作者：Richard Quinnell，主編

物聯(lián)網(wǎng)中的許多設(shè)備都使用 Wi-Fi 作為與云的鏈接，但有許多應(yīng)用程序需要 Wi-Fi 無法提供的移動性和廣域連接。對于此類應(yīng)用，提供了各種低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 技術(shù)，但大多數(shù)都需要創(chuàng)建專有服務(wù)網(wǎng)絡(luò)以提供廣泛的覆蓋范圍?，F(xiàn)在，蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)正在對現(xiàn)有的 LTE 服務(wù)實(shí)施一種變體，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的 LPWAN 需求，而預(yù)先認(rèn)證的模塊是設(shè)計(jì)人員尋求快速進(jìn)入此類應(yīng)用空間的關(guān)鍵。

只要設(shè)備保持在網(wǎng)絡(luò)的典型 50 米范圍內(nèi)，廣受歡迎的 Wi-Fi 就適用于廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。甚至可以將范圍擴(kuò)大到一公里左右。但是有許多現(xiàn)有和潛在的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序需要比 Wi-Fi 提供更多的位置和移動自由度。其中大部分還必須由電池供電，這是對耗電 Wi-Fi 的第二次打擊。這些應(yīng)用需要的是低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)。

為了讓電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)離接入點(diǎn)并在廣闊的——甚至洲際——的距離上自由漫游，出現(xiàn)了許多替代的 LPWAN 技術(shù)。其中包括 LoRa、Sigfox 和 Weightless 等選項(xiàng)。但它們都有相同的缺點(diǎn)：它們的使用取決于首先建立一個覆蓋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的地理區(qū)域的接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在大多數(shù)情況下，這些 LPWAN 替代方案只建立了覆蓋范圍非常有限的網(wǎng)絡(luò)。許多替代方案不允許設(shè)備輕松地從一個接入點(diǎn)漫游到另一個接入點(diǎn)。

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然而，有一種類型的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋了世界的廣大地區(qū)并支持在接入點(diǎn)之間漫游而不會失去連接：蜂窩電話。蜂窩連接支持的自由導(dǎo)致了許多不同的嘗試?yán)镁W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通信。一些應(yīng)用程序使用搭載用戶手機(jī)的方法連接到云，但這有很多限制，其中最重要的是要求活動電話需要始終在附近。其他人只是簡單地將手機(jī)功能內(nèi)置到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，但這種方法有其自身的局限性。蜂窩網(wǎng)絡(luò)最初不是為支持?jǐn)?shù)據(jù)流量而設(shè)計(jì)的，因此功率要求、呼叫設(shè)置復(fù)雜性和連接成本都是問題。

不過，蜂窩行業(yè)一直在努力解決這些問題，尤其是在 2016 年采用3GPP 第 13 版后，這為將物聯(lián)網(wǎng)引入蜂窩行業(yè)的長期演進(jìn) (LTE) 計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)。Release 13 有兩種方法在 LTE 網(wǎng)絡(luò)上提供物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化連接：LTE 類別-M1，也稱為 LTE CAT-M 和 LTE-M，以及 LTE 類別-M2，也稱為 CAT-NB1 或簡稱窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。這些是現(xiàn)有蜂窩技術(shù)的變體，支持需要相對不頻繁的、面向塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，而不是智能手機(jī)數(shù)據(jù)的連續(xù)流。與以前的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)相比，它們在建立連接時需要更少的握手和開銷，并且平均能量消耗也更少。事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括允許設(shè)備在電池上實(shí)現(xiàn) 10 年的使用壽命。與其他蜂窩物聯(lián)網(wǎng)相比，這些 LTE 選項(xiàng)與服務(wù)提供商的連接成本也低得多。

目前正在建立對 CAT-M 和 NB-IoT 的網(wǎng)絡(luò)支持，其中 CAT-M 在北美占主導(dǎo)地位，NB-IoT 在世界其他地方越來越受歡迎。在美國，蜂窩服務(wù)提供商 Verizon 正在擴(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)的 CAT-M 覆蓋范圍，AT&T 和 T-Mobile 緊隨其后。到 2020 年，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員將可以使用這種方法訪問近乎大陸的覆蓋范圍。

但是，利用這一機(jī)會將設(shè)計(jì)推向市場是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。任何通過 FCC 認(rèn)證為其無線設(shè)備工作的人都知道，需要相當(dāng)多的射頻專業(yè)知識才能確保產(chǎn)品通過所有合規(guī)性測試。使用蜂窩連接時，問題會加倍。蜂窩服務(wù)提供商還要求在允許設(shè)備連接之前，對設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)證以與他們的網(wǎng)絡(luò)一起使用，并且他們的測試與 FCC 認(rèn)證不同。此外，服務(wù)提供商都有略微不同的專門針對其網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證要求。

LTE CAT-M 模塊簡化了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)到目前為止，滿足所有這些認(rèn)證的最簡單、最便宜和最快的方法是圍繞已經(jīng)獲得 FCC 和運(yùn)營商認(rèn)證的 CAT-M 調(diào)制解調(diào)器模塊構(gòu)建設(shè)備。幸運(yùn)的是，許多這樣的調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)可用，而且還會有更多。但是，找到正確的模塊需要開發(fā)人員仔細(xì)考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)。

模塊提供由監(jiān)管機(jī)構(gòu)和運(yùn)營商預(yù)先認(rèn)證的插入式蜂窩連接。圖片來源：金雅拓。

其中之一當(dāng)然是功率要求，這反過來又決定了電池壽命。但是，如果不了解所需的無線電范圍、數(shù)據(jù)處理要求、每條消息交換的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)速率（這會影響發(fā)送消息所需的時間）以及消息的頻率等應(yīng)用特性，就很難指定功率要求將被發(fā)送。該調(diào)制解調(diào)器可以提供電源管理功能，例如第 13 版的省電模式 (PSM) 和擴(kuò)展的非連續(xù)接收 (eDRX) 功能，該功能允許設(shè)備長時間休眠而不會丟失與網(wǎng)絡(luò)的鏈接。

為了了解設(shè)計(jì)的電池壽命，開發(fā)人員需要查看這些系統(tǒng)因素以及模塊屬性，例如睡眠模式電流、有源接收器電流、有源傳輸電流、從睡眠模式轉(zhuǎn)換到活動模式所花費(fèi)的時間，等等。對地理定位信息的需求還可能需要對模塊可能包括的任何全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 接收器進(jìn)行功率評估。

除了計(jì)算設(shè)計(jì)的平均功耗外，開發(fā)人員還需要注意峰值功率需求并相應(yīng)地規(guī)劃他們的系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)射器處于活動狀態(tài)時，根據(jù)平均功率使用提供較長工作壽命的電池可能無法很好地提供電流浪涌。在設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中可能需要一個補(bǔ)充儲能系統(tǒng)，例如超級電容器。

然后是需要考慮的無線電要求。無線電將在其上運(yùn)行的頻道以及運(yùn)營商認(rèn)證對于確保模塊在產(chǎn)品的目標(biāo)地理區(qū)域內(nèi)發(fā)揮作用至關(guān)重要。對于那些尋求全球運(yùn)營的人來說，一個模塊支持 NB-IoT 以及 CAT-M 的能力將很重要。諸如最大發(fā)射功率和接收器靈敏度之類的因素也會影響到鏈路預(yù)算計(jì)算，從而確定模塊與蜂窩塔的有效范圍。

開發(fā)人員還應(yīng)檢查其系統(tǒng)所需的 CAT-M 調(diào)制解調(diào)器類型。有些只是用作主機(jī)應(yīng)用處理器的 IO 外圍設(shè)備的收發(fā)器。其他人則擁有處理和 IO 資源來充當(dāng)調(diào)制解調(diào)器和應(yīng)用處理器。檢查調(diào)制解調(diào)器提供的接口將有助于揭示模塊可以服務(wù)的方式，模塊大小將顯示它是否滿足產(chǎn)品的空間限制。

為了讓您開始為您的應(yīng)用尋找合適的模塊，EP 準(zhǔn)備了一份選擇指南。您可以使用下面的鏈接下載完整版本。

有許多運(yùn)營商認(rèn)證的模塊可供開發(fā)人員基本上投入到他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，還有一些芯片組，更雄心勃勃的開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以使用這些芯片組創(chuàng)建自己的 LTE CAT-M 調(diào)制解調(diào)器。為了讓您開始搜索，EP 準(zhǔn)備了一個代表性模塊產(chǎn)品的摘要圖表，您可以使用本文末尾的鏈接下載該圖表（需要 EP 注冊）。開發(fā)人員還可以查看提供 LTE CAT-M 服務(wù)的運(yùn)營商的網(wǎng)站，例如AT&T或Verizon，以獲取他們已為其網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證的模塊列表。

但請注意，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是一個移動的目標(biāo)。第 13 版定義了系統(tǒng)所需的基本操作，但仍在不斷添加。例如，一些模塊現(xiàn)在支持 LTE 語音 (VoLTE)，這將允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為其用戶提供語音通道。模塊制造商 Sequans Communications 正在與軟件公司合作?PoLTE Corporation將嵌入不依賴于 GNSS 的定位技術(shù)。毫無疑問，更多的增強(qiáng)功能正在進(jìn)行中。

但是，如果您要趕上 LTE CAT-M 模塊將支持的遠(yuǎn)程移動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的初始浪潮，那么現(xiàn)在是開始的時候了。幸運(yùn)的是，許多模塊供應(yīng)商以及其他供應(yīng)商都提供開發(fā)工具包，允許在網(wǎng)絡(luò)完成構(gòu)建時對該技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。并非每個移動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都需要蜂窩連接，但在需要時，這些 LTE CAT-M 模塊可以幫助加速設(shè)計(jì)進(jìn)入市場。

審核編輯 黃昊宇