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5G 還很遙遠:使用現成的 LTE 4G 模塊進行遠程物聯網感測和控制

物聯網應用(如遠程感測和控制)的開發人員正在努力尋找最佳解決方案,以實現無處不在的遠距離、低功耗、低成本無線通信。此外,還要滿足三個特別棘手的要求,即高可靠性、低延遲和最小干擾。雖然 5G 有望滿足這些條件,但設計人員現在就可以使用 4G LTE 蜂窩網絡,該網絡在未來一段時間內將持續存在。

遠程感測和控制應用包括全球資產監測和跟蹤、公用事業計量、工業機器連接,以及大型戶外工廠的預防性維護。后者包括煉油廠、化工廠和礦山、智能城市基礎設施、可穿戴設備和家庭醫療監測,以及智能農業。

雖然隨著各個供應商在不同地區推出 5G 網絡,關于 5G 的討論很多,但在可預見的未來,4G 蜂窩通信仍將繼續占據主導地位。因此,開發人員在選擇物聯網射頻接口時需要采取務實的態度。這不只是選擇射頻模塊,還需要仔細考慮使蜂窩物聯網切實可行所需的生態系統。關鍵的生態系統要素包括所需的軟件堆棧、蜂窩基礎設施,甚至是運營商流量套餐和計費系統,以確保物聯網使用實現全面的蜂窩網絡覆蓋。

本文將詳細介紹蜂窩物聯網應用,以及實現這些應用所需的嵌入式技術。本文還將詳細討論最新硬件和軟件技術的使用,以及可幫助工程師針對上述各種應用開發蜂窩物聯網設計的可用資源。另外,還將包括有關現有流量套餐的信息。

為什么不是 5G?

盡管 5G 網絡和設備標準取得了很大進展,但尚未完全確定。即使在標準最終確定時,也需要幾年時間才能建立和部署標準化的 5G 網絡和設備。與此同時,4G LTE 網絡已自 2011 年開始投入商業運營,足以提供大多數物聯網應用所需的性能和覆蓋范圍。

至少一項估計指出,4G LTE 網絡約占當前全球蜂窩網絡市場的 40%,而較舊的 2G 和 3G 網絡各占市場的約 30%。即使到 2025 年,5G 的市場滲透率預計也不會超過 15%。有鑒于此,需要長距離和低功耗物聯網系統的設計人員應利用現有的蜂窩基礎設施,并遵守 4G LTE 和更早的標準。這些標準不僅是現成的,而且還在不斷演進以滿足物聯網的需求,就和 4G LTE 的情況一樣。

LTE 針對物聯網的演進

LTE 標準的第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 第 13 版為物聯網應用定義了新的 LTE 類別:類別 M1 (Cat-M1),以前稱為 eMTC(增強型機器類型通信);和類別 NB1 (Cat-NB1),以前稱為窄帶物聯網 (NB-IoT)。這些新類別通過支持更低功耗、更長距離、更短延遲和更低成本,并通過使用許可頻帶實現最小干擾,來擴展 LTE 的物聯網應用。

Cat-M1 定義了 1.4 MHz 信道寬度,上行鏈路吞吐量為 375 千比特每秒 (kbit/s),下行鏈路吞吐量為 300 kbit/s。Cat-NB1 定義了更窄的 200 千赫茲 (kHz) 信道寬度,吞吐量以每秒數十千比特來計。Cat-M1 延遲大約為 10 到 15 毫秒,而 Cat-NB1 延遲以秒來計,在某些部署方案中可能長達 10 秒。

這種性能足以滿足許多物聯網感測應用,例如抄表器、健康狀態監護儀和高度移動的健身應用,這些應用可以從長覆蓋距離和無處不在的蜂窩通信中受益。在目前以及可預見的未來,沒有其他低功耗、廣域無線技術能夠像成熟的 4G LTE 網絡一樣,提供同等的可擴展性、安全性和使用壽命。

連接到云

一些供應商已經提供了各種模塊,用于作為蜂窩數據調制解調器運行,或者將蜂窩數據調制解調器集成到嵌入式開發平臺中。這些模塊通過 4G LTE(甚至更早的)蜂窩網絡將物聯網設備連接到云。但是,單獨的硬件模塊無法將物聯網設備連接到云,還需要適當的軟件,以及與蜂窩網絡提供商的托管連接。若沒有這三項,就無法連接。

在選擇蜂窩物聯網模塊時,是否配備應用處理器,取決于項目的硬件設計是從頭開始,還是在現有嵌入式設計中添加蜂窩物聯網連接。下面簡要概述了一些帶有和不帶板載應用處理器的 4G LTE 蜂窩調制解調器模塊和 IC。

Sierra Wireless?的 AirPrime?WP7702?低功耗廣域 (LPWA) 模塊將應用處理子系統和蜂窩數據調制解調器,集成到尺寸為 22 x 23 x 2.5 毫米 (mm) 的小型封裝中。該模塊符合 3GPP 的第 13 版標準,并且采用 Cat-M1 和 Cat-NB1 協議。其峰值 Cat-M1 數據速率為下載 300 kbit/s,上傳 375 kbit/s;Cat-NB1 數據速率為下載 27 kbit/s,上傳 65 kbit/s。

Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 射頻模塊圖片

圖 1:Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 射頻模塊包含應用處理器,同時支持 Cat-M1 和 Cat-NB1 蜂窩協議。(圖片來源:Sierra Wireless)

為了與 AirPrime 射頻模塊配合使用,Sierra Wireless 提供了?Developer Studio?集成開發環境 (IDE)。此 IDE 構建于 Eclipse Java IDE 之上,允許開發人員通過在 Windows、Linux 和 MacOS 主機上運行的直觀圖形用戶界面 (GUI),使用 Legato 開源應用程序框架創建應用程序。該工具包含在設計周期的各個階段有用的實用程序和功能,以支持無線數據應用的應用程序軟件開發。

Legato 結合了基于 Linux 的 OS 發行版(在 WP7702 模塊的 1.3 千兆赫 (GHz) Arm? Cortex?-A7 集成處理器上運行)、板級支持包 (BSP),以及在主機 PC 上運行的定制開發工具。Sierra Wireless 還提供 AirVantage 物聯網平臺,這是一個自助服務門戶,為一組 Sierra Wireless 蜂窩調制解調器提供連接和設備管理,這些調制解調器連接到全球許多不同的蜂窩網絡運營商。這些運營商包括 AT&T、Verizon、NTT、Telstra、KT 和 SKT。AirVantage 還通過無線連接,自動更新 Sierra Wireless 調制解調器的固件。

Talon Communications, Inc.?將 Sierra Wireless WP7702 模塊放在一張兼作開發平臺的載卡上。WP7702 模塊和載卡一起構成了?mangOH Red?

Talon Communications 的 mangOH Red 開發板圖片

圖 2:mangOH Red 開發板支持 Sierra Wireless 的 WP7702 射頻模塊的應用程序開發。(圖片來源:Talon Communications)

mangOH Red 的 USB 主機端口可將該開發平臺連接到主機計算機,以進行軟件開發。加載適當的 Windows 驅動程序,并安裝 Sierra Wireless 的 Legato Developer Studio,即可使用 WP7702 模塊完成相關設置,以進行無線物聯網應用程序開發。

u-blox 的 SARA-R410M-02B 是一款超小型 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射頻收發器模塊,尺寸為 16 x 26 x 2.5 mm,采用 96 引腳 LGA 封裝。

該收發器模塊通過 USB 或 UART 接口連接到主機處理器,并由主處理器使用由 3GPP 定義的面向字符串的 AT 命令集來控制。SARA-R410M-02B 還配備 SIM 卡接口,用于識別運營商服務。

u-blox 的 SARA-R410M-02B 射頻收發器模塊圖片

圖 3:u-blox 的 SARA-R410M-02B 射頻收發器模塊采用完整的 Cat-M1 和 Cat-NB1 無線電與基帶,可以連接到主機處理器。(圖片來源:u-blox)

u-blox 的 EVK-R4 評估套件包含并分接了 u-blox SARA-R410M 模塊的 I/O 引腳。該套件提供了適當的連接器,用于將模塊連接到天線、電源和主機處理器;而且具有板載 SIM 卡座,可容納 GNSS(全球導航衛星系統)子卡。GNSS 設備通常會與蜂窩無線電配對,可用于跟蹤應用。(有關 GNSS 設備和模塊的更多信息,請參閱“使用 GNSS 模塊快速設計位置跟蹤系統”和“使用經濟高效的 GNSS 模塊實現跟蹤應用的快速采集和高精度”。)

u-blox 的 EVK-R4 開發套件示意圖

圖 4:u-blox 的 EVK-R4 開發套件分接了 u-blox SARA-R410M 模塊的 I/O 引腳,以便于開發。(圖片來源:u-blox)

Hologram, Inc.?通過將 u-blox 的 SARA-R410M 模塊安裝在小型 USB 板上,開發出?HOL-NOVA-R410。此解決方案提供了一種快速方法,用于將 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射頻收發器功能添加到配備 USB 端口的現有產品中。

u-blox 的 SARA-R410M 蜂窩射頻調制解調器圖片

圖 5:Hologram Inc 的 NOVA-R410 將 u-blox 的 SARA-R410M 蜂窩射頻調制解調器放置在小型 USB 載板上,以簡化為配備 USB 的系統添加遠距離物聯網射頻通信的過程。(圖片來源:u-blox)

Nordic Semiconductor?的?nRF9160?系統級封裝 (SiP) 將應用微控制器、完整的 LTE 調制解調器、收發器前端以及電源管理功能,集成到尺寸為 10 x 16 x 1 mm 的封裝中。該模塊包含用于資產跟蹤的 GPS 支持。若將從蜂窩網絡獲得的位置數據與 GPS 衛星三邊測量相結合,可遠程監測設備的位置。

nRF9160 的應用處理器是運行頻率為 64 兆赫的 Arm Cortex-M33,該處理器與 256 千字節 (Kbyte) 的靜態 RAM 和 1 兆字節 (Mbyte) 的閃存相結合。該模塊的 4G LTE 調制解調器采用 3GPP 第 13 版 Cat-M1 和 Cat-NB1,以及第 14 版 Cat-NB1 和 Cat-NB2 協議。

Nordic Semiconductor 的?nRF9160-DK?開發套件針對 nRF9160 模塊而提供,其 nRF9160 模塊安裝在載板上。

Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 開發套件圖片

圖 6:Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 開發套件分接了 nRF9160 蜂窩模塊的所有引腳,用于開發工作,并提供廣泛的軟件支持。(圖片來源:Nordic Semiconductor)

該軟件開發套件 (SDK) 包括:

  • Zephyr Project 可擴展型實時操作系統 (RTOS),適用于 nRF9160
  • MCUboot 安全引導程序
  • nrfxlib RTOS 獨立庫

nRF9160-DK 開發套件的框圖顯示了 nRF9160 可能需要的支持元器件

Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 開發套件框圖

圖 7:Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 開發套件框圖顯示了 nRF9160 蜂窩物聯網 SiP 可能需要的支持元器件。(圖片來源:Nordic Semiconductor)

Nordic 建議使用?Segger Microcontroller Systems?的?Embedded Studio?IDE 來構建 nRF9160 應用程序。Segger Embedded Studio 的專用版本可免費用于 Nordic Semiconductor 器件,包括 nRF9160 SiP。

流量套餐概述

在運營商網絡上部署設備之前,必須首先通過鑒定流程,以確保該設備符合運營商對頻帶和干擾的要求。在進行該流程之前,開發人員需要選擇合適的流量套餐,并考慮該流量套餐的長期成本。為此,此處提供了可用的物聯網蜂窩流量套餐列表,作為有用的資源。

總結

蜂窩物聯網環境正在迅速變化,特別是隨著 5G 蜂窩技術的出現和即將到來的推廣。市場上已有用于蜂窩物聯網應用的射頻模塊,但這些模塊需要生態系統的支持,才能使蜂窩物聯網變得實用。這種生態系統包含所需的軟件開發工具、堆棧和庫,以便將芯片和模塊解決方案轉變為可部署產品。在 5G 普及之前,基于 4G LTE 的模塊將成為未來許多年遠程物聯網感測和控制的可行解決方案。

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距離2020年不到20個交易日,隨之而來的年報業績大戲即將上演。從行業情況看,計算機、通信等行業的龍....
的頭像 汽車玩家 發表于 12-10 09:38 ? 329次 閱讀
5G概念龍頭公司引領行業,業績增長有三條主線

5G和物聯網掀起新的革命浪潮,價值巨大無可限量

當今時代,第五代移動技術(5G)和物聯網(IoT)作為兩大宏觀技術,已經迅速從理想愿景轉向現實應用。
的頭像 獨愛72H 發表于 12-09 16:42 ? 523次 閱讀
5G和物聯網掀起新的革命浪潮,價值巨大無可限量

5G iPhone將于明年亮相 外形發生了一定的變化

據獲悉,5G 版 iPhone12 系列新機將于 2020 年 9 月份在蘋果秋季發布會上登臺亮相,....
發表于 12-09 16:33 ? 336次 閱讀
5G iPhone將于明年亮相 外形發生了一定的變化

毫米波一定比Sub-6強嗎?

首先毫米波是不是真的就比Sub-6強,目前還是一個未知數,不能簡單的就斷言毫米波就一定比Sub-6更....
的頭像 汽車玩家 發表于 12-09 16:15 ? 270次 閱讀
毫米波一定比Sub-6強嗎?

5G的投資之戰,誰會贏得先機

5G商用讓5G行業爆發進入倒計時,行業期待5G帶來顛覆和變革,一場關乎未來的投資之戰正在上演。
的頭像 汽車玩家 發表于 12-09 16:07 ? 427次 閱讀
5G的投資之戰,誰會贏得先機

5G時代下 智能安防產品將迎來更大應用空間

智能硬件是以平臺性底層軟硬件為基礎,以智能傳感互聯、人機交互、新型顯示及大數據處理等新一代信息技術為....
發表于 12-09 15:47 ? 143次 閱讀
5G時代下 智能安防產品將迎來更大應用空間

線纜調制解調器的原理是什么?

線纜調制解調器(簡稱CM),Cable是指有線電視網絡,Modem是調制解調器。平常用Modem通過電話線上互聯網,而線纜調制解調器...
發表于 09-27 09:11 ? 84次 閱讀
線纜調制解調器的原理是什么?

求解答cy8cplc10 plc調制解調器的問題

嗨,伙計們,我想問一些關于CY8CPLC10 PLC調制解調器的問題:1。本地地址和源地址有什么區別?由于本地地址是由主機控制...
發表于 07-23 06:06 ? 470次 閱讀
求解答cy8cplc10 plc調制解調器的問題

解調器是調制式直流放大電路中的一個重要組成部分

      解調器是調制式直流放大電路中的一個重要組成部分。它把已放大了的交流電壓還原為直流電壓,其大小和...
發表于 06-20 07:17 ? 207次 閱讀
解調器是調制式直流放大電路中的一個重要組成部分

完美替代進口的LA72910V/LA72912V/LA72914V

發表于 05-05 09:24 ? 466次 閱讀
完美替代進口的LA72910V/LA72912V/LA72914V

調制解調器構成的調幅電路計算

這個是一個MC1496構成的調幅電路,C2高頻耦合電容,C3是高頻旁路電容,C4低頻旁路電容。12腳輸出調幅信號。整個電路雙電路...
發表于 01-15 15:53 ? 659次 閱讀
調制解調器構成的調幅電路計算

編程風扇和Digi International的XBee RF調制解調器有何優勢?

電子工業是一個不斷發展的有機體。 為了及時了解情況,設計人員必須習慣性地閱讀并觀看有關新產品功能和技術的最新消息。 許多...
發表于 10-31 07:10 ? 563次 閱讀
編程風扇和Digi International的XBee RF調制解調器有何優勢?

高頻電子線路(第五版)高頻必備資料!

本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。為進一步適應電子技術的發展與教學的要求,本書在第四版的基礎上,本著“打好基礎,精...
發表于 09-20 14:50 ? 3671次 閱讀
高頻電子線路(第五版)高頻必備資料!

【沙龍】基于MDM9206芯片的GoKit4(G)的應用實操

【沙龍】基于MDM9206芯片的gokit4(G)的應用實操 物聯網應用開發之道-Qualcomm& 機智云開發者沙龍 摘要: 北上廣深,...
發表于 08-24 17:55 ? 985次 閱讀
【沙龍】基于MDM9206芯片的GoKit4(G)的應用實操

請問ad630做調制解調器時的載波頻率能達到多少?

用ad630做調制解調器。載波輸入的頻率最大就1MHz左右。還有我感覺7腳應該是頻率與載波一樣的方波,但是我測得只有在頻率低的時...
發表于 08-10 07:22 ? 788次 閱讀
請問ad630做調制解調器時的載波頻率能達到多少?

LoRa?調制解調器相關設計操作

今天繼上次跟大家說的SX1276/77/78的概要后,說下有關LoRa?調制解調器相關設計操作。好了,不說廢話直接進入主題。 LoRa...
發表于 08-03 15:11 ? 1027次 閱讀
LoRa?調制解調器相關設計操作
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