無(wú)線技術(shù)正經(jīng)歷著巨大的變化。 蜂窩市場(chǎng)正在從 3G 向 LTE、LTE Advanced 和 LTE Advanced Pro 轉(zhuǎn)變，以提高數(shù)據(jù)速率并降低功耗，這一切都有賴于下一代 5G 技術(shù)。 這將帶來(lái)許多更高頻率的頻段，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。 此外還將引入當(dāng)前在非許可頻段（例如 Wi-Fi）中使用的其他技術(shù)。

同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商和開(kāi)發(fā)人員密切關(guān)注蜂窩無(wú)線技術(shù)的進(jìn)步，以便為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 提供低成本、可靠且可擴(kuò)展的無(wú)線鏈路。 對(duì)于這些應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)因素是功耗和電池壽命，并且窄帶解決方案目前也不斷涌現(xiàn)。 與此同時(shí)，像藍(lán)牙和 ZigBee 這樣的規(guī)范有了最新發(fā)展，現(xiàn)在也面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用了。 藍(lán)牙 5 承諾以更低的功耗提供更大的覆蓋范圍和更高的數(shù)據(jù)速率，ZigBee 3.0 則以更低的功耗提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

所有這些都會(huì)令設(shè)計(jì)工程師頭疼不已。 為低成本、低功耗全球應(yīng)用選擇無(wú)線協(xié)議可能非常復(fù)雜并且不太穩(wěn)定。

模塊制造商嘗試應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)的方法之一是通過(guò)通用封裝。 例如，Sierra Wireless 為此專門對(duì)其所有無(wú)線開(kāi)發(fā)工作采用模塊化方法。 AirPrime HL 系列中的 2G、3G 和 4G 嵌入式模塊系列提供了器件制造商滿足基本連接要求所需的一切要素。 所有不同蜂窩技術(shù)全部采用一個(gè)通用外形尺寸，并具有小尺寸、低功耗特性和增強(qiáng)的射頻性能。此外，還為美國(guó)的 GPS 和俄羅斯的 GLONASS 衛(wèi)星系統(tǒng)提供 GNSS 導(dǎo)航和全球覆蓋支持選擇。

圖 1：由于無(wú)線模塊具有通用的外形尺寸，因而可以在板上輕松添加各代技術(shù)。

只需一個(gè) PCB 設(shè)計(jì)，設(shè)備制造商就能輕松集成語(yǔ)音和數(shù)據(jù)連接，并在任何無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的任何區(qū)域進(jìn)行部署（如圖 1 所示）。 Sierra 還考慮了在外形尺寸中包含模塊焊接選擇，以提高大批量生產(chǎn)的效率，或在相同焊盤上使用咬接插座，以便為原型開(kāi)發(fā)或小批量生產(chǎn)提供絕佳的靈活性（圖 2）。 利用此咬接插座，設(shè)備制造商可以在生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品生命周期內(nèi)的任何時(shí)間點(diǎn)使用通用封裝部署或更改模塊。

外形尺寸上的通用引腳布局可實(shí)現(xiàn)不同 2G、3G 和 4G 模塊變體之間的向前和向后兼容性。 這意味著，機(jī)械引腳位置可在不同系列之間提供相同功能。 不僅如此，HL 系列的引腳布局還能與 WP 應(yīng)用處理系列兼容。

圖 2：利用咬接插座，任何通用模塊都能在原型系統(tǒng)中完成測(cè)試或用于小批量生產(chǎn)。

但無(wú)線模塊的未來(lái)不只關(guān)乎硬件。 軟件和固件是系統(tǒng)中越來(lái)越重要的一個(gè)組件。 利用 Sierra 基于云的 AirVantage 無(wú)線 （OTA） 服務(wù)，用戶可以直接連接并管理任意規(guī)模的一組遠(yuǎn)程機(jī)器。 這樣可以使用開(kāi)放 M2M 開(kāi)發(fā)工具和標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)器數(shù)據(jù)整合到企業(yè)系統(tǒng)。

Sierra 領(lǐng)導(dǎo)制定標(biāo)準(zhǔn)的 Eclipse 物聯(lián)網(wǎng)工作組，并在 Github 開(kāi)源庫(kù)中提供應(yīng)用程序編程接口 （API），包括 AirVantage API 的 Node.js 示例。 此示例使用 Clojure 中的 Airvantage REST API（即 Go 中一個(gè)簡(jiǎn)單的 OAuth2 + JSon 客戶端）從 AirVantage 收集網(wǎng)關(guān)列表以及收集從 Ruby、PHP 和 Java 訪問(wèn) AirVantage API 的方式；此外還使用一個(gè)輕便、靈活的 Shell 腳本，實(shí)現(xiàn)與 AirVantage M2M 云 API 在命令行中進(jìn)行交互。

類似地，NimbeLink 的 Skywire LTE CAT1 調(diào)制解調(diào)器面向長(zhǎng)壽命的應(yīng)用，因此必須考慮不斷變化的無(wú)線技術(shù)。 此調(diào)制解調(diào)器采用與 Skywire 系列相同的小尺寸和 XBEE 接口，并與 NimbeLink 的開(kāi)發(fā)套件及微處理器擴(kuò)展板兼容，可快速、輕松地將蜂窩連接集成到產(chǎn)品中。 使用 XBEE 的標(biāo)準(zhǔn)接口可簡(jiǎn)化到其他蜂窩技術(shù)的遷移過(guò)程，并能隨著新技術(shù)的成熟而延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

蜂窩領(lǐng)域很清楚來(lái)自非許可技術(shù)（例如藍(lán)牙、Wi-Fi 和 ZigBee）的威脅，因此一直致力于建立自己的低數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)。 第 13 版 3GPP 規(guī)范就包含了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（LTE Cat. NB1）標(biāo)準(zhǔn)，首次面向物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放蜂窩網(wǎng)絡(luò)的使用。

這讓蜂窩模塊在智能建筑和城市、公用事業(yè)計(jì)量、白色家電、資產(chǎn)跟蹤以及農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用中擁有 10 至 20 年的電池壽命。 沃達(dá)豐、德國(guó)電信和華為在智能計(jì)量和停車應(yīng)用中的試驗(yàn)已證明，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)效率高于 GPRS。 NB-IoT 模塊將于 2016 年下半年上市，其峰值下行速率高達(dá) 227 kbps，上行速率高達(dá) 21 kbps，并將功耗保持在低水平，可提供十到二十年的電池壽命。 同時(shí)支持三個(gè)射頻 （RF） 頻帶意味著同一模塊可用于大多數(shù)地理區(qū)域。

LTE 發(fā)展 窄帶解決方案 下一代 LTE-M 13 版 NB-LTE 13 版 EC-GSM 13 版 5G 范圍（室外） 《 11 km 《 15 km 《 15 km 《 15 km MCL 156 dB 164 dB 164 dB 164 dB 頻譜 已許可

（7-900 MHz） 已許可

（7-900 MHz） 已許可

（8-900 MHz） 已許可

（7-900 MHz） 帶寬 1.4 MHz 或共享 200 kHz 或共享 2.4 MHz 或共享 共享 數(shù)據(jù)速率 《 1 Mbps 《 150 kbps 10 kbps 《 1 Mbps 電池壽命 》 10 年 》 10 年 》 10 年 》 10 年 上市時(shí)間 2016 年 2016 年 2016 年 2025 年

圖 3：窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將于 2016 年下半年發(fā)布（來(lái)源：3GPP）

NB-IoT 降低了設(shè)備復(fù)雜性，操作功耗超低，并且每個(gè)蜂窩單元可支持多達(dá) 150，000 個(gè)設(shè)備。 最重要的是，相比 GPRS，該技術(shù)可提供 20 dB 的鏈路預(yù)算改進(jìn)，能夠在地下或建筑物內(nèi)部等覆蓋不良的條件下提供出色的性能。

但是，非許可頻帶的無(wú)線技術(shù)也在不斷發(fā)展中。 藍(lán)牙 5 承諾提供四倍于目前版本的覆蓋范圍以及兩倍的帶寬，以創(chuàng)建“無(wú)連接”的物聯(lián)網(wǎng)。 藍(lán)牙 5 解決了舊版本在物聯(lián)網(wǎng)中部署遭遇的一些難題。

這一新技術(shù)將在 2016 年下半年或 2017 年年初發(fā)布，采用此技術(shù)的模塊覆蓋范圍相比當(dāng)前版本大幅增加四倍，最高可達(dá) 50 米，速度可達(dá) 2 Mb/s。 擴(kuò)大覆蓋范圍將提供穩(wěn)定可靠的物聯(lián)網(wǎng)連接，使全家、建筑物和戶外應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，同時(shí)，更高的速度可更快發(fā)送數(shù)據(jù)并優(yōu)化響應(yīng)能力。

但該技術(shù)在硅和模塊中的實(shí)現(xiàn)將決定總功耗和電池壽命。

此外還有相關(guān)的計(jì)劃，進(jìn)一步通過(guò)這些硬件模塊剝離物聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性，并實(shí)現(xiàn)智能家居即服務(wù) （SHaaS） 模式。 由于單個(gè)傳感器可用于多種應(yīng)用，因而可減少需要的傳感器總數(shù)和維護(hù)工作并降低冗余度。 例如，運(yùn)動(dòng)傳感器可用于安防系統(tǒng)、照明控制、家居環(huán)境管理、娛樂(lè)選擇、家庭生活方式，甚至用于喂養(yǎng)家庭寵物。

圖 4： 除了通信層的可用射頻標(biāo)準(zhǔn)外，應(yīng)用層也存在大量的競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)。

SHaaS 無(wú)需構(gòu)建您自己的網(wǎng)絡(luò)便能提供一系列服務(wù)，用于分析智能家居傳感器的輸入，學(xué)習(xí)家庭生活及家居使用方式，并做出明智的決定，從而提高家庭舒適度、安全性和能源效率。

家中傳感器提供的信息將由本地中樞以無(wú)線方式收集，并安全地傳輸至負(fù)責(zé)收集和分析數(shù)據(jù)的智能云服務(wù)。 在初始安裝后，云端算法只需一到兩周的時(shí)間便能為應(yīng)用累積足夠的數(shù)據(jù)，以“學(xué)習(xí)”家庭生活方式，并能在發(fā)生突發(fā)或劇變事件時(shí)發(fā)送提示。

所有服務(wù)需要整合到一個(gè)采用單一用戶界面的易用型儀表板，同時(shí)服務(wù)提供商會(huì)處理客戶支持、計(jì)費(fèi)、用戶管理以及軟件和服務(wù)升級(jí)及更改。

這使智能家居變得易于使用、便于管理，并且能有效地為居民提供安全、保障和舒適環(huán)境，更能為服務(wù)提供商提供有價(jià)值的收入來(lái)源。 設(shè)備和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要合作開(kāi)發(fā)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)智能，才能打造出這一水準(zhǔn)的服務(wù)。

結(jié)論

應(yīng)用與技術(shù)一樣，對(duì)無(wú)線模塊未來(lái)的影響巨大，并且在這一發(fā)展過(guò)程中，軟件正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 NB-IoT 等新硬件標(biāo)準(zhǔn)提供了諸多優(yōu)勢(shì)，輔以通用的模塊封裝，令無(wú)線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單。 復(fù)雜性隨之轉(zhuǎn)移到模塊中的軟件上，加上 OTA 更新以及與應(yīng)用的集成，將創(chuàng)造出像智能家居即服務(wù)這樣的全新市場(chǎng)。