低功耗的蜂巢式技術(shù)可以支撐物聯(lián)網(wǎng)嗎

蜂巢式技術(shù)一直以來僅用于移動(dòng)和工業(yè) M2M 應(yīng)用，然而一種全新的蜂巢式調(diào)制解調(diào)器即將帶來改變

第一代 （1G） 蜂巢式通訊在 20 世 紀(jì) 70年代面世。雖然以模擬系統(tǒng)處理通訊和手機(jī)不僅費(fèi)時(shí)失事并且昂貴，但是這個(gè)理念得到落實(shí)發(fā)展，到 1990 年全球用戶數(shù)量達(dá)到了 2000萬。時(shí)至今日，這個(gè)行業(yè)已發(fā)展了 28 年，根據(jù)代表移動(dòng)運(yùn)營商利益的 GSM 協(xié)會(huì) （GSMA） 指出，移動(dòng)電訊用戶群現(xiàn)已超過 50 億。而最新一代蜂巢式技術(shù) 4G LTE 在全球70 多個(gè)國家的市場滲透率已超過 50%，甚至實(shí)現(xiàn)了十年前還無法想象的低價(jià)格高畫質(zhì)串流媒體服務(wù)。

蜂巢式技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和成熟，使得工程師能夠優(yōu)化這種技術(shù)，以滿足消費(fèi)者和企業(yè)對(duì)普遍性、可靠性、安全性和易用性的需求，它還為運(yùn)營商提供了收入和時(shí)間來建設(shè)和加強(qiáng)龐大基礎(chǔ)設(shè)施以支持全球覆蓋。

蜂巢式技術(shù)的覆蓋范圍比任何其他無線技術(shù)更好，其可靠性來自運(yùn)營商和設(shè)備制造商在多年來不斷進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)和激烈競爭。對(duì)構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)的工程師而言，安全性是主要考慮因素，也是蜂巢式網(wǎng)絡(luò)的端至端優(yōu)先級(jí)。蜂巢式技術(shù)內(nèi)建高傳輸量以滿足數(shù)百萬用戶接取串流視訊和其他數(shù)據(jù)密集型服務(wù)的需求。強(qiáng)大的通訊協(xié)議以及用于蜂巢式通訊的頻譜分配的監(jiān)管、許可和管理所實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量服務(wù)保證 （QoS），進(jìn)一步強(qiáng)化了這些優(yōu)勢。

蜂巢式技術(shù)的眾多優(yōu)勢已經(jīng)引起了負(fù)責(zé)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的工程師所注意。蜂巢式技術(shù)有望把遠(yuǎn)程低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN） 的 IoT 傳感器直接連接到云端。另外，蜂巢式技術(shù)可以用作 LPWAN 的基礎(chǔ)，而 LPWAN 可充當(dāng)由低功耗藍(lán)牙或 Thread 等短距離無線技術(shù)支持的局域網(wǎng)絡(luò) （LAN） 的云端網(wǎng)關(guān)。但是在愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之前，還有一些工作要進(jìn)行。

用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的調(diào)制解調(diào)器

高傳輸量的蜂巢式技術(shù)非常復(fù)雜且昂貴，硬件體積龐大且耗電巨大。消費(fèi)者愿意承擔(dān)成本并每天為手機(jī)充電，因?yàn)樵摷夹g(shù)能無縫接取他們渴望的服務(wù)；但是對(duì)于 IoT 工程師來說，高傳輸量蜂巢式技術(shù)的高成本、復(fù)雜性和功耗，令他們難以建立由數(shù)百個(gè)緊湊型電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器是組成 IoT 的組件。

然而，蜂巢式調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)找到了將昂貴的遠(yuǎn)程資產(chǎn)連接到云端的利基市場。例如，用于控制智慧配電網(wǎng)的農(nóng)村智能電子設(shè)備 （IED） 會(huì)定時(shí)通過蜂巢式調(diào)制解調(diào)器將信息發(fā)送回控制中心。像火車站等公共場所的自動(dòng)售貨機(jī)之類的商業(yè)設(shè)備的運(yùn)營商，可以使用蜂巢式調(diào)制解調(diào)器將信息發(fā)送回總部，而毋須派遣員工以人手檢查庫存，從而降低營運(yùn)成本。蜂巢式調(diào)制解調(diào)器也很受保全公司的歡迎，因?yàn)樗麄儾荒苊半U(xiǎn)采用諸如 Wi-Fi 等可靠性較低的無線技術(shù)。

但是用于這些應(yīng)用的調(diào)制解調(diào)器不適合 IoT。首先，許多 IoT 使用正在逐步淘汰的傳統(tǒng) 2G 網(wǎng)絡(luò)，這些2G 技術(shù)無法高效率地利用它們所獲分配的頻譜，而這些頻譜是 4G 和即將到來的 5G 流量非常需要的，因此，這些舊技術(shù)實(shí)際上到 2025 年前便會(huì)消失。其次，蜂巢式 2G、3G 和 4G LTE 調(diào)制解調(diào)器很貴，體積龐大且功耗很大。因?yàn)樗鼈儽仨氃O(shè)計(jì)為符合電訊標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的第三代合作伙伴計(jì)劃 （3GPP） 之中，用于更高類別 （ 更高吞吐量 ） 操作的規(guī)范。

考慮到傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器對(duì) IoT 的獨(dú)特性、低成本、吞吐量和功耗要求的不利影響，3GPP 在 2015 年發(fā)布其第 13 版本的規(guī)格時(shí)，將調(diào)制解調(diào)器類擴(kuò)展到 LTE類別 M1（LTE-M） 和窄頻 （NB—IoT）。這一舉措鼓勵(lì)開發(fā)用于 IoT 應(yīng)用的 4G LTE 調(diào)制解調(diào)器，這些 IoT 應(yīng)用是使用更高類別單元時(shí)難以實(shí)現(xiàn)的。

LPWAN 大規(guī)模部署

Nordic Semiconductor 和其他企業(yè)認(rèn)為，LTE和 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器是最有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn) LPWAN 的快速大規(guī)模部署和加速 IoT 的發(fā)展的技術(shù)，原因是 LTE 是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，在 RF 頻譜的許可部分運(yùn)行，利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋以及具有共存機(jī)制，這個(gè)共存機(jī)制允許擴(kuò)展每個(gè)基地站的高節(jié)點(diǎn)數(shù)。相比之下，與之競爭的 LPWAN 私有技術(shù)包括由某些公司擁有和控制的組件，當(dāng)其他供貨商采用時(shí)要繳付許可費(fèi)用并限制產(chǎn)品差異化空間，并且在未經(jīng)許可的 RF頻譜分配 （ 通常在低于 1 GHz 頻率 ） 中很難實(shí)現(xiàn)共存性，因?yàn)檫@些頻譜是共享資源。

從 IEEE 802.11 和藍(lán)牙無線等技術(shù)可見，開放標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了新技術(shù)的快速采用。同樣，根據(jù)電訊設(shè)備制造商愛立信等公司和 GSMA 的看法，低功耗 LTE可能帶來“大規(guī)模的 IoT”部署。GSMA 獨(dú)立預(yù)測在2017 年和 2021 年之間，蜂巢式 IoT 市場將以約 27%的復(fù)合年增長率 （CAGR） 成長，愛立信和 GSMA 都認(rèn)為低功耗 LTE 是推動(dòng)這一增長的關(guān)鍵因素。

低功耗 LTE 在全球已分配的許可頻率下運(yùn)行，許可頻譜的優(yōu)勢對(duì)于許多 IoT 應(yīng)用特別有利；其中最關(guān)鍵的是頻譜分配的擁有者 （ 運(yùn)營商 ） 可以控制和區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，并且這些頻段不受其他 RF傳輸源的干擾。其次，由于頻譜分配不與其他 RF廣播共享，因此連接設(shè)備之間的共存更容易管理。LTE 的共存技術(shù)使用了經(jīng)過驗(yàn)證的頻率和時(shí)域解決方案，以及其他機(jī)制，例如沖突射頻訊號(hào)的“自動(dòng)拒絕”。

因此，LTE 可以支持每個(gè)基地站高達(dá) 20 萬個(gè)主動(dòng)式低功率調(diào)制解調(diào)器的節(jié)點(diǎn)密度。最后，利用 LTE協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可避免受到窺探，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)從一開始就融入了先進(jìn)的安全性。這些功能確保運(yùn)營商可以提供可靠性和 QoS 服務(wù)。

相比之下，私有技術(shù)依賴于 RF 頻譜的未許可部分，這些部分必須與許多其他服務(wù)共享。盡管采用了避免干擾的技術(shù)，但由于許多服務(wù)共享頻譜分配，所以很難達(dá)到，更不用說要趕上 LTE 的節(jié)點(diǎn)密度、可靠性和 QoS。私有的 LPWAN 供貨商也面臨著建構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施以支持網(wǎng)絡(luò)的主要挑戰(zhàn)。這些很可能是昂貴和冗長的項(xiàng)目，導(dǎo)致采用速度放慢。

目前，全球 LTE 基礎(chǔ)設(shè)施在很大程度上已經(jīng)在 157 個(gè)國家組成了 480 個(gè)網(wǎng)絡(luò)。為了支持低功耗LTE，需要進(jìn)行一些升級(jí) （ 主要是軟件 ），但與從最初構(gòu)建基礎(chǔ)架構(gòu)相比，這是微不足道的。由于安裝了基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)低功耗 LTE 的支持可能會(huì)迅速增加，進(jìn)一步推動(dòng)其應(yīng)用。一些測試裝置已經(jīng)建成，并且一些國家已經(jīng)有商業(yè)部署。到 2018 年底，全球很大部分地區(qū)將會(huì)被網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

為 IoT 連接產(chǎn)品采用低功耗 LTE 的企業(yè)可以利用這種基礎(chǔ)設(shè)施，而不用承擔(dān)建設(shè)或維護(hù)成本，能夠把資源投放于自己的服務(wù)和商業(yè)模式。

隨著電訊網(wǎng)絡(luò)從 4G 系統(tǒng)向 5G 演進(jìn)，低功耗LTE 也不會(huì)過時(shí)，因?yàn)?3GPP 確保了該技術(shù)的升級(jí)路徑。5G 在幾年后將使用更高的無線頻率 （ 高達(dá)26 GHz） 提供更高的吞吐量，并將為 IoT 帶來更大的發(fā)展動(dòng)力。

專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

LTE-M 和 NB-IoT 產(chǎn)品已經(jīng)開始進(jìn)入市場。Nordic Semiconductor 的芬蘭工程師將其 LTE 技術(shù)與挪威工程師的超低功耗無線技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出符合 3GPP LTE-M 和 NB-IoT 規(guī)范的優(yōu)化蜂巢式IoT 解決方案。

該成果是 nRF91 系列的系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP），一種低功耗的超小型蜂巢式 IoT 解決方案。由于該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)特需求，因此其設(shè)計(jì)人員采用了與傳統(tǒng)蜂巢式模塊完全不同的方法，并添加了蜂巢式市場前所未見的眾多功能。

Nordic nRF91 系列的核心是該公司的低功耗全球多模式 LTE-M / NB-IoT SiP 產(chǎn)品。這些 SiP 在10×16×1.2mm 封裝中整合了調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器、射頻前端、專用應(yīng)用處理器、Flash 內(nèi)存、電源管理以及晶體和被動(dòng)式組件，構(gòu)成一個(gè)完整的低功耗蜂巢式 IoT 系統(tǒng)。

這款SiP產(chǎn)品將傳統(tǒng)蜂巢式模塊的所有優(yōu)點(diǎn)（包括遠(yuǎn)程監(jiān)管和蜂巢式認(rèn)證 ） 整合到一個(gè)小外形尺寸產(chǎn)品中，其面積、厚度和總體封裝體積分別為競爭解決方案的 33%、50% 和 20%。

這個(gè) SiP 使用整合的 Arm Cortex-M33 主處理器，配備用于 Armv8-M 的 TrustZone 和 ArmCryptoCell-310 安全 IP。這樣的安排允許微處理器和系統(tǒng)使用隔離的可信執(zhí)行環(huán)境來保護(hù)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)、固件和周邊系統(tǒng)。與使用外部主機(jī)處理器相比，該解決方案提供了高效率的安全基礎(chǔ)，并減低了尺寸、物料清單 （BOM） 和功耗。

Nordic 與美國的射頻連接解決方案公司 Qorvo合作，作為射頻前端和 SiP 開發(fā)和制造的策略合作伙伴。nRF91 SiP 采用 Qorvo 成熟的 RF 前端、先進(jìn)封裝和 MicroShield 技術(shù)，提供了兼具高性能和低功耗的緊湊型解決方案。由于 Nordic 的多模式 LTE-M / NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器、無 SAW 收發(fā)器以及Qorvo 的訂制化 RF 前端解決方案相互結(jié)合，使得nRF91 系列可利用單一 SiP 型款實(shí)現(xiàn)全球運(yùn)作。

Nordic 低功耗蜂巢式 IoT 解決方案還結(jié)合了蜂巢式和 GPS 技術(shù)的整合輔助 GPS （A-GPS） 技術(shù)，提供了實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位的內(nèi)置定位支持功能。

無處不在的蜂巢式技術(shù)

憑借出色的整合性和對(duì)全球營運(yùn)的預(yù)先認(rèn)證，nRF91 系列 SiP 克服了蜂巢式技術(shù)在 LPWAN 部署中的傳統(tǒng)缺陷，并且滿足了使用蜂巢式技術(shù)所需的全面資質(zhì)要求。

對(duì)于不熟悉蜂巢式工程技術(shù)但想要利用該技術(shù)的開發(fā)人員來說，Nordic 實(shí)施 nRF91 系列 SiP 設(shè)計(jì)的新方式，是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。Nordic 已將其用于低功耗藍(lán)牙解決方案的策略應(yīng)用于這款新產(chǎn)品。借助低功耗藍(lán)牙技術(shù)，Nordic 提供完整的單芯片 （ 無線電加處理器 ） 無線硬件和工廠提供的 RF 協(xié)議堆棧，消除射頻工程的底層復(fù)雜性。通過將 RF 協(xié)議堆棧與應(yīng)用程序軟件分離，可以減輕開發(fā)和除錯(cuò)工作的負(fù)擔(dān)。

雖然目前 nRF91 系列的軟件架構(gòu)仍然處于保密狀態(tài)，但 Nordic 協(xié)助開發(fā)人員的策略仍然是在盡可能簡化編碼和除錯(cuò)無線應(yīng)用的同時(shí)，消除射頻工程的固有復(fù)雜性。這將使所有人都能使用蜂巢式技術(shù)，并鼓勵(lì)那些缺乏無線技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員探索其優(yōu)勢，并發(fā)揮他們的創(chuàng)造力來推出新產(chǎn)品。Nordic 已利用該策略將低功耗藍(lán)牙技術(shù)推廣到全球各地；nRF91 系列 SiP 有望將蜂巢式技術(shù)引入智慧手機(jī)之外的所有領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)同樣的佳績。

現(xiàn)在是分秒必爭。愛立信指出，到 2023 年蜂巢式技術(shù)將迅速擴(kuò)展到助力 18 億 LPWAN 連接設(shè)備中的 75%。

挪威 Telia 等移動(dòng)運(yùn)營商對(duì)該技術(shù)極具興趣，Telia Next 負(fù)責(zé)人 Andreas Carlsson 表示：“LTE-M和 NB-IoT 為 Telia 帶來了前所未有的專用 物聯(lián)網(wǎng)連接需求，因此 Telia 一直是支持 Nordic 半導(dǎo)體開發(fā)新產(chǎn)品的合作伙伴。”