M2M應用的興起與挑戰

　　隨著(zhù)接入互聯(lián)網(wǎng)的機器(Machine)數量的增多，甚至超過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用的人數。隨之帶來(lái)的是，機器對機器(machine-to-machine，即“M2M”)通信將有望在2013年中歷史性地首次超越人對人通信。通信機器的陣營(yíng)也日益擴展，包括移動(dòng)資源管理系統、儀表、機器人、自動(dòng)售賣(mài)機、安全系統、資產(chǎn)跟蹤系統、車(chē)輛、緊急呼叫系統等。

　　如今，各種量產(chǎn)化的低成本計算設備層出不窮，運行速度越來(lái)越快，數據收集能力日益增強，而無(wú)線(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)也變得愈發(fā)便捷，聯(lián)網(wǎng)費用越來(lái)越低。因此，機器間“對話(huà)”的比重將很快超過(guò)人與人之間的對話(huà)也絲毫不足為奇。 然而，與此同時(shí)，IP地址資源也隨之將被耗盡，四十億多個(gè)IPv4(互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第4版)地址現已分配完畢。這是否意味著(zhù)機器已經(jīng)錯過(guò)了大好時(shí)機?答案是否定的。今后的互聯(lián)網(wǎng)將采用支持2的128次冪個(gè)地址的IPv6(互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第6版)，使得全球的IP地址分配綽綽有余。因此，第四代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )(4G)LTE能夠基于IPv6提供數據、語(yǔ)音、視頻等服務(wù)也是意料之中的事情。

　　這場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )變革的動(dòng)力很簡(jiǎn)單，即所有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)并從中獲益的設備和應用最終都將互相連接在一起。這也是手機、筆記本電腦、平板電腦、汽車(chē)及游戲設備等形形色色的“機器”全部具有聯(lián)網(wǎng)功能的原因所在。盡管這些是移動(dòng)互聯(lián)最顯而易見(jiàn)的應用，但人類(lèi)并不是互聯(lián)網(wǎng)的唯一使用者，還包括飛速增長(cháng)的無(wú)形應用:每天都有上百萬(wàn)臺機器以24×7全天候、無(wú)需人工操作的方式進(jìn)行著(zhù)數據交換，演繹著(zhù)一場(chǎng)場(chǎng)無(wú)聲的“對話(huà)”。

　　只需嵌入低成本的小型(無(wú)線(xiàn))調試解調器，任何設備都可以接入網(wǎng)絡(luò )。具備報告位置、速度或導航信息功能的應用還需要全球定位系統(GPS)或全球衛星導航系統(GNSS)接收器。這兩種元件，外加天線(xiàn)，都可以輕松地配置到比手機還小的設備上。

　　當下，在電子行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，我們時(shí)刻都能看到這樣的情形。

　　然而，視應用不同，要為設備配以M2M通信能力還需要一些特殊的條件。無(wú)論在考慮最初設計、產(chǎn)品壽命(在進(jìn)行必要的更換以前該設備能夠運行的時(shí)間)還是地理覆蓋(初始設計僅可在某一個(gè)地區使用，但現在需要在其他地區使用)或與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )必然升級(2G到3G再到4G)的兼容性時(shí)，都需要考慮這些條件。

　　下文將介紹在設計M2M應用時(shí)需要考慮的一些重要技術(shù)特性，以及它們將如何影響特定類(lèi)型設備的設計。

　　1) 耗電量

　　對于便攜式跟蹤設備、安全或個(gè)人安全設備而言，充電間隔時(shí)間是最重要的特性之一。例如，如果安裝在貨柜上的跟蹤器每天需要充電一次，這樣的間隔就太過(guò)頻繁，因為空運或陸運一般需要幾天時(shí)間，海運則需要幾周時(shí)間。

　　對于個(gè)人跟蹤或健康監測等消費設備以及設有預定標準的手機而言，電池持續時(shí)間應至少為3天。對此類(lèi)應用的調制解調器和GNSS接收器的規格進(jìn)行比較時(shí)，不僅需要考慮運行/待機耗電量，還需考慮省電模式(如自動(dòng)啟動(dòng)功能)及智能省電模式(如無(wú)需啟動(dòng)主處理機自動(dòng)記錄數據功能)。理想的情況是，這些元件能夠在多數時(shí)間處于最低耗電模式并且只在必要時(shí)啟動(dòng)。

　　2) 蜂窩網(wǎng)絡(luò )支持性

　　設備能在哪些地區運行呢?隨著(zhù)全球人員及貨物流動(dòng)性的增強，調制解調器能否在不同的地區運行成為一個(gè)重要的考慮因素(GSM在全球受2個(gè)主要頻段支持;UMTS受6個(gè)頻段支持;LTE的支持頻段數量則超過(guò)30個(gè))。對于這類(lèi)應用來(lái)說(shuō)，能夠明確設備的可運行區域并預計今后的擴大運行區域至關(guān)重要。明確了這項要求，便可選定與工作任務(wù)最匹配的無(wú)線(xiàn)調制解調器。

　　例如，需要監控全球所有地區貨運情況的資源管理系統應配備四頻段GSM調制解調器或六頻段UMTS調制解調器。至于不常移動(dòng)的設備(如住宅電表)，只需一個(gè)單頻段就足夠了。其他應用則可能需要考慮一些額外的因素。例如，經(jīng)常不被記住所在位置的自動(dòng)售貨機可以隨時(shí)支持“電話(huà)撥通”，但它必須配有可在所在地區運行或定位的調制解調器。

　　3) 運營(yíng)商認證

　　所有利用GSM、UMTS或LTE通信的無(wú)線(xiàn)設備都必須在得到運營(yíng)商的認證之后才能夠訪(fǎng)問(wèn)其網(wǎng)絡(luò )。嵌在設備中的調制解調器也應得到運營(yíng)商認證，以此簡(jiǎn)化認證過(guò)程?？上却_認跟蹤裝置運行區域的調制解調器認證列表，再選擇相應的調制解調器。多數調制解調器廠(chǎng)商均會(huì )在其網(wǎng)站上提供運營(yíng)商認證列表。

　　4) 無(wú)線(xiàn)調試解調器的可升級性

　　盡管僅有少量數據通信的遠程儀表應用通常需要使用GSM/GPRS，但是將GSM頻段分配給3G和4G服務(wù)已列在考慮范圍內。就自動(dòng)儀表讀取系統而言，要將其加裝在成千上萬(wàn)的遠程電表上，成本費用十分高昂。因此，著(zhù)眼于未來(lái)的技術(shù)才不失為明智的設計。這就意味著(zhù)：無(wú)論采用UMTS/HSPA調制解調器還是LTE調制解調器，或者至少確保硬件設計不過(guò)時(shí)，調制解調器升級都應盡可能地提高成本效益，這也進(jìn)而引出了下一項特性。

　　5) 嵌入式調制解調器設計

　　如今，M2M設備可能需要適應今后出現的新的移動(dòng)通信標準或GNSS標準，或滿(mǎn)足某一地區的客戶(hù)需求，支持其使用相應的波段或衛星接收機標準。理想的情形是，只更新原有設計中的固件、天線(xiàn)和調制解調器或GNSS接收器來(lái)滿(mǎn)足這一市場(chǎng)要求?，F實(shí)情況是，除非嵌入式設計是廠(chǎng)商產(chǎn)品的固有特性，否則這將是一場(chǎng)噩夢(mèng)。特別是，印制電路板(PCB)的板面設計問(wèn)題可能會(huì )產(chǎn)生一連串的昂貴設計及物流成本問(wèn)題。

　　避免此類(lèi)問(wèn)題的最好辦法就是使用與所有無(wú)線(xiàn)調制解調器(GSM、CDMA、UMTS和LTE)模塊或GNSS接收器(GPS、GLONASS、伽利略、北斗衛星導航)模塊設置兼容的組件。利用這一方案可以使PCB的板面設計適應所有終端產(chǎn)品的變化。這一問(wèn)題的解決也可以參考以下幾個(gè)問(wèn)題：組件廠(chǎng)商是否支持嵌入式設計理念?他們的下一代調制解調器是否能夠適當地安裝在當前調制解調器產(chǎn)品的電路板上?他們是否提供技術(shù)文件支持以幫助完成嵌入式設計?

　　6) 帶寬要求

　　對于如今眾多的追蹤應用而言，只需要低帶寬連接就可以支持追蹤及信息收發(fā)功能。如果需要的只是數據，簡(jiǎn)單的GPRS就可以滿(mǎn)足這一需求。如果需要語(yǔ)音信道，那么至少應支持GMS和GPRS。如果需要支持可視監控的視頻流，那么UMTS和HSPA則是更好的選擇。對于需要高清視頻、時(shí)延最低的應用(如遠程醫療終端)來(lái)說(shuō)，LTE則是技術(shù)首選?？梢源_定的是，未來(lái)的追蹤應用對帶寬的要求將日益增加。選擇調制解調器不僅要根據現今的需求，還要根據三至五年后的需求，或是取決于調制解調器的可升級性和成本效益(參見(jiàn)上述嵌入式設計部分的內容)。

　　7) 汽車(chē)的要求

　　應用在溫度、濕度及震動(dòng)狀況可能發(fā)生極端變化環(huán)境中的車(chē)載系統，應采用符合AEC-Q100標準、在ISO/TS 16949認證地制造、符合汽車(chē)使用條件的組件。各組件的質(zhì)量測試應符合ISO1675標準——《道路車(chē)輛電氣及電子設備的環(huán)境條件和測驗》。這對于車(chē)載設備、在室外、船只或有軌車(chē)上作業(yè)的工業(yè)設備來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。

　　8) 支持緊急呼救系統

　　在新車(chē)上配備自動(dòng)化系統已經(jīng)成為一種全球性趨勢，這種自動(dòng)化系統能夠自動(dòng)發(fā)出事故報告，并能在車(chē)輛被盜時(shí)輔助找回車(chē)輛。美國、歐洲、俄羅斯和巴西均已發(fā)布了支持這類(lèi)系統的全國性倡議，并逐步成為這些國家的強制要求。這類(lèi)系統通常需要特定的調制解調器——“帶內”調制解調器。帶內調制解調器允許數據通過(guò)語(yǔ)音信道進(jìn)行傳送，與傳真機通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸的原理相似。語(yǔ)音信道的優(yōu)先性高于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )數據，這也是需要帶內調制解調器的原因所在。在某種特殊情況下，語(yǔ)音信道的可用性高于數據信道的可用性，如GPRS或HSPA等在偏遠地區可能無(wú)法使用。在此情況下，語(yǔ)音信道是向緊急呼救中心傳輸數據的重要通信手段。

　　有關(guān)緊急呼救支持方面的問(wèn)題，應向調制解調器廠(chǎng)商咨詢(xún)以下問(wèn)題：是否為帶內調制解調器?是否同時(shí)支持2G和3G網(wǎng)絡(luò )?該調制解調器是否適用于汽車(chē)應用?衛星接收器是否支持航位推測?是否可以提供GPS和GLONASS接收器?(見(jiàn)上述相關(guān)內容)

　　9) 輔助定位

　　對于在市內環(huán)境中需要可靠位置信息的M2M應用來(lái)說(shuō)，輔助定位系統的可用性應在考慮范圍之內。尤其是在衛星視程容易受到高層建筑物阻礙的城市，可通過(guò)調用遠程A-GPS服務(wù)器來(lái)解決丟失定位場(chǎng)景的情況。使用無(wú)線(xiàn)調制解調器從互聯(lián)網(wǎng)上下載幾字節的衛星軌道數據是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的過(guò)程。利用這些輔助數據，衛星僅需幾秒鐘即可計算出位置，而無(wú)需花上30秒鐘接收1500比特的衛星幀。

　　對于低端導航系統等特定應用而言，位置信息短暫缺失的情況尚可容忍。而對于其他應用來(lái)說(shuō)(如車(chē)輛緊急呼救或道路收費系統)，即使位置信息發(fā)生了短暫的丟失，造成的后果也將不堪設想，這使得輔助定位系統成為一項備受關(guān)注的功能?？紤]輔助定位時(shí)應關(guān)注以下幾點(diǎn)：定位(GPS)接收器廠(chǎng)商是否支持在線(xiàn)輔助服務(wù)?服務(wù)是否可靠?是否提供可用性保證?支持哪些地區?是否包含支持服務(wù)的客戶(hù)端軟件?定位接收器及無(wú)線(xiàn)調制解調器是否具有支持服務(wù)的接口?服務(wù)是否支持GPS和GLONASS?

　　10) 航位推算支持

　　能夠準確記錄位置、航向及速度信息對于車(chē)載信息系統(如保險跟蹤系統)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。然而，在沒(méi)有衛星信號的隧道中，需通過(guò)平行系統臨時(shí)生成位置信息。補充衛星信號的一項重要技術(shù)就是航位推測，這一技術(shù)可以根據車(chē)載傳感器輸入的數據推測出車(chē)輛的位置和速度。

　　有關(guān)定位接收器應明確以下問(wèn)題：是否支持航位推測?是否可以直接插入到車(chē)載CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò ))總線(xiàn)來(lái)獲取數據?是否可以直接與車(chē)載傳感器(如回轉儀和里程計)連接?廠(chǎng)商是否提供完整、經(jīng)驗證的、帶有評估環(huán)境的系統?組件能否自動(dòng)升級?(參見(jiàn)下一特性)

　　11) 室內定位

　　遺憾的是，GPS或其它任何衛星導航系統都無(wú)法用于室內。GPS微弱的信號很容易被墻體、金屬、甚至是很薄的水面所阻隔。但這并不意味著(zhù)需利用資產(chǎn)位置信息的M2M應用在沒(méi)有空中視景的情況下注定無(wú)法運行。對于需要室內大致位置信息的應用來(lái)說(shuō)，將衛星接收器與無(wú)線(xiàn)解調器相結合、利用2G或3G蜂窩的混合式方案就可以解決這一問(wèn)題。

　　GSM或UMTS信號能夠輕松穿透墻體，因此如果已經(jīng)獲悉了移動(dòng)蜂窩的范圍，就可以根據蜂窩重疊位置計算出大概的位置信息。與上述輔助定位解決方案相似，這一方案也需要與外部服務(wù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。有關(guān)定位接收器和無(wú)線(xiàn)調制解調器來(lái)源應明確以下問(wèn)題：是否支持此類(lèi)方案?是已經(jīng)得到驗證還是尙處于理論階段?是否提供線(xiàn)上服務(wù)，線(xiàn)上服務(wù)是否投入運行?選定的衛星接收器和無(wú)線(xiàn)調制解調器是否支持該服務(wù)?精確程度如何?

　　12) 定位系統的兼容性

　　早前只有GPS系統是需要考慮的系統。俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)、日本的準天頂衛星系統(QZSS)、中國的北斗衛星導航系統(BeiDou)和歐洲的伽利略衛星導航系統(Galileo)相繼推出后，與GPS及其他衛星系統的兼容性成為一項必須考慮的因素，以此提高系統的穩定性和準確性，同時(shí)滿(mǎn)足各地區對自身系統兼容性的要求。

　　通常來(lái)講，利用兩種系統進(jìn)行平行操作將成為產(chǎn)品規格中不可分割的一部分。例如，俄羅斯的新型ERA-GLONASS車(chē)載緊急呼叫系統要求與GLONASS衛星系統相兼容。有關(guān)GPS/GNSS接收器應明確以下問(wèn)題：是否提供多種GNSS支持?是否提供并行的GPS/GLONASS或GPS/BeiDou系統?

　　以上是設計M2M產(chǎn)品時(shí)需要考慮的一些因素。需要注意的是，許多有關(guān)無(wú)線(xiàn)和定位的新標準正處于轉變過(guò)程中，因此，產(chǎn)品在市場(chǎng)上的長(cháng)期預期壽命和產(chǎn)品的目標市場(chǎng)不容忽視。此外，產(chǎn)品設計能夠支持下一代性能及網(wǎng)絡(luò )覆蓋以及產(chǎn)品的輕松升級等問(wèn)題也同樣至關(guān)重要。