无线模块在AI与物联网应用中的发展

无线技术正经历着巨大的变化。 蜂窝市场正在从 3G 向 LTE、LTE Advanced 和 LTE Advanced Pro 转变，以提高数据速率并降低功耗，这一切都有赖于下一代 5G 技术。 这将带来许多更高频率的频段，以实现更高的数据速率。 此外还将引入当前在非许可频段（例如 Wi-Fi）中使用的其他技术。

同时，运营商和开发人员密切关注蜂窝无线技术的进步，以便为物联网 （IoT） 提供低成本、可靠且可扩展的无线链路。 对于这些应用，驱动因素是功耗和电池寿命，并且窄带解决方案目前也不断涌现。 与此同时，像蓝牙和 ZigBee 这样的规范有了最新发展，现在也面向物联网应用了。 蓝牙 5 承诺以更低的功耗提供更大的覆盖范围和更高的数据速率，ZigBee 3.0 则以更低的功耗提供网状网络。

所有这些都会令设计工程师头疼不已。 为低成本、低功耗全球应用选择无线协议可能非常复杂并且不太稳定。

模块制造商尝试应对此挑战的方法之一是通过通用封装。 例如，Sierra Wireless 为此专门对其所有无线开发工作采用模块化方法。 AirPrime HL 系列中的 2G、3G 和 4G 嵌入式模块系列提供了器件制造商满足基本连接要求所需的一切要素。 所有不同蜂窝技术全部采用一个通用外形尺寸，并具有小尺寸、低功耗特性和增强的射频性能。此外，还为美国的 GPS 和俄罗斯的 GLONASS 卫星系统提供 GNSS 导航和全球覆盖支持选择。

图 1：由于无线模块具有通用的外形尺寸，因而可以在板上轻松添加各代技术。

只需一个 PCB 设计，设备制造商就能轻松集成语音和数据连接，并在任何无线移动网络上的任何区域进行部署（如图 1 所示）。 Sierra 还考虑了在外形尺寸中包含模块焊接选择，以提高大批量生产的效率，或在相同焊盘上使用咬接插座，以便为原型开发或小批量生产提供绝佳的灵活性（图 2）。 利用此咬接插座，设备制造商可以在生产过程和产品生命周期内的任何时间点使用通用封装部署或更改模块。

外形尺寸上的通用引脚布局可实现不同 2G、3G 和 4G 模块变体之间的向前和向后兼容性。 这意味着，机械引脚位置可在不同系列之间提供相同功能。 不仅如此，HL 系列的引脚布局还能与 WP 应用处理系列兼容。

图 2：利用咬接插座，任何通用模块都能在原型系统中完成测试或用于小批量生产。

但无线模块的未来不只关乎硬件。 软件和固件是系统中越来越重要的一个组件。 利用 Sierra 基于云的 AirVantage 无线 （OTA） 服务，用户可以直接连接并管理任意规模的一组远程机器。 这样可以使用开放 M2M 开发工具和标准将机器数据整合到企业系统。

Sierra 领导制定标准的 Eclipse 物联网工作组，并在 Github 开源库中提供应用程序编程接口 （API），包括 AirVantage API 的 Node.js 示例。 此示例使用 Clojure 中的 Airvantage REST API（即 Go 中一个简单的 OAuth2 + JSon 客户端）从 AirVantage 收集网关列表以及收集从 Ruby、PHP 和 Java 访问 AirVantage API 的方式；此外还使用一个轻便、灵活的 Shell 脚本，实现与 AirVantage M2M 云 API 在命令行中进行交互。

类似地，NimbeLink 的 Skywire LTE CAT1 调制解调器面向长寿命的应用，因此必须考虑不断变化的无线技术。 此调制解调器采用与 Skywire 系列相同的小尺寸和 XBEE 接口，并与 NimbeLink 的开发套件及微处理器扩展板兼容，可快速、轻松地将蜂窝连接集成到产品中。 使用 XBEE 的标准接口可简化到其他蜂窝技术的迁移过程，并能随着新技术的成熟而延长产品寿命。

蜂窝领域很清楚来自非许可技术（例如蓝牙、Wi-Fi 和 ZigBee）的威胁，因此一直致力于建立自己的低数据速率标准。 第 13 版 3GPP 规范就包含了窄带物联网（LTE Cat. NB1）标准，首次面向物联网开放蜂窝网络的使用。

这让蜂窝模块在智能建筑和城市、公用事业计量、白色家电、资产跟踪以及农业和环境监控等应用中拥有 10 至 20 年的电池寿命。 沃达丰、德国电信和华为在智能计量和停车应用中的试验已证明，NB-IoT 网络的运营效率高于 GPRS。 NB-IoT 模块将于 2016 年下半年上市，其峰值下行速率高达 227 kbps，上行速率高达 21 kbps，并将功耗保持在低水平，可提供十到二十年的电池寿命。 同时支持三个射频 （RF） 频带意味着同一模块可用于大多数地理区域。

LTE 发展 窄带解决方案 下一代 LTE-M 13 版 NB-LTE 13 版 EC-GSM 13 版 5G 范围（室外） 《 11 km 《 15 km 《 15 km 《 15 km MCL 156 dB 164 dB 164 dB 164 dB 频谱 已许可

（7-900 MHz） 已许可

（7-900 MHz） 已许可

（8-900 MHz） 已许可

（7-900 MHz） 带宽 1.4 MHz 或共享 200 kHz 或共享 2.4 MHz 或共享 共享 数据速率 《 1 Mbps 《 150 kbps 10 kbps 《 1 Mbps 电池寿命 》 10 年 》 10 年 》 10 年 》 10 年 上市时间 2016 年 2016 年 2016 年 2025 年

图 3：窄带物联网模块将于 2016 年下半年发布（来源：3GPP）

NB-IoT 降低了设备复杂性，操作功耗超低，并且每个蜂窝单元可支持多达 150，000 个设备。 最重要的是，相比 GPRS，该技术可提供 20 dB 的链路预算改进，能够在地下或建筑物内部等覆盖不良的条件下提供出色的性能。

但是，非许可频带的无线技术也在不断发展中。 蓝牙 5 承诺提供四倍于目前版本的覆盖范围以及两倍的带宽，以创建“无连接”的物联网。 蓝牙 5 解决了旧版本在物联网中部署遭遇的一些难题。

这一新技术将在 2016 年下半年或 2017 年年初发布，采用此技术的模块覆盖范围相比当前版本大幅增加四倍，最高可达 50 米，速度可达 2 Mb/s。 扩大覆盖范围将提供稳定可靠的物联网连接，使全家、建筑物和户外应用成为现实，同时，更高的速度可更快发送数据并优化响应能力。

但该技术在硅和模块中的实现将决定总功耗和电池寿命。

此外还有相关的计划，进一步通过这些硬件模块剥离物联网的复杂性，并实现智能家居即服务 （SHaaS） 模式。 由于单个传感器可用于多种应用，因而可减少需要的传感器总数和维护工作并降低冗余度。 例如，运动传感器可用于安防系统、照明控制、家居环境管理、娱乐选择、家庭生活方式，甚至用于喂养家庭宠物。

图 4： 除了通信层的可用射频标准外，应用层也存在大量的竞争标准。

SHaaS 无需构建您自己的网络便能提供一系列服务，用于分析智能家居传感器的输入，学习家庭生活及家居使用方式，并做出明智的决定，从而提高家庭舒适度、安全性和能源效率。

家中传感器提供的信息将由本地中枢以无线方式收集，并安全地传输至负责收集和分析数据的智能云服务。 在初始安装后，云端算法只需一到两周的时间便能为应用累积足够的数据，以“学习”家庭生活方式，并能在发生突发或剧变事件时发送提示。

所有服务需要整合到一个采用单一用户界面的易用型仪表板，同时服务提供商会处理客户支持、计费、用户管理以及软件和服务升级及更改。

这使智能家居变得易于使用、便于管理，并且能有效地为居民提供安全、保障和舒适环境，更能为服务提供商提供有价值的收入来源。 设备和系统开发人员需要合作开发硬件、软件和网络智能，才能打造出这一水准的服务。

结论

应用与技术一样，对无线模块未来的影响巨大，并且在这一发展过程中，软件正在发挥越来越重要的作用。 NB-IoT 等新硬件标准提供了诸多优势，辅以通用的模块封装，令无线节点的设计变得更加简单。 复杂性随之转移到模块中的软件上，加上 OTA 更新以及与应用的集成，将创造出像智能家居即服务这样的全新市场。