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开启万物互联的钥匙:双模物联网技术深度解析

本文作者:木子 2017-09-28 09:58
导语:物联网是当下最炙手可热的科技概念之一。

开启万物互联的钥匙:双模物联网技术深度解析

物联网是当下最炙手可热的科技概念之一。所谓物联网,本质上是互联网技术的进一步延伸。传统的互联网中,连接的设备主要是PC、手机、平板等个人终端,相当于以“人”为连接对象;随着技术的发展,未来的物联网将会连接生产生活中涉及到的几乎一切设备,也就是将“万物”作为连接对象。从连接人与人到连接人与物、物与物,这将是互联网的一场影响深远的革命。

既然物联网的目标是连接万物,物联网必然要在现有的互联网,尤其是移动互联网基础上进行建设,这样才能具备广泛的覆盖能力和良好的兼容性。因此,物联网技术从诞生伊始,就与移动互联网技术是共生共进的关系。在美国高通公司等行业领导者制定移动互联网的升级标准——千兆级LTE的相关规范时,特别加入了对物联网的相关支持,并同时制订了物联网的两大标准:Cat-NB1和Cat-M1。基于这两大标准,物联网的建设就有了坚实的基础。随着千兆级LTE网络的推广,物联网也将迎来爆发式增长的热潮。

什么是LTE物联网?

在3GPP开发的4G移动互联网技术标准第13版(Cat.13)中,引入了一套面向物联网优化的全新窄带技术,称为LTE物联网。

开启万物互联的钥匙:双模物联网技术深度解析

图1:LTE物联网是以LTE移动互联网为基础的物联网技术标准

与传统的个人计算设备不同,接入物联网的设备对联网带宽的要求往往较低,更加重视长时间工作的稳定性、持续性,同时希望联网消耗的电力与相关的成本尽可能减少。在这样的背景下,高通公司主导提出了能够高效支持较低数据速率应用的两个全新用户设备(UE)类别,分别适用于LTE Cat-M1(eMTC)和LTE Cat-NB1(NB-IoT)标准。前者可以提供广泛的物联网应用覆盖,并且令物联网设备具备一定的计算能力,而后者针对低成本物联网应用场景进一步缩减了成本和功率。

开启万物互联的钥匙:双模物联网技术深度解析

图2:LTE物联网的两大标准,Cat-M1与Cat-NB1

Cat-M1和Cat-NB1都是4G LTE路线图的一部分,设计为与现有的LTE基础设施、频谱和设备共存。LTE物联网带来了诸多改进,包括降低复杂性支持更低成本的设备、提供更节能的低功率模式,并使用全新的先进传输技术深化覆盖面。LTE物联网的核心网络也进行了加强,能够更高效地处理以物联网为中心的流量,支持海量的设备连接。

Cat-M1与Cat-NB1标准详解

高通公司研发的MDM9206双模物联网芯片是最早同时支持LTE物联网两大规范的物联网芯片产品,简单来说就是物联网界的“全网通”产品。以这款芯片为例,我们来具体了解一下Cat-M1与Cat-NB1两种标准的技术细节。

Cat-M1

LTE Cat-M1又称eMTC(增强型机器类型通信),其目的是提供最广泛的物联网功能。其最高可实现1Mbps的数据速率,但只在4G LTE移动互联网频谱中使用1.4MHZ设备带宽。

Cat-M1可以和现有的LTE常规流量全面共存,也支持语音(VoLTE)连接,并具备有限到完全的移动性。在增强型覆盖模式中,Cat-M1还可以获得15db的信号提升,增强信号的穿透能力与覆盖面。

例如,配备MDM9206物联网芯片的一种生产线自动巡查小车能够在1Mbps的通信速率下与控制室连接,将传感器获得的生产线图像数据乃至音频信号实时回传到位;小车在高速移动时也能保持良好的连接性能,且在进入室内结构较复杂、信号不佳的厂区时仍旧可以在增强型覆盖模式的帮助下保持通信。工厂并不需要单独厂内的物联网设备建立私有无线局域网,因为4G LTE网络已经在厂区内有着良好的覆盖。

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图3:两大物联网标准与LTE常规标准之间的对比

Cat-NB1

LTE Cat-NB1又称NB-IoT(窄带物联网)。与Cat-M1相比,Cat-NB1进一步降低了设备复杂性并扩展了网络覆盖面,从而应对低端物联网使用场景的需求。

Cat-NB1使用窄带工作,仅在LTE网络中消耗200Khz的设备带宽,实现数十kbps的数据速率。与Cat-M1相比,Cat-NB1牺牲了数据速率和功能(无移动能力和语音支持),但信号有5db的额外增益,覆盖面更加广泛。

例如,一种配备MDM9206物联网芯片的固定式道路传感器安装在常见的路灯基座中,可以收集周围路面的噪声、空气质量、车流量等数据,并通过LTE物联网间隔地传回市政数据库。由于Cat-NB1的覆盖面优势,这种传感器可以安装在非常偏远的道路旁,而无需市政部门为其提供额外的网络建设支持。

双模物联网——开启物联网普及大门的钥匙

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从上文的介绍中我们能够注意到,虽然两种物联网标准有着较大的区别,适用于不同的应用场景,但是高通公司的MDM9206物联网芯片却可以同时支持这两大标准,兼容两类应用环境。这就是高通公司在物联网芯片方面的重要创新:双模物联网技术。

物联网芯片是设备接入物联网的关键,相当于移动互联网终端的调制解调器,其重要性不言而喻。但相较移动终端,物联网设备对物联网芯片的功率、成本都有非常严格的约束,这就对物联网芯片的水平提出了很高的要求。

与此同时,两大物联网应用场景并不是互斥的。事实上,很多物联网设备需要经常在移动/高速率与固定/低速率两种工作状态间来回切换,这就意味着它们需要同时兼容两种物联网标准,并在两种网络间迅速、无缝地切换。例如,远程传感器在平时以低速模式间断传输常规数据,遇到突发事件时就要切换到高速模式,实时传送视频、音频等复杂信息;共享单车在骑行状态下以移动模式与控制中心通信,而停放时则切换到固定模式以节约电力,等等。

另外,在运营商部署LTE物联网的过程中,Cat-M1与Cat-NB1两大标准的推广并不是完全同步的。可能出现的情况是,某些地区先上马了M1,某些地区则先推广了NB1。因此,业务范围广泛的企业在部署物联网设备时,更需要考虑大批量采购的设备对两种规范的良好兼容性,以降低部署成本和难度。

因此,开发物联网设备的企业要使自己的产品具备竞争优势,获得更多客户的青睐并迅速推广,就需要为设备同时提供对两种物联网规范的良好支持能力,同时还要保持较低的成本和设备功耗。显然,实现这一目标的关键就在于物联网芯片。

高通公司的双模物联网芯片正是在预见到了这一市场趋势而研发的产品。MDM9206双模物联网芯片在单芯片内实现了对Cat-M1和Cat-NB1的完整支持,同时具备出色的可靠性、足够低的功耗和非常有竞争力的全寿命期成本。

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图4:高通MDM9206双模物联网芯片参数

MDM9206同时支持TDD和FDD两大LTE标准,使设备可以兼容不同国家、不同运营商的LTE网络;支持GPS、GLONASS、北斗和伽利略几大卫星定位技术,在各大洲都能有出色的定位能力;基于Cortex-A7核心的处理器最高工作在1.3GHZ,兼具性能和低功耗特性;同时支持Linux和ThreadX软件平台,兼容性更出色。此外,MDM9206还支持高通受信任执行环境、加密引擎、安全启动等多项安全功能,保护物联网设备不受恶意攻击等网络威胁的影响。

在MDM9206双模物联网芯片的支持下,物联网设备就能在全球各国的各种环境、各种LTE标准、定位标准、软件开发环境下都发挥出色的连接能力。研发一款物联网设备,立刻就能推销到全球数十个重要市场,大大增强了设备开发企业的竞争力,显著降低了企业研发、推广中的市场风险。

与此同时,双模物联网芯片的普及也将明显降低运营商在推广LTE物联网,进行相关建设时的难度。运营商可以根据自身的能力与各地区的具体情况更加灵活地安排网络建设,而不用太过顾及物联网设备的兼容性。高通公司也在与运营商合作,为他们增强LTE网络对物联网的核心支持能力,更好地适应物联网设备的联网需求。

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图5:已经有诸多物联网设备研发企业选择了高通公司MDM9206双模物联网芯片

解决了运营商与物联网设备开发企业的需求痛点,物联网推广、普及的最大障碍就不复存在了。由此可见,高通公司的双模物联网芯片是开启物联网时代的关键环节,其对整个产业的良性发展是至关重要的。相比之下,竞争对手的单模物联网芯片基本上不具备实用性,难以适应物联网时代的复杂需求,事实上已经被市场淘汰。

物联网时代前瞻:万物互连

在成功推出双模物联网技术与MDM9206物联网芯片后,高通公司又将眼光转向了未来的物联网技术发展。

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图6:5G物联网愿景

预计在2019年开始部署的5G移动互联网技术将为物联网带来更大的机遇。5G将是连接新行业、支持新服务并营造新用户体验的更强大统一连接平台,而物联网将是5G不可或缺的一部分。

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图7:高通公司在5G物联网技术中的创新

高通公司已经在5G路线图中引入了多项关于物联网支持的增强技术,包括RSMA(资源扩展多址接入)、多跳网状网、广域网管理、关键任务控制物联网服务等多项创新。在这些技术的帮助下,5G时代的物联网将具备前所未有的强大能力,支持海量级的物联网设备,完全实现万物互连的伟大愿景。

与此同时,可以预计在下一个十年,高通公司将主导物联网时代的发展和普及过程,在物联网产业中占据最重要的地位。高通公司的梦想——从连接人与万物到连接万物,也将在不久的将来成为现实,使我们的生活更加美好和便利。

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