蜂巢式技術一直以來僅用于移動和工業(yè) M2M 應用，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 70年代面世。雖然以模擬系統(tǒng)處理通訊和手機不僅費時失事并且昂貴，但是這個理念得到落實發(fā)展，到 1990 年全球用戶數(shù)量達到了 2000萬。時至今日，這個行業(yè)已發(fā)展了 28 年，根據(jù)代表移動運營商利益的 GSM 協(xié)會 （GSMA） 指出，移動電訊用戶群現(xiàn)已超過 50 億。而最新一代蜂巢式技術 4G LTE 在全球70 多個國家的市場滲透率已超過 50%，甚至實現(xiàn)了十年前還無法想象的低價格高畫質(zhì)串流媒體服務。

蜂巢式技術

蜂巢式技術的持續(xù)發(fā)展和成熟，使得工程師能夠優(yōu)化這種技術，以滿足消費者和企業(yè)對普遍性、可靠性、安全性和易用性的需求，它還為運營商提供了收入和時間來建設和加強龐大基礎設施以支持全球覆蓋。

蜂巢式技術的覆蓋范圍比任何其他無線技術更好，其可靠性來自運營商和設備制造商在多年來不斷進行的技術改進和激烈競爭。對構建無線傳輸系統(tǒng)的工程師而言，安全性是主要考慮因素，也是蜂巢式網(wǎng)絡的端至端優(yōu)先級。蜂巢式技術內(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)密集型服務的需求。強大的通訊協(xié)議以及用于蜂巢式通訊的頻譜分配的監(jiān)管、許可和管理所實現(xiàn)的質(zhì)量服務保證 （QoS），進一步強化了這些優(yōu)勢。

蜂巢式技術的眾多優(yōu)勢已經(jīng)引起了負責建設物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的工程師所注意。蜂巢式技術有望把遠程低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN） 的 IoT 傳感器直接連接到云端。另外，蜂巢式技術可以用作 LPWAN 的基礎，而 LPWAN 可充當由低功耗藍牙或 Thread 等短距離無線技術支持的局域網(wǎng)絡 （LAN） 的云端網(wǎng)關。但是在愿景變?yōu)楝F(xiàn)實之前，還有一些工作要進行。

用于物聯(lián)網(wǎng)應用的調(diào)制解調(diào)器

高傳輸量的蜂巢式技術非常復雜且昂貴，硬件體積龐大且耗電巨大。消費者愿意承擔成本并每天為手機充電，因為該技術能無縫接取他們渴望的服務；但是對于 IoT 工程師來說，高傳輸量蜂巢式技術的高成本、復雜性和功耗，令他們難以建立由數(shù)百個緊湊型電池供電的傳感器網(wǎng)絡，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)村智能電子設備 （IED） 會定時通過蜂巢式調(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售貨機之類的商業(yè)設備的運營商，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，從而降低營運成本。蜂巢式調(diào)制解調(diào)器也很受保全公司的歡迎，因為他們不能冒險采用諸如 Wi-Fi 等可靠性較低的無線技術。

但是用于這些應用的調(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，這些2G 技術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，這些舊技術實際上到 2025 年前便會消失。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。因為它們必須設計為符合電訊標準協(xié)會的第三代合作伙伴計劃 （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 IoT 的獨特性、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，將調(diào)制解調(diào)器類擴展到 LTE類別 M1（LTE-M） 和窄頻 （NB—IoT）。這一舉措鼓勵開發(fā)用于 IoT 應用的 4G LTE 調(diào)制解調(diào)器，這些 IoT 應用是使用更高類別單元時難以實現(xiàn)的。

LPWAN大規(guī)模部署

我們和其他企業(yè)認為，LTE和 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器是最有機會實現(xiàn) LPWAN 的快速大規(guī)模部署和加速 IoT 的發(fā)展的技術，原因是 LTE 是一個開放的標準，在 RF 頻譜的許可部分運行，利用現(xiàn)有基礎設施覆蓋以及具有共存機制，這個共存機制允許擴展每個基地站的高節(jié)點數(shù)。相比之下，與之競爭的 LPWAN 私有技術包括由某些公司擁有和控制的組件，當其他供貨商采用時要繳付許可費用并限制產(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 ） 中很難實現(xiàn)共存性，因為這些頻譜是共享資源。

從 IEEE 802.11 和藍牙無線等技術可見，開放標準促進了新技術的快速采用。同樣，根據(jù)電訊設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 獨立預測在2017 年和 2021 年之間，蜂巢式 IoT 市場將以約 27%的復合年增長率 （CAGR） 成長，愛立信和 GSMA 都認為低功耗 LTE 是推動這一增長的關鍵因素。

低功耗 LTE 在全球已分配的許可頻率下運行，許可頻譜的優(yōu)勢對于許多 IoT 應用特別有利；其中最關鍵的是頻譜分配的擁有者 （ 運營商 ） 可以控制和區(qū)分數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，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，因此連接設備之間的共存更容易管理。LTE 的共存技術使用了經(jīng)過驗證的頻率和時域解決方案，以及其他機制，例如沖突射頻訊號的“自動拒絕”。

因此，LTE 可以支持每個基地站高達 20 萬個主動式低功率調(diào)制解調(diào)器的節(jié)點密度。最后，利用 LTE協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可避免受到窺探，因為該標準從一開始就融入了先進的安全性。這些功能確保運營商可以提供可靠性和 QoS 服務。

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

目前，全球 LTE 基礎設施在很大程度上已經(jīng)在 157 個國家組成了 480 個網(wǎng)絡。為了支持低功耗LTE，需要進行一些升級 （ 主要是軟件 ），但與從最初構建基礎架構相比，這是微不足道的。由于安裝了基礎設施，對低功耗 LTE 的支持可能會迅速增加，進一步推動其應用。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)將會被網(wǎng)絡覆蓋。

為 IoT 連接產(chǎn)品采用低功耗 LTE 的企業(yè)可以利用這種基礎設施，而不用承擔建設或維護成本，能夠把資源投放于自己的服務和商業(yè)模式。

隨著電訊網(wǎng)絡從 4G 系統(tǒng)向 5G 演進，低功耗LTE 也不會過時，因為 3GPP 確保了該技術的升級路徑。5G 在幾年后將使用更高的無線頻率 （ 高達26 GHz） 提供更高的吞吐量，并將為 IoT 帶來更大的發(fā)展動力。

專為物聯(lián)網(wǎng)設計

LTE-M 和 NB-IoT 產(chǎn)品已經(jīng)開始進入市場。我們Nordic 的芬蘭工程師將其 LTE 技術與挪威工程師的超低功耗無線技術相結合，設計出符合 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)品的設計旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)的獨特需求，因此其設計人員采用了與傳統(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。

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、專用應用處理器、Flash 內(nèi)存、電源管理以及晶體和被動式組件，構成一個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（包括遠程監(jiān)管和蜂巢式認證 ） 整合到一個小外形尺寸產(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 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)境來保護應用程序數(shù)據(jù)、固件和周邊系統(tǒng)。與使用外部主機處理器相比，該解決方案提供了高效率的安全基礎，并減低了尺寸、物料清單 （BOM） 和功耗。

我們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、先進封裝和 MicroShield 技術，提供了兼具高性能和低功耗的緊湊型解決方案。由于 我們的多模式 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合，使得nRF91 系列可利用單一 SiP 型款實現(xiàn)全球運作。

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

無處不在的蜂巢式技術

憑借出色的整合性和對全球營運的預先認證，nRF91 系列 SiP 克服了蜂巢式技術在 LPWAN 部署中的傳統(tǒng)缺陷，并且滿足了使用蜂巢式技術所需的全面資質(zhì)要求。

對于不熟悉蜂巢式工程技術但想要利用該技術的開發(fā)人員來說，Nordic 實施 nRF91 系列 SiP 設計的新方式，是一個關鍵優(yōu)勢。Nordic 已將其用于低功耗藍牙解決方案的策略應用于這款新產(chǎn)品。借助低功耗藍牙技術，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雜性。通過將 RF 協(xié)議堆棧與應用程序軟件分離，可以減輕開發(fā)和除錯工作的負擔。

雖然目前 nRF91 系列的軟件架構仍然處于保密狀態(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無線應用的同時，消除射頻工程的固有復雜性。這將使所有人都能使用蜂巢式技術，并鼓勵那些缺乏無線技術經(jīng)驗的開發(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牙技術推廣到全球各地；nRF91 系列 SiP 有望將蜂巢式技術引入智慧手機之外的所有領域，實現(xiàn)同樣的佳績。

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

挪威 Telia 等移動運營商對該技術極具興趣，Telia Next 負責人 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 半導體開發(fā)新產(chǎn)品的合作伙伴?！?br /> 責任編輯:pj