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

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

要證明蜂窩IoT的終端設備已通過性能和質量保證測試，便需要驗證；而這些測試是滿足監(jiān)管機構的網(wǎng)絡連接規(guī)范。產(chǎn)品若沒有完成驗證，就無法推出市場。

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。

一般來說，芯片組供貨商會對芯片組進行驗證。接著，模塊供貨商會將芯片組整合進模塊并進行驗證。然后，將該模塊集成到終端產(chǎn)品中，再進行驗證。

但是，也有少數(shù)例外。其中一例是Nordic采用系統(tǒng)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)絡使用。

如果要以僅通過模塊驗證程序的模塊來將設備連接到網(wǎng)絡，便要獲得運營商的特別許可，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)品以進行終端設備驗證。這可能既耗時又昂貴，需要經(jīng)過多次設計迭代才能進入生產(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險并節(jié)省時間和金錢的途徑，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，包括天線連接以及增加電壓調節(jié)功能，因此在設計上可以再進一步，創(chuàng)造一個功能全面的調制解調器。由于嵌入式調制解調器是一個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驗證和測試的蜂窩IoT設計，而且一旦被整合進終端產(chǎn)品中，就不需要進一步的驗證。

美國嵌入式調制解調器公司NimbeLink所推出的Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160是第一個公開發(fā)布并通過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(shù)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)過蜂窩技術運營商的驗證程序，就可以加入LTE-M或NB-IoT網(wǎng)絡。

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

3 簡化蜂窩IoT設計

nRF9160 SiP和相關的開發(fā)工具在很大程度上消除了蜂窩IoT設計的復雜性，并且簡化了驗證程序，以鼓勵幾乎沒有或者完全沒有蜂窩IoT經(jīng)驗的企業(yè)進入這個領域。

這款SiP專用的應用程序內存空間使得開發(fā)人員可以移植和執(zhí)行自己開發(fā)的程序代碼，同時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(qū)中。

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

想要在產(chǎn)品設計中增加蜂窩IoT連接功能的開發(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將實現(xiàn)高成長

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

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

而除了目前進行中的大規(guī)?；A設施的部署之外，有一個正在威脅采用蜂窩IoT技術的因素，就是它的復雜性。某些供貨商的LTE-M產(chǎn)品在新產(chǎn)品開發(fā)階段時就陷于挑戰(zhàn)，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技術滿足了驗證、可靠性、互操作性要求且高度安全。在目前，沒有任何競爭的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已發(fā)展世界的基礎建設。智能照明完美融合了無線網(wǎng)絡技術的連接性、控制性和可擴展性，以及固態(tài)照明(SSL)的美學、效率和長使用壽命。這種融合的完美之處，幾乎可以說是LED和IoT的低功耗無線連接(這兩項支撐智能照明的技術)已經(jīng)成為一體。實際上，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。

產(chǎn)業(yè)分析公司IndustryARC表示，智能照明(無線連接的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價值68.7億美元，并呈現(xiàn)兩位數(shù)的年增長率。

這樣的增長部分是由LED的綠色證書(green credential)所帶動的，該技術可以節(jié)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(jié)能75%，使用壽命則延長25倍。僅僅是在美國一地，以LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jié)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(xù)的技術這么簡單而已。由于照明是每棟建筑結構的基本元素，每臺燈具內置無線技術后不但可以簡化配置和控制，以獲得最佳照明效果，還可支持各種分布式傳感器，通過協(xié)調來節(jié)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(xiàn)有的照明基礎設施上大幅增加更多的附加價值。根據(jù)藍牙技術聯(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(jié)省多達50%的照明能源成本，而且，使用智能照明技術所實現(xiàn)的附加服務價值，甚至可能比節(jié)能的價值高十倍。換句話說，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(tǒng)”，它使用“神經(jīng)”和“脊椎”在網(wǎng)絡上收集感覺信息，管理數(shù)據(jù)并指示在適當時候進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。照明無所不在，因此照明系統(tǒng)可以成為遠遠超越照明功能的平臺。

現(xiàn)在還未走到這一步。網(wǎng)狀網(wǎng)絡 (mesh networking)是關鍵，雖然可以擴展和支持節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，以及用于智能建筑或城市所有傳感器數(shù)據(jù)的吞吐量等條件都還不是很成熟，但是它們已日漸進步，并且也取得了重大進展，讓LaaP的所有固有優(yōu)勢得以實現(xiàn)。

隨著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、Thread或Zigbee無線連接燈具所取代，開發(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(shù)據(jù)驅動的應用奠定了基礎。資產(chǎn)追蹤及保護、測向功能、安全性、空間優(yōu)化、市場營銷以及居住者的生產(chǎn)力和安適感，將可全部由我們頭頂上的燈具來助力實施，同時通過蜂窩IoT進行全球通信。

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）