevissa viidessä miljardissa älypuhelimessa ympäri maailmaa – elää ja voi hyvin tulevaisuuden IoT-näkymien mahdollistajana.

Artikkelin on kirjoittanut Peder Rand,
Nordic Semiconductor. Se on luettavissa myös ETNdigi-lehdessä 1/2018.