M2M應(yīng)用的興起與挑戰(zhàn)

隨著接入互聯(lián)網(wǎng)的機器(Machine)數(shù)量的增多，甚至超過互聯(lián)網(wǎng)使用的人數(shù)。隨之帶來的是，機器對機器(machine-to-machine，即“M2M”)通信將有望在2013年中歷史性地首次超越人對人通信。通信機器的陣營也日益擴展，包括移動資源管理系統(tǒng)、儀表、機器人、自動售賣機、安全系統(tǒng)、資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)、車輛、緊急呼叫系統(tǒng)等。
如今，各種量產(chǎn)化的低成本計算設(shè)備層出不窮，運行速度越來越快，數(shù)據(jù)收集能力日益增強，而無線接入互聯(lián)網(wǎng)也變得愈發(fā)便捷，聯(lián)網(wǎng)費用越來越低。因此，機器間“對話”的比重將很快超過人與人之間的對話也絲毫不足為奇。 然而，與此同時，IP地址資源也隨之將被耗盡，四十億多個IPv4(互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第4版)地址現(xiàn)已分配完畢。這是否意味著機器已經(jīng)錯過了大好時機?答案是否定的。今后的互聯(lián)網(wǎng)將采用支持2的128次冪個地址的IPv6(互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第6版)，使得全球的IP地址分配綽綽有余。因此，第四代移動網(wǎng)絡(luò)(4G)LTE能夠基于IPv6提供數(shù)據(jù)、語音、視頻等服務(wù)也是意料之中的事情。
這場網(wǎng)絡(luò)變革的動力很簡單，即所有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)并從中獲益的設(shè)備和應(yīng)用最終都將互相連接在一起。這也是手機、筆記本電腦、平板電腦、汽車及游戲設(shè)備等形形色色的“機器”全部具有聯(lián)網(wǎng)功能的原因所在。盡管這些是移動互聯(lián)最顯而易見的應(yīng)用，但人類并不是互聯(lián)網(wǎng)的唯一使用者，還包括飛速增長的無形應(yīng)用:每天都有上百萬臺機器以24×7全天候、無需人工操作的方式進行著數(shù)據(jù)交換，演繹著一場場無聲的“對話”。
只需嵌入低成本的小型(無線)調(diào)試解調(diào)器，任何設(shè)備都可以接入網(wǎng)絡(luò)。具備報告位置、速度或?qū)Ш叫畔⒐δ艿膽?yīng)用還需要全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收器。這兩種元件，外加天線，都可以輕松地配置到比手機還小的設(shè)備上。
當(dāng)下，在電子行業(yè)的各個領(lǐng)域，我們時刻都能看到這樣的情形。
然而，視應(yīng)用不同，要為設(shè)備配以M2M通信能力還需要一些特殊的條件。無論在考慮最初設(shè)計、產(chǎn)品壽命(在進行必要的更換以前該設(shè)備能夠運行的時間)還是地理覆蓋(初始設(shè)計僅可在某一個地區(qū)使用，但現(xiàn)在需要在其他地區(qū)使用)或與無線網(wǎng)絡(luò)必然升級(2G到3G再到4G)的兼容性時，都需要考慮這些條件。
下文將介紹在設(shè)計M2M應(yīng)用時需要考慮的一些重要技術(shù)特性，以及它們將如何影響特定類型設(shè)備的設(shè)計。
1) 耗電量
對于便攜式跟蹤設(shè)備、安全或個人安全設(shè)備而言，充電間隔時間是最重要的特性之一。例如，如果安裝在貨柜上的跟蹤器每天需要充電一次，這樣的間隔就太過頻繁，因為空運或陸運一般需要幾天時間，海運則需要幾周時間。
對于個人跟蹤或健康監(jiān)測等消費設(shè)備以及設(shè)有預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的手機而言，電池持續(xù)時間應(yīng)至少為3天。對此類應(yīng)用的調(diào)制解調(diào)器和GNSS接收器的規(guī)格進行比較時，不僅需要考慮運行/待機耗電量，還需考慮省電模式(如自動啟動功能)及智能省電模式(如無需啟動主處理機自動記錄數(shù)據(jù)功能)。理想的情況是，這些元件能夠在多數(shù)時間處于最低耗電模式并且只在必要時啟動。
2) 蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持性
設(shè)備能在哪些地區(qū)運行呢?隨著全球人員及貨物流動性的增強，調(diào)制解調(diào)器能否在不同的地區(qū)運行成為一個重要的考慮因素(GSM在全球受2個主要頻段支持;UMTS受6個頻段支持;LTE的支持頻段數(shù)量則超過30個)。對于這類應(yīng)用來說，能夠明確設(shè)備的可運行區(qū)域并預(yù)計今后的擴大運行區(qū)域至關(guān)重要。明確了這項要求，便可選定與工作任務(wù)最匹配的無線調(diào)制解調(diào)器。
例如，需要監(jiān)控全球所有地區(qū)貨運情況的資源管理系統(tǒng)應(yīng)配備四頻段GSM調(diào)制解調(diào)器或六頻段UMTS調(diào)制解調(diào)器。至于不常移動的設(shè)備(如住宅電表)，只需一個單頻段就足夠了。其他應(yīng)用則可能需要考慮一些額外的因素。例如，經(jīng)常不被記住所在位置的自動售貨機可以隨時支持“電話撥通”，但它必須配有可在所在地區(qū)運行或定位的調(diào)制解調(diào)器。
3) 運營商認證
所有利用GSM、UMTS或LTE通信的無線設(shè)備都必須在得到運營商的認證之后才能夠訪問其網(wǎng)絡(luò)。嵌在設(shè)備中的調(diào)制解調(diào)器也應(yīng)得到運營商認證，以此簡化認證過程?？上却_認跟蹤裝置運行區(qū)域的調(diào)制解調(diào)器認證列表，再選擇相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器。多數(shù)調(diào)制解調(diào)器廠商均會在其網(wǎng)站上提供運營商認證列表。
4) 無線調(diào)試解調(diào)器的可升級性
盡管僅有少量數(shù)據(jù)通信的遠程儀表應(yīng)用通常需要使用GSM/GPRS，但是將GSM頻段分配給3G和4G服務(wù)已列在考慮范圍內(nèi)。就自動儀表讀取系統(tǒng)而言，要將其加裝在成千上萬的遠程電表上，成本費用十分高昂。因此，著眼于未來的技術(shù)才不失為明智的設(shè)計。這就意味著：無論采用UMTS/HSPA調(diào)制解調(diào)器還是LTE調(diào)制解調(diào)器，或者至少確保硬件設(shè)計不過時，調(diào)制解調(diào)器升級都應(yīng)盡可能地提高成本效益，這也進而引出了下一項特性。
5) 嵌入式調(diào)制解調(diào)器設(shè)計
如今，M2M設(shè)備可能需要適應(yīng)今后出現(xiàn)的新的移動通信標(biāo)準(zhǔn)或GNSS標(biāo)準(zhǔn)，或滿足某一地區(qū)的客戶需求，支持其使用相應(yīng)的波段或衛(wèi)星接收機標(biāo)準(zhǔn)。理想的情形是，只更新原有設(shè)計中的固件、天線和調(diào)制解調(diào)器或GNSS接收器來滿足這一市場要求?，F(xiàn)實情況是，除非嵌入式設(shè)計是廠商產(chǎn)品的固有特性，否則這將是一場噩夢。特別是，印制電路板(PCB)的板面設(shè)計問題可能會產(chǎn)生一連串的昂貴設(shè)計及物流成本問題。
避免此類問題的最好辦法就是使用與所有無線調(diào)制解調(diào)器(GSM、CDMA、UMTS和LTE)模塊或GNSS接收器(GPS、GLONASS、伽利略、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航)模塊設(shè)置兼容的組件。利用這一方案可以使PCB的板面設(shè)計適應(yīng)所有終端產(chǎn)品的變化。這一問題的解決也可以參考以下幾個問題：組件廠商是否支持嵌入式設(shè)計理念?他們的下一代調(diào)制解調(diào)器是否能夠適當(dāng)?shù)匕惭b在當(dāng)前調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品的電路板上?他們是否提供技術(shù)文件支持以幫助完成嵌入式設(shè)計?
6) 帶寬要求
對于如今眾多的追蹤應(yīng)用而言，只需要低帶寬連接就可以支持追蹤及信息收發(fā)功能。如果需要的只是數(shù)據(jù)，簡單的GPRS就可以滿足這一需求。如果需要語音信道，那么至少應(yīng)支持GMS和GPRS。如果需要支持可視監(jiān)控的視頻流，那么UMTS和HSPA則是更好的選擇。對于需要高清視頻、時延最低的應(yīng)用(如遠程醫(yī)療終端)來說，LTE則是技術(shù)首選?？梢源_定的是，未來的追蹤應(yīng)用對帶寬的要求將日益增加。選擇調(diào)制解調(diào)器不僅要根據(jù)現(xiàn)今的需求，還要根據(jù)三至五年后的需求，或是取決于調(diào)制解調(diào)器的可升級性和成本效益(參見上述嵌入式設(shè)計部分的內(nèi)容)。[!--empirenews.page--]
7) 汽車的要求
應(yīng)用在溫度、濕度及震動狀況可能發(fā)生極端變化環(huán)境中的車載系統(tǒng)，應(yīng)采用符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)、在ISO/TS 16949認證地制造、符合汽車使用條件的組件。各組件的質(zhì)量測試應(yīng)符合ISO1675標(biāo)準(zhǔn)——《道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和測驗》。這對于車載設(shè)備、在室外、船只或有軌車上作業(yè)的工業(yè)設(shè)備來說都至關(guān)重要。
8) 支持緊急呼救系統(tǒng)
在新車上配備自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為一種全球性趨勢，這種自動化系統(tǒng)能夠自動發(fā)出事故報告，并能在車輛被盜時輔助找回車輛。美國、歐洲、俄羅斯和巴西均已發(fā)布了支持這類系統(tǒng)的全國性倡議，并逐步成為這些國家的強制要求。這類系統(tǒng)通常需要特定的調(diào)制解調(diào)器——“帶內(nèi)”調(diào)制解調(diào)器。帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器允許數(shù)據(jù)通過語音信道進行傳送，與傳真機通過電話線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硐嗨啤ＵZ音信道的優(yōu)先性高于移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，這也是需要帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器的原因所在。在某種特殊情況下，語音信道的可用性高于數(shù)據(jù)信道的可用性，如GPRS或HSPA等在偏遠地區(qū)可能無法使用。在此情況下，語音信道是向緊急呼救中心傳輸數(shù)據(jù)的重要通信手段。
有關(guān)緊急呼救支持方面的問題，應(yīng)向調(diào)制解調(diào)器廠商咨詢以下問題：是否為帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器?是否同時支持2G和3G網(wǎng)絡(luò)?該調(diào)制解調(diào)器是否適用于汽車應(yīng)用?衛(wèi)星接收器是否支持航位推測?是否可以提供GPS和GLONASS接收器?(見上述相關(guān)內(nèi)容)
9) 輔助定位
對于在市內(nèi)環(huán)境中需要可靠位置信息的M2M應(yīng)用來說，輔助定位系統(tǒng)的可用性應(yīng)在考慮范圍之內(nèi)。尤其是在衛(wèi)星視程容易受到高層建筑物阻礙的城市，可通過調(diào)用遠程A-GPS服務(wù)器來解決丟失定位場景的情況。使用無線調(diào)制解調(diào)器從互聯(lián)網(wǎng)上下載幾字節(jié)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)是一個較為簡單的過程。利用這些輔助數(shù)據(jù)，衛(wèi)星僅需幾秒鐘即可計算出位置，而無需花上30秒鐘接收1500比特的衛(wèi)星幀。
對于低端導(dǎo)航系統(tǒng)等特定應(yīng)用而言，位置信息短暫缺失的情況尚可容忍。而對于其他應(yīng)用來說(如車輛緊急呼救或道路收費系統(tǒng))，即使位置信息發(fā)生了短暫的丟失，造成的后果也將不堪設(shè)想，這使得輔助定位系統(tǒng)成為一項備受關(guān)注的功能。考慮輔助定位時應(yīng)關(guān)注以下幾點：定位(GPS)接收器廠商是否支持在線輔助服務(wù)?服務(wù)是否可靠?是否提供可用性保證?支持哪些地區(qū)?是否包含支持服務(wù)的客戶端軟件?定位接收器及無線調(diào)制解調(diào)器是否具有支持服務(wù)的接口?服務(wù)是否支持GPS和GLONASS?
10) 航位推算支持
能夠準(zhǔn)確記錄位置、航向及速度信息對于車載信息系統(tǒng)(如保險跟蹤系統(tǒng))來說至關(guān)重要。然而，在沒有衛(wèi)星信號的隧道中，需通過平行系統(tǒng)臨時生成位置信息。補充衛(wèi)星信號的一項重要技術(shù)就是航位推測，這一技術(shù)可以根據(jù)車載傳感器輸入的數(shù)據(jù)推測出車輛的位置和速度。
有關(guān)定位接收器應(yīng)明確以下問題：是否支持航位推測?是否可以直接插入到車載CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線來獲取數(shù)據(jù)?是否可以直接與車載傳感器(如回轉(zhuǎn)儀和里程計)連接?廠商是否提供完整、經(jīng)驗證的、帶有評估環(huán)境的系統(tǒng)?組件能否自動升級?(參見下一特性)
11) 室內(nèi)定位
遺憾的是，GPS或其它任何衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都無法用于室內(nèi)。GPS微弱的信號很容易被墻體、金屬、甚至是很薄的水面所阻隔。但這并不意味著需利用資產(chǎn)位置信息的M2M應(yīng)用在沒有空中視景的情況下注定無法運行。對于需要室內(nèi)大致位置信息的應(yīng)用來說，將衛(wèi)星接收器與無線解調(diào)器相結(jié)合、利用2G或3G蜂窩的混合式方案就可以解決這一問題。
GSM或UMTS信號能夠輕松穿透墻體，因此如果已經(jīng)獲悉了移動蜂窩的范圍，就可以根據(jù)蜂窩重疊位置計算出大概的位置信息。與上述輔助定位解決方案相似，這一方案也需要與外部服務(wù)進行無線連接。有關(guān)定位接收器和無線調(diào)制解調(diào)器來源應(yīng)明確以下問題：是否支持此類方案?是已經(jīng)得到驗證還是尙處于理論階段?是否提供線上服務(wù)，線上服務(wù)是否投入運行?選定的衛(wèi)星接收器和無線調(diào)制解調(diào)器是否支持該服務(wù)?精確程度如何?
12) 定位系統(tǒng)的兼容性
早前只有GPS系統(tǒng)是需要考慮的系統(tǒng)。俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)、日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou)和歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)相繼推出后，與GPS及其他衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容性成為一項必須考慮的因素，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，同時滿足各地區(qū)對自身系統(tǒng)兼容性的要求。
通常來講，利用兩種系統(tǒng)進行平行操作將成為產(chǎn)品規(guī)格中不可分割的一部分。例如，俄羅斯的新型ERA-GLONASS車載緊急呼叫系統(tǒng)要求與GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)相兼容。有關(guān)GPS/GNSS接收器應(yīng)明確以下問題：是否提供多種GNSS支持?是否提供并行的GPS/GLONASS或GPS/BeiDou系統(tǒng)?
以上是設(shè)計M2M產(chǎn)品時需要考慮的一些因素。需要注意的是，許多有關(guān)無線和定位的新標(biāo)準(zhǔn)正處于轉(zhuǎn)變過程中，因此，產(chǎn)品在市場上的長期預(yù)期壽命和產(chǎn)品的目標(biāo)市場不容忽視。此外，產(chǎn)品設(shè)計能夠支持下一代性能及網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及產(chǎn)品的輕松升級等問題也同樣至關(guān)重要。