设计师指南：LTE-M 模块扩展了低功耗物联网的范围和移动性

作者：Richard Quinnell，主编

物联网中的许多设备都使用 Wi-Fi 作为与云的链接，但有许多应用程序需要 Wi-Fi 无法提供的移动性和广域连接。对于此类应用，提供了各种低功耗广域网 (LPWAN) 技术，但大多数都需要创建专有服务网络以提供广泛的覆盖范围。现在，蜂窝电话网络正在对现有的 LTE 服务实施一种变体，以满足物联网的 LPWAN 需求，而预先认证的模块是设计人员寻求快速进入此类应用空间的关键。

只要设备保持在网络的典型 50 米范围内，广受欢迎的 Wi-Fi 就适用于广泛的物联网应用。甚至可以将范围扩大到一公里左右。但是有许多现有和潜在的物联网应用程序需要比 Wi-Fi 提供更多的位置和移动自由度。其中大部分还必须由电池供电，这是对耗电 Wi-Fi 的第二次打击。这些应用需要的是低功耗广域网 (LPWAN)。

为了让电池供电的物联网设备远离接入点并在广阔的——甚至洲际——的距离上自由漫游，出现了许多替代的 LPWAN 技术。其中包括 LoRa、Sigfox 和 Weightless 等选项。但它们都有相同的缺点：它们的使用取决于首先建立一个覆盖物联网设备运行的地理区域的接入点网络。在大多数情况下，这些 LPWAN 替代方案只建立了覆盖范围非常有限的网络。许多替代方案不允许设备轻松地从一个接入点漫游到另一个接入点。

 

然而，有一种类型的无线网络覆盖了世界的广大地区并支持在接入点之间漫游而不会失去连接：蜂窝电话。蜂窝连接支持的自由导致了许多不同的尝试利用网络进行物联网通信。一些应用程序使用搭载用户手机的方法连接到云，但这有很多限制，其中最重要的是要求活动电话需要始终在附近。其他人只是简单地将手机功能内置到物联网设备中，但这种方法有其自身的局限性。蜂窝网络最初不是为支持数据流量而设计的，因此功率要求、呼叫设置复杂性和连接成本都是问题。

不过，蜂窝行业一直在努力解决这些问题，尤其是在 2016 年采用3GPP 第 13 版后，这为将物联网引入蜂窝行业的长期演进 (LTE) 计划奠定了基础。Release 13 有两种方法在 LTE 网络上提供物联网优化连接：LTE 类别-M1，也称为 LTE CAT-M 和 LTE-M，以及 LTE 类别-M2，也称为 CAT-NB1 或简称窄带物联网 (NB-IoT)。这些是现有蜂窝技术的变体，支持需要相对不频繁的、面向块的数据传输的设备，而不是智能手机数据的连续流。与以前的蜂窝物联网选项相比，它们在建立连接时需要更少的握手和开销，并且平均能量消耗也更少。事实上，标准的设计目标包括允许设备在电池上实现 10 年的使用寿命。与其他蜂窝物联网相比，这些 LTE 选项与服务提供商的连接成本也低得多。

目前正在建立对 CAT-M 和 NB-IoT 的网络支持，其中 CAT-M 在北美占主导地位，NB-IoT 在世界其他地方越来越受欢迎。在美国，蜂窝服务提供商 Verizon 正在扩大其网络的 CAT-M 覆盖范围，AT&T 和 T-Mobile 紧随其后。到 2020 年，物联网开发人员将可以使用这种方法访问近乎大陆的覆盖范围。

但是，利用这一机会将设计推向市场是一项重大挑战。任何通过 FCC 认证为其无线设备工作的人都知道，需要相当多的射频专业知识才能确保产品通过所有合规性测试。使用蜂窝连接时，问题会加倍。蜂窝服务提供商还要求在允许设备连接之前，对设计进行认证以与他们的网络一起使用，并且他们的测试与 FCC 认证不同。此外，服务提供商都有略微不同的专门针对其网络的认证要求。

LTE CAT-M 模块简化了蜂窝物联网设计到目前为止，满足所有这些认证的最简单、最便宜和最快的方法是围绕已经获得 FCC 和运营商认证的 CAT-M 调制解调器模块构建设备。幸运的是，许多这样的调制解调器已经可用，而且还会有更多。但是，找到正确的模块需要开发人员仔细考虑几个关键参数。

模块提供由监管机构和运营商预先认证的插入式蜂窝连接。图片来源：金雅拓。

其中之一当然是功率要求，这反过来又决定了电池寿命。但是，如果不了解所需的无线电范围、数据处理要求、每条消息交换的数据量、数据速率（这会影响发送消息所需的时间）以及消息的频率等应用特性，就很难指定功率要求将被发送。该调制解调器可以提供电源管理功能，例如第 13 版的省电模式 (PSM) 和扩展的非连续接收 (eDRX) 功能，该功能允许设备长时间休眠而不会丢失与网络的链接。

为了了解设计的电池寿命，开发人员需要查看这些系统因素以及模块属性，例如睡眠模式电流、有源接收器电流、有源传输电流、从睡眠模式转换到活动模式所花费的时间，等等。对地理定位信息的需求还可能需要对模块可能包括的任何全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器进行功率评估。

除了计算设计的平均功耗外，开发人员还需要注意峰值功率需求并相应地规划他们的系统。当发射器处于活动状态时，根据平均功率使用提供较长工作寿命的电池可能无法很好地提供电流浪涌。在设备的电源设计中可能需要一个补充储能系统，例如超级电容器。

然后是需要考虑的无线电要求。无线电将在其上运行的频道以及运营商认证对于确保模块在产品的目标地理区域内发挥作用至关重要。对于那些寻求全球运营的人来说，一个模块支持 NB-IoT 以及 CAT-M 的能力将很重要。诸如最大发射功率和接收器灵敏度之类的因素也会影响到链路预算计算，从而确定模块与蜂窝塔的有效范围。

开发人员还应检查其系统所需的 CAT-M 调制解调器类型。有些只是用作主机应用处理器的 IO 外围设备的收发器。其他人则拥有处理和 IO 资源来充当调制解调器和应用处理器。检查调制解调器提供的接口将有助于揭示模块可以服务的方式，模块大小将显示它是否满足产品的空间限制。

为了让您开始为您的应用寻找合适的模块，EP 准备了一份选择指南。您可以使用下面的链接下载完整版本。

有许多运营商认证的模块可供开发人员基本上投入到他们的产品设计中，还有一些芯片组，更雄心勃勃的开发团队可以使用这些芯片组创建自己的 LTE CAT-M 调制解调器。为了让您开始搜索，EP 准备了一个代表性模块产品的摘要图表，您可以使用本文末尾的链接下载该图表（需要 EP 注册）。开发人员还可以查看提供 LTE CAT-M 服务的运营商的网站，例如AT&T或Verizon，以获取他们已为其网络认证的模块列表。

但请注意，蜂窝物联网是一个移动的目标。第 13 版定义了系统所需的基本操作，但仍在不断添加。例如，一些模块现在支持 LTE 语音 (VoLTE)，这将允许物联网设备为其用户提供语音通道。模块制造商 Sequans Communications 正在与软件公司合作 PoLTE Corporation将嵌入不依赖于 GNSS 的定位技术。毫无疑问，更多的增强功能正在进行中。

但是，如果您要赶上 LTE CAT-M 模块将支持的远程移动物联网设备的初始浪潮，那么现在是开始的时候了。幸运的是，许多模块供应商以及其他供应商都提供开发工具包，允许在网络完成构建时对该技术进行试验。并非每个移动物联网应用都需要蜂窝连接，但在需要时，这些 LTE CAT-M 模块可以帮助加速设计进入市场。

审核编辑 黄昊宇