隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 延伸到越來越多的開放空間，設(shè)計(jì)人員趨向采用無所不在的蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)安全可靠的低功耗長距離無線機(jī)對機(jī) (M2M) 通信。然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的選擇至關(guān)重要。雖然 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)曾在業(yè)內(nèi)應(yīng)用較好，但已日薄西山，因此開發(fā)人員需要專注用 4G 和 LTE 實(shí)現(xiàn) M2M 通信，同時關(guān)注新興的 5G。

雖然 Wi-Fi、藍(lán)牙和 Zigbee 可用于較短距離的 M2M 通信，但蜂窩網(wǎng)絡(luò)的普及可確保隨時接入互聯(lián)網(wǎng)，且還具備額外的優(yōu)勢，例如帶寬獲得許可、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供商負(fù)責(zé)。而且，物聯(lián)網(wǎng)連接很少需要語音傳輸，可以接受低于 1 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速度。因此可以采用低數(shù)據(jù)速率、低功耗的 M2M 接口，如 NB-IoT 和 LTE-M (Cat-M1)，以節(jié)能并延長電池壽命。

本文會先討論沒落的 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)，然后再介紹兩種為低功耗 M2M 通信而推出的較新物聯(lián)網(wǎng)無線接口：LTE-M 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。最后文章將介紹各種 LTE-M 解決方案，向設(shè)計(jì)人員展示如何快速啟動并運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)。

2G 和 3G 正在經(jīng)歷什么？

2G 和 3G 在十年前還是前沿技術(shù)，如今已逐漸過時。實(shí)際上還有 1G，但常被認(rèn)為是模擬技術(shù)，傳輸速率僅有 2.4 Kb/s。2G 是支持?jǐn)?shù)字語音的第一代網(wǎng)絡(luò)，但不支持?jǐn)?shù)據(jù)，其速度為 64 Kb/s，語音質(zhì)量差強(qiáng)人意。3G 速率達(dá)到 2 Mb/s，支持語音，數(shù)據(jù)支持有限，主要用于發(fā)送文本消息和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽。

4G 傳輸速度提升到 100 Mb/s，是首個設(shè)計(jì)主要用于移動數(shù)據(jù)通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。這主要得益于 4G 長期演進(jìn)技術(shù)（也直接稱 LTE）的發(fā)展。LTE 基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP)，每臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都分配有自己的 IP 地址，移動設(shè)備支持高達(dá) 500 Mb/s 的數(shù)據(jù)率。

隨著新技術(shù)進(jìn)步和不斷增長的最終用戶需求，顯然 2G 和 3G 不支持所需的數(shù)據(jù)速度或現(xiàn)代通信語音質(zhì)量。4G 和 LTE 顯然更高效，密度更高，能更好地利用可用頻譜并提供更快的速度。運(yùn)營商寧愿關(guān)閉 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)，為 4G 網(wǎng)絡(luò)和未來的 5G 重新調(diào)整頻譜。這樣做對于運(yùn)營商具有財務(wù)和技術(shù)意義，并能提高客戶滿意度。

用于 M2M 數(shù)據(jù)的 4G 和 NB-IoT

既然 4G 和 LTE 是當(dāng)前主流蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，如何才能將它們用于高效 M2M 數(shù)據(jù)傳輸呢？此處的效率與 M2M 端點(diǎn)給定范圍傳輸速度的電流消耗直接有關(guān)。M2M 很少需要 100 Mb/s 的速度，因此出現(xiàn)了 LTE 子集，以優(yōu)化數(shù)據(jù)速率、范圍、功耗和使用模式，即間歇傳輸或頻繁傳輸。

NB-IoT 是低數(shù)據(jù)速率接口，用于 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中簡單的電池供電型設(shè)備。為了進(jìn)一步簡化網(wǎng)絡(luò)通信，這種接口設(shè)計(jì)為僅連接一個信號塔進(jìn)行通信。由于該接口可用于許多支持 4G 的場所，因此有著出色的覆蓋范圍。但是，該接口不兼容某些最早期的 4G 網(wǎng)絡(luò)，它不是基于 IP 的設(shè)計(jì)，所以不兼容 LTE 網(wǎng)絡(luò)。此外，4G 還存在一些地區(qū)差異，可能不兼容 NB-IoT。為了讓 4G 網(wǎng)絡(luò)能使用 NB-IoT 通信，需要對信號塔進(jìn)行硬件改動。

為了保持最低功耗，NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下行鏈路和上行鏈路的最大傳輸速率為 50 Kb/s。為進(jìn)一步節(jié)能，它采用半雙工協(xié)議，最后一個數(shù)據(jù)包傳輸至 M2M 端點(diǎn)的時間和收到確認(rèn)消息的時間之間有 10 秒延時。

由于 NB-IoT 并非設(shè)計(jì)用于輕松處理信號塔切換，它主要用于靜態(tài)端點(diǎn)，例如位于手機(jī)信號塔信號良好區(qū)域內(nèi)的電度表和靜態(tài)傳感器等。由于相對較低的數(shù)據(jù)率，NB-IoT 無法高效處理固件空中 (FOTA) 升級。

適合基于 IP 的 M2M 數(shù)據(jù)的 LTE-M

LTE-M 的引入是為了解決 NB-IoT 存在的一些不足。LTE-M 有許多其他名稱，如 Cat-M1（M1 類）、Cat-M、LTE Cat M1、eMTC 和 LTE-MTC（機(jī)器類型通信）。

LTE-M 比 NB-IoT 快，上行鏈路和下行鏈路速度高達(dá) 1 Mb/s。支持全雙工和半雙工傳輸，延時小于一秒。不同于 NB-IoT，它是基于 IP 的協(xié)議，支持 TCP/IP 通信。該技術(shù)輕松支持信號塔切換，只要有 LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，就能用于移動 M2M 端點(diǎn)。

NB-IoT 能在多數(shù)有 4G 網(wǎng)絡(luò)的地方使用，而 LTE-M 能用于有 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的任何地方。為了讓現(xiàn)有 LTE 網(wǎng)絡(luò)能使用 LTE-M 通信，需要對信號塔進(jìn)行固件改動。

盡管性能更高，LTE-M 和 NB-IoT 功耗大致相同。這是因?yàn)?LTE-M 端點(diǎn)支持節(jié)電模式，不傳輸或接收數(shù)據(jù)時可降低功耗，同時仍與蜂窩網(wǎng)絡(luò)保持連接。

為 M2M 項(xiàng)目選擇合適的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

在為 M2M 應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，務(wù)必查看所在地理區(qū)域中有哪些可用網(wǎng)絡(luò)，以及 M2M 應(yīng)用將位于何處。如果目標(biāo)區(qū)域中沒有 LTE，則查看是否支持 NB-IoT。如需要 TCP/IP，就選擇 LTE-M。然后，將各標(biāo)準(zhǔn)的特征與應(yīng)用要求及其環(huán)境進(jìn)行對比。并且，在選擇之前進(jìn)行現(xiàn)場測試。

注意，連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各裝置需要從蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商處購買含數(shù)據(jù)套餐的 SIM 卡。用于聯(lián)網(wǎng) IoT 設(shè)備的 SIM 卡和蜂窩數(shù)據(jù)套餐可從 Digi-Key 購買。Digi-Key 提供來自 Verizon、AT&T、Vodaphone 和 T-Mobile 的套餐（2019 年將加入更多套餐），數(shù)據(jù)上限為 5 Gb/月。

Digi International 為物聯(lián)網(wǎng)和 M2M 通信提供各種產(chǎn)品，包括只比 25 美分的硬幣略大的 XBee? 系列蜂窩模塊。該產(chǎn)品以子卡格式提供，帶標(biāo)準(zhǔn) 10 引腳通孔連接器。

XB3-C-A2-UT-001 XBee3 蜂窩調(diào)制解調(diào)器支持 LTE-M，設(shè)計(jì)用于電池供電的蜂窩通信應(yīng)用（圖 1）。XBee3 帶有 SIM 插口，且調(diào)制解調(diào)器經(jīng)過 FCC 認(rèn)證。運(yùn)營商方面，它經(jīng)過 AT&T 和 Verizon 認(rèn)證，兼容任何 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)。

圖 1：Digi XB3-C-A2-UT-001 XBee3 LTE-M 蜂窩調(diào)制解調(diào)器僅比 25 美分硬幣略大，板上帶有 SIM 卡插口。（圖片來源：Digi International）

XBee3 可以使用 MicroPython 語言編程。標(biāo)準(zhǔn) 10 針座支持 SPI、UART 和 USB 控制接口。調(diào)制解調(diào)器還支持低功耗藍(lán)牙 (BLE)。

若要使調(diào)制解調(diào)器支持?jǐn)?shù)千米的標(biāo)準(zhǔn)范圍，假設(shè)附近有手機(jī)信號塔，請使用 3.3 - 4.3 伏的電源。禁用藍(lán)牙時，標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi) 4.3 伏下峰值發(fā)射電流消耗僅 550 毫安 (mA)，啟用藍(lán)牙時僅 620 mA。調(diào)制解調(diào)器處于省電（休眠）模式時，耗電 20 毫安 (μA)。

LTE-M 能覆蓋范圍最遠(yuǎn)達(dá) 50 km，但如果需要更長的距離，則使用 5.5 伏電源。在 5.5 伏延長范圍模式中，禁用藍(lán)牙時調(diào)制解調(diào)器耗電 800 mA，啟用藍(lán)牙時 860 mA，休眠電流消耗 60 μA。由于所有無線電信號都在 XBee3 子板而非印刷電路板上處理，因此不需要射頻布局程序。但是，為了達(dá)到最佳抗噪性，最好在印刷電路板的 XBee3 下有接地平面。

如要使用此調(diào)制解調(diào)器，請使用 Digi XK3-C-A2-UT-U XBee3 LTE-M 開發(fā)套件（圖 2）。此套件為學(xué)習(xí)采用 LTE-M 的 M2M 蜂窩連接提供了完整的逐步說明。

圖 2：XK3-C-A2-UT-U XBee3 開發(fā)套件包含了使用 LTE-M 進(jìn)行 M2M 端點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)所需的一切。XBee3 本身就是主板上的模塊。（圖片來源：Digi International）

XBee3 調(diào)制解調(diào)器開發(fā)套件配備一個 XBee3 LTE-M 蜂窩調(diào)制解調(diào)器和一張 AT&T SIM 卡，含六個月免費(fèi)蜂窩服務(wù)。要開始設(shè)置開發(fā)板和 XBee3 LTE-M 調(diào)制解調(diào)器，首先將 SIM 卡牢固插入 XBee 調(diào)制解調(diào)器。然后，將 XBee 調(diào)制解調(diào)器插入開發(fā)板上的針座。XBee3 調(diào)制解調(diào)器就位后，小心連接兩根天線到開發(fā)板上的兩個 U.FL 連接器。將天線連接器放在 XBee3 板 U.FL 連接器上，然后非常小心地用手指按下，使連接器接合。

連接器正確就位時將聽到咔嗒聲。U.FL 接頭非常精密，并非設(shè)計(jì)用于可插拔十多次，因此在連接這些連接器時要非常小心。

兩個天線連接器到位后，將 12 伏電源插入到墻上插座中，然后將電源連接器插入到開發(fā)板中。最后，將 USB 電纜一端插入到運(yùn)行的 PC 中，另一端插入到開發(fā)板中。然后，PC 將開始為開發(fā)板安裝驅(qū)動程序。

開發(fā)板附帶 Digi XBee 配置和測試實(shí)用軟件 (XCTU)，可在 Windows?、Mac 和 Linux 上運(yùn)行。驅(qū)動程序安裝完成后，啟動 XCTU。按照屏幕上的逐步說明設(shè)置 PC 和開發(fā)板之間的接口，并配置 XBee3 調(diào)制解調(diào)器。然后，在運(yùn)行基于云的 Echo Server Demo 之前，XCTU 將按需更新 XBee3 固件。

創(chuàng)建工業(yè) M2M 網(wǎng)絡(luò)

對于位于工廠或其他工業(yè)系統(tǒng)中的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，可以使用各種協(xié)議，包括 Wi-Fi、LTE，甚至某些遺留系統(tǒng)可使用早期的 HSPA+。Digi International LTE 傳輸路由器和網(wǎng)關(guān)系列設(shè)計(jì)用于嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用。

傳輸路由器和網(wǎng)關(guān)速度極快。例如，Digi International TransPort WR44 是帶有兩個 SIM 插槽的堅(jiān)固型傳輸路由器，支持 802.11ac/a/b/g/n Wi-Fi。該設(shè)備支持 VPN 連接，并帶有完全可定制的防火墻。作為工業(yè)設(shè)備，其具有從 -40 到 +85°C 的廣泛工作溫度范圍，相當(dāng)堅(jiān)固耐用，可用于鐵路應(yīng)用。不同于家用路由器，此路由器使用 M12 連接器連接以太網(wǎng)。

Digi International 63xx 系列 LTE 路由器和網(wǎng)關(guān)專為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。ASN-6350-SR06-GLB 是高速路由器兼 LTE 蜂窩調(diào)制解調(diào)器，支持 LTE-M（圖 3）。它有兩個支持 4G、LTE、3G、HSPA 的 SIM 插槽，具有自動切換功能，可在運(yùn)營商之間智能切換。

圖 3：Digi 6350-SR06 LTE 路由器和蜂窩調(diào)制解調(diào)器有兩根用于蜂窩數(shù)據(jù)的偶極天線和兩根用于 802.11b/g/n Wi-Fi 的偶極天線。（圖片來源：Digi International）

將此路由器放在沒有任何金屬障礙物的中心位置，以免干擾傳輸。由于 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)通常天線較小，部署必須連接到這些端點(diǎn)的路由器或網(wǎng)關(guān)時要比部署家用路由器或網(wǎng)關(guān)更須謹(jǐn)慎。應(yīng)提前規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)中的路由器/網(wǎng)關(guān)位置，不要在網(wǎng)絡(luò)完成后才布置其位置。

路由器通過基于云的控制臺進(jìn)行管理，或通過向其中一個 SIM 電話號碼發(fā)送 SMS 消息以進(jìn)行管理。

5G 怎么樣？

5G 即為第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是各種先進(jìn)技術(shù)的集合，附其他外，還為物聯(lián)網(wǎng)和 M2M 提供廣泛支持。其超可靠低延遲通信 (URLLC) 特性可保證在 99.999% 的幾率下，在 1 毫秒延時時間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)。這對于任務(wù)關(guān)鍵應(yīng)用特別重要。5G 對于必須保持患者和醫(yī)生之間持續(xù)通信的醫(yī)學(xué)傳感器，以及工業(yè)和運(yùn)輸應(yīng)用尤其重要。

對于移動設(shè)備，5G 的增強(qiáng)移動寬帶 (eMBB) 預(yù)計(jì)能達(dá)到最高 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。手機(jī)信號塔通過 5G 能連接的設(shè)備是 4G 和 LTE 連接數(shù)量的最高 100 倍。這意味著更低的手機(jī)提供商成本，更可靠的 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接。

總結(jié)

針對物聯(lián)網(wǎng)和 M2M 應(yīng)用的基于 4G 的 NB-IoT 技術(shù)和基于 LTE 的 LTE-M 技術(shù)可能看上去就像一堆深奧難懂的符號。在開始物聯(lián)網(wǎng)或 M2M 項(xiàng)目之前，務(wù)必要理解這些蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的差異，以便選擇正確的元器件。

通過掌握一些基本知識并運(yùn)用核心設(shè)計(jì)技巧，設(shè)計(jì)人員可以使用許多可用的 LTE-M 物聯(lián)網(wǎng)連接套件和模塊，在許多運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中快速搭建并運(yùn)行自己的設(shè)計(jì)。