基于M2M市场的无线设计挑战与方案

选择无线调制解调器时，需要考虑一系列功能。我们在这里介绍了这些。

机器对机器 （M2M） 连接的增长速度现在远远超过人与人之间的新连接，很快就会有比通过蜂窝网络连接的人多得多的机器，如图 1 中 GSM 协会的预测所示。这些机器包括安全系统、仪表、机器人、自动售货站、资产跟踪器和紧急呼叫系统。种类与日俱增，数以百万计的机器每周 7 天，每天 24 小时交换数据，无需人工干预，无声对话也在增加。

图 1： M2M 通信的增长。

与此同时，连接到互联网变得更便宜、更容易，甚至大规模生产的计算设备也能够收集和处理越来越多的数据。随着 IP 版本 6 （IPv6） 的引入，已经分配了超过 40 亿个 IP 版本 4 （IPv4） 地址的一个潜在瓶颈是更大的 M2M 连接的一个潜在瓶颈。这支持2128个地址，足以让地球上的每一粒沙子都有自己的地址。因此，第四代移动网络 （4G） LTE 旨在通过 IPv6 提供数据、语音和视频等服务，这也许不足为奇。

要加入 M2M 网络革命，只需在机器中嵌入小型、经济的（无线）调制解调器。在需要建立位置、速度或导航信息的地方，机器还需要 GPS 或 GNSS（全球导航卫星系统）接收器。这两个带有天线的组件都可以轻松安装在比手机还小的设备中。GNSS 是卫星导航系统的标准通用术语，可提供全球覆盖的自主地理空间定位。它包括 GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、伽利略（欧洲）、北斗（中国）和其他区域系统。

在考虑如何为机器配备通信能力时，首先要考虑应用程序的需求。产品寿命、地理网络覆盖范围或考虑未来无线网络升级的面向未来的因素都是重要的考虑因素。以下是选择无线调制解调器时要考虑的一些产品功能。

电池寿命至关重要

电池充电或更换之间的时间对于某些产品的成功至关重要。例如，如果通过空运或公路运输，安装在集装箱上的跟踪设备可能需要运行数天，如果通过海运，则可能需要运行数周。电池寿命必须足以支持这些时间尺度。

手机通常充电后可以运行两到三天。因此，消费者对健康和健身设备使用寿命的期望将是相似的。在比较这些应用中的调制解调器和 GNSS 接收器规格时，工作和待机电流消耗以及省电功能都很重要。后者可能包括自动唤醒功能和智能省电模式，例如在不唤醒主机处理器的情况下自主记录数据的能力。理想情况下，组件应该只在需要时唤醒。

移动性需要多标准合规性

人员和货物的全球流动性正在增加，因此考虑调制解调器今天需要在哪里工作以及将来可能需要在哪里工作非常重要。GSM 由全球四个主要频段支持，UMTS 由六个频段和 LTE 超过 30 个频段支持。电表通常是静态的，而资源管理系统可能需要在世界所有地区工作，并且应该包括四频或双频频段 GSM 调制解调器（取决于位置）或六频段 UMTS 调制解调器。

经认证的调制解调器可加速产品审批

任何蜂窝网络设备，无论是用于 GSM、UMTS 还是 LTE，都需要监管、行业和运营商认证。如果设备中嵌入的调制解调器经过认证，它会显着简化并加快认证过程。

今天需要的东西明天可能会有所不同

虽然 GSM/GPRS 网络完全能够处理远程计量应用中传输的少量数据，但 GSM 频段已经被考虑重新分配给 3G 和 4G 服务。为了节省面向未来的费用，在设计时考虑到未来的技术标准是一个好主意。今天，这意味着使用 UMTS/HSPA 或 LTE 调制解调器进行设计，或者至少使用面向未来的硬件来简化升级。

嵌套设计简化技术升级

蜂窝 M2M 技术正在不断发展，在设计支持蜂窝连接的新设备时，重要的是要考虑其可升级到更新技术以优化设计成本。在这里，整个蜂窝调制解调器范围（GSM、UMTS、CDMA 和 LTE）都具有布局兼容性。通过这种方法，一个 PCB 布局可用于所有最终产品变化，确保蜂窝技术和模块代之间的轻松迁移，这也归功于不同模块内的 AT 命令兼容性。

带宽需求很少减少

跟踪应用程序的带宽需求只向一个方向发展——向上——因此考虑连接的生命周期成本很重要。根据它在三到五年内可能需要做的事情来选择调制解调器，或者至少选择一个易于升级的调制解调器。

汽车特殊需求

在车载系统中，温度、湿度和振动可能是极端的。在 ISO/TS 16949 认证场所制造的符合 AEC-Q100 标准的设备将确保可靠、长寿命的运行。每个组件的资格测试应符合 ISO16750，道路车辆 - 电气和电子设备的环境条件和测试。这适用于在苛刻环境中运行的车载和工业设备，例如船舶或轨道车。

紧急呼叫系统越来越受欢迎

越来越多的汽车配备了自动报告事故或在被盗后帮助恢复的系统。美国、欧洲、俄罗斯和巴西已经制定了支持此类系统的计划，政府授权将越来越需要这些计划。对于这些应用，通常需要“带内调制解调器”。它通过调制解调器语音通道发送数据，其方式类似于传真机通过电话线发送数据。这是必要的，因为运营商在移动网络中优先考虑语音而不是数据。在发生事故时，语音通道成为将数据传输到紧急服务的关键环节。检查建议的解决方案是否支持 2G 和 3G 网络上的带内调制解调器。

城市环境中的辅助定位

在卫星可能被高层建筑阻挡的城市环境中，可以通过调用远程 A-GPS 服务器来克服位置概览丢失的问题。这个简单的过程使用无线调制解调器从 Internet 下载几个字节的卫星轨道数据。有了这些辅助数据，可见卫星只需可见几秒钟即可计算位置，而不是接收整个 1，500 位卫星帧所需的整整 30 秒。

检查 GPS 接收器供应商是否提供具有保证可用性的在线帮助，并且这涵盖了感兴趣的地理区域。客户端软件应该透明地支持该服务，并且定位接收器和无线调制解调器都应该有一个接口来支持该服务。该服务可用于 GPS 和 GLONASS 也越来越重要。

航位推算支持从传感器推断定位数据

卫星信号可以辅以航位推算支持，根据来自车辆传感器的数据推断位置和速度，如图 4 所示。这种方法有助于确定车辆在隧道或其他卫星接收暂时不可用的位置的位置。它在基于车辆的远程信息处理中很有用，包括保险跟踪系统，它可以准确记录位置、航向和速度。

图 4：航位推算从车辆传感器（包括陀螺仪和车轮刻度传感器）推断位置数据。

检查定位接收器是否为汽车级，支持航位推算，并且可以插入车辆的 CAN 总线以获取数据。此外，确保它们可以直接与陀螺仪和里程表等车辆传感器连接，并且供应商提供评估环境来加速产品开发。

通过结合卫星和蜂窝数据可以实现室内定位

在需要确定大致室内位置的情况下，将卫星接收器与无线调制解调器相结合可以克服卫星信号被墙壁或其他障碍物阻挡的问题。这种混合解决方案利用了 2G 或 3G 小区的可见性，因为 GSM 或 UMTS 信号很容易穿透墙壁。在已知可见移动小区的边界的情况下，可以通过知道小区重叠的位置来计算近似位置。这种方法需要与外部服务建立无线连接，类似于辅助定位。检查定位接收器和无线调制解调器供应商是否可以提供这样的解决方案，并且它已经过验证并提供在线服务。确保系统的准确性也很重要。

定位系统兼容性

直到最近，GPS 还是系统设计人员唯一需要考虑的问题。现在，有俄罗斯的 GLONASS、日本的 QZSS、中国的北斗和欧洲的伽利略。将需要与 GPS 以及至少一个其他卫星系统的兼容性，以提高系统的可靠性和准确性，并履行地方政府与他们自己的系统兼容的任务。同时使用两个系统的并行操作可能是规范的一部分。一个例子是俄罗斯新的 ERA-GLONASS 车辆紧急呼叫系统，它需要与 GLONASS 兼容。寻找提供多 GNSS 支持并提供并行 GPS/GLONASS 或 GPS/北斗接收的 GPS/GNSS 接收器。

这些只是向 M2M 产品添加无线连接时的一些考虑因素。请记住，无线和定位等许多新标准都在过渡。重要的是要考虑产品在其生命周期内的操作以及它将服务于哪些市场。此外，考虑是否重要的是包括对下一代性能和网络覆盖的设计支持，或者选择设计以便在现场轻松升级产品。

作者：Thomas Nigg，Stefano Moioli

审核编辑：郭