經(jīng)驗證的嵌入式調制解調器：幫助輕松實(shí)現蜂窩IoT技術(shù)，并推動(dòng)基礎設施蓬勃發(fā)展

與使用免授權頻段的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(LPWAN)相比，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的缺點(diǎn)之一是終端設備在加入LTE-M或NB-IoT網(wǎng)絡(luò )之前，需要先進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電頻段規劃分配的驗證。驗證工作既耗費時(shí)間又花錢(qián)，但只要選擇合適的技術(shù)供貨商，就能縮短成功驗證的路徑。一旦通過(guò)驗證便可享用規范嚴格的蜂窩網(wǎng)絡(luò )的全球覆蓋范圍和服務(wù)質(zhì)量(QoS)等優(yōu)勢，這是很豐厚的回報。

要證明蜂窩IoT的終端設備已通過(guò)性能和質(zhì)量保證測試，便需要驗證；而這些測試是滿(mǎn)足監管機構的網(wǎng)絡(luò )連接規范。產(chǎn)品若沒(méi)有完成驗證，就無(wú)法推出市場(chǎng)。

1 芯片組、模塊和終端設備驗證

蜂窩IoT終端設備通常需要滿(mǎn)足三層產(chǎn)品驗證：一是驗證芯片組，然后是驗證終端設備使用的模塊，最后則是驗證終端設備本身。

一般來(lái)說(shuō)，芯片組供貨商會(huì )對芯片組進(jìn)行驗證。接著(zhù)，模塊供貨商會(huì )將芯片組整合進(jìn)模塊并進(jìn)行驗證。然后，將該模塊集成到終端產(chǎn)品中，再進(jìn)行驗證。

但是，也有少數例外。其中一例是Nordic采用系統級封裝的nRF9160 SiP，它集成了LTE-M/NB-IoT調制解調器和GPS。nR9160 SiP是低功耗蜂窩IoT解決方案，整合了芯片組(也是由Nordic開(kāi)發(fā))以及RF前端和電源管理IC等組件。Nordic還兼顧到這款SiP的模塊級驗證，以供全球范圍蜂窩網(wǎng)絡(luò )使用。

如果要以?xún)H通過(guò)模塊驗證程序的模塊來(lái)將設備連接到網(wǎng)絡(luò )，便要獲得運營(yíng)商的特別許可，而這項特別權限僅用于測試，而且只能擴展到少量幾個(gè)設備。如果之后想要將基于該模塊的設計用于小批量生產(chǎn)，制造商就需要提交產(chǎn)品以進(jìn)行終端設備驗證。這可能既耗時(shí)又昂貴，需要經(jīng)過(guò)多次設計迭代才能進(jìn)入生產(chǎn)的情況尤其如此，因為每一次的迭代都要需要新的驗證。

2 嵌入式調制解調器路由

要驗證終端設備，還有另一條可以降低風(fēng)險并節省時(shí)間和金錢(qián)的途徑，就是使用嵌入式調制解調器作為蜂窩IoT設計的基礎。

相比模塊，嵌入式調制解調器因為加入了模塊所不提供的基本設計元素，例如確保接入I/O引腳，包括天線(xiàn)連接以及增加電壓調節功能，因此在設計上可以再進(jìn)一步，創(chuàng )造一個(gè)功能全面的調制解調器。由于嵌入式調制解調器是一個(gè)完善并且可工作的蜂窩IoT解決方案，因此調制解調器制造商可以成功達成終端產(chǎn)品的驗證，而不僅是模塊級階段的驗證而已。

終端產(chǎn)品設計人員因此可以采用“安裝即用”(drop-in)的嵌入式調制解調器，因為它不但是基于通過(guò)驗證和測試的蜂窩IoT設計，而且一旦被整合進(jìn)終端產(chǎn)品中，就不需要進(jìn)一步的驗證。

美國嵌入式調制解調器公司NimbeLink所推出的Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160是第一個(gè)公開(kāi)發(fā)布并通過(guò)了第三方終端設備驗證的嵌入式調制解調器(圖1)，它正是基于Nordic的nRF9160 SiP而設計。這代表除了少數的特殊情況之外，任何包含Skywire Nano的產(chǎn)品或應用，都不用再經(jīng)過(guò)蜂窩技術(shù)運營(yíng)商的驗證程序，就可以加入LTE-M或NB-IoT網(wǎng)絡(luò )。

圖1 Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160基于nRF9160 SiP而設計，是一款已通過(guò)驗證、適用于蜂窩IoT應用開(kāi)發(fā)的全功能嵌入式調制解調器

3 簡(jiǎn)化蜂窩IoT設計

nRF9160 SiP和相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具在很大程度上消除了蜂窩IoT設計的復雜性，并且簡(jiǎn)化了驗證程序，以鼓勵幾乎沒(méi)有或者完全沒(méi)有蜂窩IoT經(jīng)驗的企業(yè)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

這款SiP專(zhuān)用的應用程序內存空間使得開(kāi)發(fā)人員可以移植和執行自己開(kāi)發(fā)的程序代碼，同時(shí)可將控制嵌入式調制解調器功能的固件儲存在單獨的內存分配區中。

NimbeLink已將Nordic的設計易用性延續到Skywire Nano。該公司表示，有了嵌入式調制解調器，便可致力于為客戶(hù)減少很多設計工作，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員可以更輕松實(shí)現蜂窩連接技術(shù)。

想要在產(chǎn)品設計中增加蜂窩IoT連接功能的開(kāi)發(fā)人員，只要使用嵌入式調制解調器，便可以在短短幾周內輕松將其產(chǎn)品從概念發(fā)展到部署階段。

4 蜂窩IoT將實(shí)現高成長(cháng)

為設計人員簡(jiǎn)化蜂窩IoT設計方法是極其重要的。所有的跡象都表明了，在未來(lái)幾年內，NB-IoT + LTE-M解決方案將呈現快速的高成長(cháng)，屆時(shí)該平臺將取代Sigfox和LoRa等專(zhuān)有的LPWAN解決方案。展望未來(lái)，在針對IoT應用的4G及5G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的支持下，蜂窩IoT將可提供無(wú)所不在的低功耗連接。

2018年愛(ài)立信移動(dòng)報告預測，到2023年蜂窩IoT連接的數量可能高達35億，其中的22億可望出現在東北亞。該報告還指出，蜂窩IoT連接領(lǐng)域有望達到比整體市場(chǎng)更快速的增長(cháng)。

而除了目前進(jìn)行中的大規?；A設施的部署之外，有一個(gè)正在威脅采用蜂窩IoT技術(shù)的因素，就是它的復雜性。某些供貨商的LTE-M產(chǎn)品在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段時(shí)就陷于挑戰，在某些情況下所能提供的功能有限，但正如我們所看到的，采用Nordic的nRF9160就不會(huì )發(fā)生這些情況。

蜂窩IoT的全球基礎架構已經(jīng)妥善部署并且運作良好，基本LTE技術(shù)滿(mǎn)足了驗證、可靠性、互操作性要求且高度安全。在目前，沒(méi)有任何競爭的LPWAN解決方案可與之匹敵。

5 IoT對照明的影響

照明是普遍存在于整個(gè)已發(fā)展世界的基礎建設。智能照明完美融合了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的連接性、控制性和可擴展性，以及固態(tài)照明(SSL)的美學(xué)、效率和長(cháng)使用壽命。這種融合的完美之處，幾乎可以說(shuō)是LED和IoT的低功耗無(wú)線(xiàn)連接(這兩項支撐智能照明的技術(shù))已經(jīng)成為一體。實(shí)際上，這樣的組合是完全偶然發(fā)生的，但盡管如此，這樣的結合提供了驚人的潛力，因此該行業(yè)即將有爆發(fā)性成長(cháng)。

產(chǎn)業(yè)分析公司IndustryARC表示，智能照明(無(wú)線(xiàn)連接的SSL)正在迅速取代不具智能的“啞”LED燈具。該公司表示，2018年全球智能照明市場(chǎng)價(jià)值68.7億美元，并呈現兩位數的年增長(cháng)率。

這樣的增長(cháng)部分是由LED的綠色證書(shū)(green credential)所帶動(dòng)的，該技術(shù)可以節省能源并減少碳的排放和消費者的支出。美國能源部(DoE)表示，與白熾燈泡相比，LED至少節能75%，使用壽命則延長(cháng)25倍。僅僅是在美國一地，以L(fǎng)ED代替傳統燈泡已將電力消耗減少了348 TWh，并減少了300億美元支出。此外，因為減少了燃燒發(fā)電而節省了化石燃料使用，從而避免了1億噸二氧化碳排放。

然而，智能照明不僅僅是一項干凈、高效和可持續的技術(shù)這么簡(jiǎn)單而已。由于照明是每棟建筑結構的基本元素，每臺燈具內置無(wú)線(xiàn)技術(shù)后不但可以簡(jiǎn)化配置和控制，以獲得最佳照明效果，還可支持各種分布式傳感器，通過(guò)協(xié)調來(lái)節省更多的能源，提高生產(chǎn)率并增強建筑物的安全性。

6 照明即平臺(LaaP)

盡管如此，蜂窩IoT可望在現有的照明基礎設施上大幅增加更多的附加價(jià)值。根據藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)的“照明即平臺”(Lighting as a Platform, LaaP)報告，智能照明控制可以節省多達50%的照明能源成本，而且，使用智能照明技術(shù)所實(shí)現的附加服務(wù)價(jià)值，甚至可能比節能的價(jià)值高十倍。換句話(huà)說(shuō)，照明控制僅是智能照明真正效益的皮毛，其效益已經(jīng)遠遠超出了照明本身，成為物聯(lián)網(wǎng)的基礎支柱：LaaP。

未來(lái)的智能建筑和智能城市中的照明設備，將有如人體的“中樞神經(jīng)系統”，它使用“神經(jīng)”和“脊椎”在網(wǎng)絡(luò )上收集感覺(jué)信息，管理數據并指示在適當時(shí)候進(jìn)行適當操作以達至最佳的效果。

照明在這方面擁有獨特定位，因為每棟建筑物中的每個(gè)房間都需要這項必要的基礎設施，我們城市中的每條街道和十字路口也是如此。照明無(wú)所不在，因此照明系統可以成為遠遠超越照明功能的平臺。

現在還未走到這一步。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò ) (mesh networking)是關(guān)鍵，雖然可以擴展和支持節點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，以及用于智能建筑或城市所有傳感器數據的吞吐量等條件都還不是很成熟，但是它們已日漸進(jìn)步，并且也取得了重大進(jìn)展，讓LaaP的所有固有優(yōu)勢得以實(shí)現。

隨著(zhù)上一代不具備智能的“啞“LED燈具被低功耗藍牙支持的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )、Thread或Zigbee無(wú)線(xiàn)連接燈具所取代，開(kāi)發(fā)人員在燈具中逐漸增加嵌入各種各樣的附加傳感器，這些傳感器為許多其他由數據驅動(dòng)的應用奠定了基礎。資產(chǎn)追蹤及保護、測向功能、安全性、空間優(yōu)化、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)以及居住者的生產(chǎn)力和安適感，將可全部由我們頭頂上的燈具來(lái)助力實(shí)施，同時(shí)通過(guò)蜂窩IoT進(jìn)行全球通信。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）