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为什么低功耗的蜂巢式技术将可支撑物联网?

发布时间:2018-08-16 点击数:205

      

       蜂巢式技术一直以来仅用于移动和工业 M2M 应用,然而一种全新的蜂巢式调制解调器即将带来改变
       第一代 (1G) 蜂巢式通讯在 20 世 纪 70年代面世。虽然以模拟系统处理通讯和手机不仅费时失事并且昂贵,但是这个理念得到落实发展,到 1990 年全球用户数量达到了 2000万。时至今日,这个行业已发展了 28 年,根据代表移动运营商利益的 GSM 协会 (GSMA) 指出,移动电讯用户群现已超过 50 亿。而最新一代蜂巢式技术 4G LTE 在全球70 多个国家的市场渗透率已超过 50%,甚至实现了十年前还无法想象的低价格高画质串流媒体服务。
       蜂巢式技术的持续发展和成熟,使得工程师能够优化这种技术,以满足消费者和企业对普遍性、可靠性、安全性和易用性的需求,它还为运营商提供了收入和时间来建设和加强庞大基础设施以支持全球覆盖。
       蜂巢式技术的覆盖范围比任何其他无线技术更好,其可靠性来自运营商和设备制造商在多年来不断进行的技术改进和激烈竞争。对构建无线传输系统的工程师而言,安全性是主要考虑因素,也是蜂巢式网络的端至端优先级。蜂巢式技术内建高传输量以满足数百万用户接取串流视讯和其他数据密集型服务的需求。强大的通讯协议以及用于蜂巢式通讯的频谱分配的监管、许可和管理所实现的质量服务保证 (QoS),进一步强化了这些优势。
       蜂巢式技术的众多优势已经引起了负责建设物联网 (IoT) 的工程师所注意。蜂巢式技术有望把远程低功耗广域网 (LPWAN) 的 IoT 传感器直接连接到云端。另外,蜂巢式技术可以用作 LPWAN 的基础,而 LPWAN 可充当由低功耗蓝牙或 Thread 等短距离无线技术支持的局域网络 (LAN) 的云端网关。但是在愿景变为现实之前,还有一些工作要进行。
用于物联网应用的调制解调器
       高传输量的蜂巢式技术非常复杂且昂贵,硬件体积庞大且耗电巨大。消费者愿意承担成本并每天为手机充电,因为该技术能无缝接取他们渴望的服务;但是对于 IoT 工程师来说,高传输量蜂巢式技术的高成本、复杂性和功耗,令他们难以建立由数百个紧凑型电池供电的传感器网络,这些传感器是组成 IoT 的组件。
      然而,蜂巢式调制解调器已经找到了将昂贵的远程资产连接到云端的利基市场。例如,用于控制智慧配电网的农村智能电子设备 (IED) 会定时通过蜂巢式调制解调器将信息发送回控制中心。像火车站等公共场所的自动售货机之类的商业设备的运营商,可以使用蜂巢式调制解调器将信息发送回总部,而毋须派遣员工以人手检查库存,从而降低营运成本。蜂巢式调制解调器也很受保全公司的欢迎,因为他们不能冒险采用诸如 Wi-Fi 等可靠性较低的无线技术。
      但是用于这些应用的调制解调器不适合 IoT。首先,许多 IoT 使用正在逐步淘汰的传统 2G 网络,这些2G 技术无法高效率地利用它们所获分配的频谱,而这些频谱是 4G 和即将到来的 5G 流量非常需要的,因此,这些旧技术实际上到 2025 年前便会消失。其次,蜂巢式 2G、3G 和 4G LTE 调制解调器很贵,体积庞大且功耗很大。因为它们必须设计为符合电讯标准协会的第三代合作伙伴计划 (3GPP) 之中,用于更高类别 ( 更高吞吐量 ) 操作的规范。
      考虑到传统调制解调器对 IoT 的独特性、低成本、吞吐量和功耗要求的不利影响,3GPP 在 2015 年发布其第 13 版本的规格时,将调制解调器类扩展到 LTE类别 M1(LTE-M) 和窄频 (NB—IoT)。这一举措鼓励开发用于 IoT 应用的 4G LTE 调制解调器,这些 IoT 应用是使用更高类别单元时难以实现的。
LPWAN 大规模部署
      Nordic Semiconductor 和其他企业认为,LTE和 NB-IoT 调制解调器是最有机会实现 LPWAN 的快速大规模部署和加速 IoT 的发展的技术,原因是 LTE 是一个开放的标准,在 RF 频谱的许可部分运行,利用现有基础设施覆盖以及具有共存机制,这个共存机制允许扩展每个基地站的高节点数。相比之下,与之竞争的 LPWAN 私有技术包括由某些公司拥有和控制的组件,当其他供货商采用时要缴付许可费用并限制产品差异化空间,并且在未经许可的 RF频谱分配 ( 通常在低于 1 GHz 频率 ) 中很难实现共存性,因为这些频谱是共享资源。
      从 IEEE 802.11 和蓝牙无线等技术可见,开放标准促进了新技术的快速采用。同样,根据电讯设备制造商爱立信等公司和 GSMA 的看法,低功耗 LTE可能带来“大规模的 IoT”部署。GSMA 独立预测在2017 年和 2021 年之间,蜂巢式 IoT 市场将以约 27%的复合年增长率 (CAGR) 成长,爱立信和 GSMA 都认为低功耗 LTE 是推动这一增长的关键因素。
       低功耗 LTE 在全球已分配的许可频率下运行,许可频谱的优势对于许多 IoT 应用特别有利;其中最关键的是频谱分配的拥有者 ( 运营商 ) 可以控制和区分数据的优先级,并且这些频段不受其他 RF传输源的干扰。其次,由于频谱分配不与其他 RF广播共享,因此连接设备之间的共存更容易管理。LTE 的共存技术使用了经过验证的频率和时域解决方案,以及其他机制,例如冲突射频讯号的“自动拒绝”。
       因此,LTE 可以支持每个基地站高达 20 万个主动式低功率调制解调器的节点密度。最后,利用 LTE协议传输的数据可避免受到窥探,因为该标准从一开始就融入了先进的安全性。这些功能确保运营商可以提供可靠性和 QoS 服务。
       相比之下,私有技术依赖于 RF 频谱的未许可部分,这些部分必须与许多其他服务共享。尽管采用了避免干扰的技术,但由于许多服务共享频谱分配,所以很难达到,更不用说要赶上 LTE 的节点密度、可靠性和 QoS。私有的 LPWAN 供货商也面临着建构基础设施以支持网络的主要挑战。这些很可能是昂贵和冗长的项目,导致采用速度放慢。
       目前,全球 LTE 基础设施在很大程度上已经在 157 个国家组成了 480 个网络。为了支持低功耗LTE,需要进行一些升级 ( 主要是软件 ),但与从最初构建基础架构相比,这是微不足道的。由于安装了基础设施,对低功耗 LTE 的支持可能会迅速增加,进一步推动其应用。一些测试装置已经建成,并且一些国家已经有商业部署。到 2018 年底,全球很大部分地区将会被网络覆盖。
       为 IoT 连接产品采用低功耗 LTE 的企业可以利用这种基础设施,而不用承担建设或维护成本,能够把资源投放于自己的服务和商业模式。
       随着电讯网络从 4G 系统向 5G 演进,低功耗LTE 也不会过时,因为 3GPP 确保了该技术的升级路径。5G 在几年后将使用更高的无线频率 ( 高达26 GHz) 提供更高的吞吐量,并将为 IoT 带来更大的发展动力。
专为物联网设计
       LTE-M 和 NB-IoT 产品已经开始进入市场。Nordic Semiconductor 的芬兰工程师将其 LTE 技术与挪威工程师的超低功耗无线技术相结合,设计出符合 3GPP LTE-M 和 NB-IoT 规范的优化蜂巢式IoT 解决方案。
       该成果是 nRF91 系列的系统级封装 (SiP),一种低功耗的超小型蜂巢式 IoT 解决方案。由于该产品的设计旨在满足物联网的独特需求,因此其设计人员采用了与传统蜂巢式模块完全不同的方法,并添加了蜂巢式市场前所未见的众多功能。
       Nordic nRF91 系列的核心是该公司的低功耗全球多模式 LTE-M / NB-IoT SiP 产品。这些 SiP 在10×16×1.2mm 封装中整合了调制解调器、收发器、射频前端、专用应用处理器、Flash 内存、电源管理以及晶体和被动式组件,构成一个完整的低功耗蜂巢式 IoT 系统。
       这款SiP产品将传统蜂巢式模块的所有优点(包括远程监管和蜂巢式认证 ) 整合到一个小外形尺寸产品中,其面积、厚度和总体封装体积分别为竞争解决方案的 33%、50% 和 20%。
       这个 SiP 使用整合的 Arm Cortex-M33 主处理器,配备用于 Armv8-M 的 TrustZone 和 ArmCryptoCell-310 安全 IP。这样的安排允许微处理器和系统使用隔离的可信执行环境来保护应用程序数据、固件和周边系统。与使用外部主机处理器相比,该解决方案提供了高效率的安全基础,并减低了尺寸、物料清单 (BOM) 和功耗。
       Nordic 与美国的射频连接解决方案公司 Qorvo合作,作为射频前端和 SiP 开发和制造的策略合作伙伴。nRF91 SiP 采用 Qorvo 成熟的 RF 前端、先进封装和MicroShield 技术,提供了兼具高性能和低功耗的紧凑型解决方案。由于 Nordic 的多模式 LTE-M / NB-IoT 调制解调器、无 SAW 收发器以及Qorvo 的订制化 RF 前端解决方案相互结合,使得nRF91 系列可利用单一 SiP 型款实现全球运作。
       Nordic 低功耗蜂巢式 IoT 解决方案还结合了蜂巢式和 GPS 技术的整合辅助 GPS (A-GPS) 技术,提供了实现快速准确定位的内置定位支持功能。
无处不在的蜂巢式技术
       凭借出色的整合性和对全球营运的预先认证,nRF91 系列 SiP 克服了蜂巢式技术在 LPWAN 部署中的传统缺陷,并且满足了使用蜂巢式技术所需的全面资质要求。
       对于不熟悉蜂巢式工程技术但想要利用该技术的开发人员来说,Nordic 实施 nRF91 系列 SiP 设计的新方式,是一个关键优势。Nordic 已将其用于低功耗蓝牙解决方案的策略应用于这款新产品。借助低功耗蓝牙技术,Nordic 提供完整的单芯片 ( 无线电加处理器 ) 无线硬件和工厂提供的 RF 协议堆栈,消除射频工程的底层复杂性。通过将 RF 协议堆栈与应用程序软件分离,可以减轻开发和除错工作的负担。
       虽然目前 nRF91 系列的软件架构仍然处于保密状态,但 Nordic 协助开发人员的策略仍然是在尽可能简化编码和除错无线应用的同时,消除射频工程的固有复杂性。这将使所有人都能使用蜂巢式技术,并鼓励那些缺乏无线技术经验的开发人员探索其优势,并发挥他们的创造力来推出新产品。Nordic 已利用该策略将低功耗蓝牙技术推广到全球各地;nRF91 系列 SiP 有望将蜂巢式技术引入智慧手机之外的所有领域,实现同样的佳绩。
       现在是分秒必争。爱立信指出,到 2023 年蜂巢式技术将迅速扩展到助力 18 亿 LPWAN 连接设备中的 75%。
挪威 Telia 等移动运营商对该技术极具兴趣,Telia Next 负责人 Andreas Carlsson 表示:“LTE-M和 NB-IoT 为 Telia 带来了前所未有的专用 物联网连接需求,因此 Telia 一直是支持 Nordic 半导体开发新产品的合作伙伴。”

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