【技术干货】大规模物联网连接人类的大未来

从贝尔实验室高级移动电话系统（AMPS）蜂窝网络，到今天的5G基础设施的发展道路的特点，便是技术的重大飞跃。每个数字都代表“一代”：20世纪70年代末和80年代初基于蜂窝移动通信的“1G”，该通信使用模拟系统进行语音通话，但使用数字系统进行网络回传。全数字的2G则于20世纪90年代初问世，就在世纪之交之前，3G带来了更高的吞吐量来支持智能手机的出现。4G从2009年开始引入长期演进（LTE）标准，4G的最大吞吐量为100 Mbps，使其能够支持高清视频。5G标准于2016年推出，该技术在互联网宽带方面可与光纤网络直接竞争，与前几代相比，可提供更低的延迟和更高的频谱效率。5G也是第一个考虑到大规模机器类型通信（mMTC）要求而定义的移动标准，从而引导出大规模物联网应用。

大规模物联网这个术语是为了描述未来的网络而创造的，数十亿甚至数万亿的小型设备将直接连接到互联网。这些“物”并不仅是将消费者与互联网联系在一起的个人电脑、服务器、智能电视和智能手机。相反，它们更可能是紧凑的、资源有限、缺乏人机界面的传感器和执行器。爱立信将大规模物联网应用定义为“对延迟不太敏感、吞吐量要求相对较低，但需要在具有良好覆盖范围的网络上运行大量低成本、低能耗设备的应用”。该公司解释说，依赖于大面积连接并能够处理大量连接的物联网用例日益普及，正在推动对大规模物联网的需求。

就在几年前，将小型设备连接到物联网还很困难，并且依赖于昂贵且复杂的网关。但今天，我们拥有蜂窝物联网形式的优雅解决方案，特别是LTE-M的LPWAN选项和NB-IoT。蜂窝物联网LPWAN正在蓬勃发展，因为它们满足了WLAN和云之间对节能、经济高效的远程无线连接的需求。

高通量蜂窝技术极其复杂且昂贵，而且硬件体积庞大且耗电。对于物联网工程师来说，高吞吐量蜂窝技术的高成本、复杂性和功耗，使得构建采用电池供电的紧凑型传感器网络来构成物联网变得困难。

然而，蜂窝调制解调器（本质上是精简的移动手机调制解调器）已经找到了将昂贵的远程资产连接到云的利基市场。例如，用于控制智能配电网的农村智能电子设备（IED）通常会通过蜂窝调制解调器将信息发送回控制中心。自动售货机等商业设备的运营商可以使用蜂窝调制解调器将信息发送回总部，而不是派遣服务人员手动检查库存。

但为这些应用提供动力的调制解调器，并不适合组成物联网的低功耗和资源有限的设备。相反，蜂窝物联网的起源可以在第三代合作伙伴计划（3GPP）（由七个电信标准开发组织组成的组织）的LTE规范第13版中找到。该规范定义了一种新的低复杂性RF调制解调器，可支持LPWAN的物联网应用需求。

当标准于2016年采用时，第13版指定了LPWAN支持的三种新技术：扩展覆盖GSM物联网（EC-GSM-IoT）、LTE-M和NB-IoT，其中后两者的影响最大。LTE-M作为半双工或全双工系统运行，带宽为1.4兆赫。原始数据吞吐量在下行链路上为300 kbps，在上行链路上为375 kbps，为运行互联网协议（IP）的应用提供大约100 kbps的双向吞吐量，完全支持与传统LTE相同的蜂窝切换移动性。相比之下，NB-IoT主要是为了提高能源效率，以及更好地渗透到建筑物和地下室而设计的，代价是吞吐量相对适中。NB-IoT不基于LTE物理层（PHY）；相反，它是一种新型射频技术，其调制解调器复杂度甚至低于LTE-M调制解调器，NB-IoT使用200 kHz的窄带宽。

自2016年第13版以来，蜂窝物联网的规范不断发展。例如，第14版引入了NB-IoT的第二种形式CAT-NB2，它具有更高的吞吐量，并引入了一些针对NB-IoT的先进定位技术，第17版进一步提高了吞吐量。也许最重要的是，虽然NB-IoT和LTE-M最初是作为4G LTE标准的一部分开发的，但3GPP已使NB-IoT和LTE-M成为5G标准的关键部分，确保将随着网络的发展而持续发展。

物联网大规模增长的下一阶段将利用这些5G网络，工程师们一直在提前思考预测所需的内容，并定义了包括“大规模机器类型通信”（mMTC）在内的未来应用。未来的机器对机器（M2M）应用将大规模安装低功耗无线技术，此类技术旨在每公里部署多达100万台设备。

Nordic半导体早在2018年就推出了蜂窝物联网解决方案――nRF9160，这是一款集成了LTE-M/NB-IoT调制解调器和GNSS的低功耗SiP。这使该公司成为蜂窝物联网新兴技术的先驱。如今，它已经在此基础上，成为第一个提供完全包容性、世界级、大规模物联网解决方案的公司。Nordic的产品为蜂窝物联网设计、制造和部署，带来了简单性、稳定性和成本效益。

如果物联网要发挥其承诺的潜力，就需要一个全面设计的基础。通过引入对蜂窝物联网的端到端支持，Nordic成为帮助客户构建持久物联网基础设施的领导者之一。但该公司的计划才刚刚起步，目标是成为基础设施关键部件的主要设计者和供应商，我们将在未来几年内使用这些基础设施，连接未来数十亿个智能设备。

Nordic明智地利用了在全球全面部署蜂窝物联网的5年时间，它所做的是从头开始开发一个远远领先于竞争对手的平台解决方案：nRF91系列，从nRF9160 LTE-M/NB-IoT SiP开始。

虽然您不能指望使用像钮扣电池这样小的电池来运行蜂窝物联网产品，但您可以期望使用稍大的普通电池来长时间运行它。电池技术的最新发展可以使蜂窝物联网应用的运行时间与蓝牙无线技术相似，这意味着在某些用例中可长达数年。在能量收集领域的最新进展，有望在不远的将来将这些电池的使用寿命延长至多年（甚至数十年）。

此后，Nordic的nRF9160 SiP又加入了蜂窝物联网SiP系列的两个强大新成员：nRF9161和nRF9131 LTE-M/NB-IoT，以及DECT NR+（“NR+”）解决方案。这些产品不仅进一步重新定义了蜂窝物联网的颠覆性商业和技术可能性，还首次向蜂窝物联网引入了原生NR+支持和功能。

与传统蜂窝网络不同，NR+不需要蜂窝基站即可运行。它将作为专用网络运行，使用全球免许可1.9 GHz频段，无需频率规划或频谱租赁成本。NR+不仅将成为最先进的5G技术，还有望以更低的成本提供蜂窝网络的所有优势。其中包括在全球范围内无缝扩展至数百万个乃至数十亿个物联网节点的能力，以及蜂窝技术传奇般的安全性和可靠性。

NR+是一种纯粹的物联网无线技术，有望在全新的M2M应用中提供超可靠的无线连接，在这些应用中不允许出现故障，例如与工厂或仓库工人一起工作的自动驾驶汽车或高速机器人，或者建筑物、城市和公用事业网络中的关键基础设施。

为了拥有整个供应链并满足客户需求，Nordic的产品现已扩展到所有主要的无线物联网连接协议和技术。这不仅包括蜂窝物联网（NB-IoT和LTE-M），还包括最新的大规模物联网技术DECT NR+，以及低功耗Wi-Fi、Matter、Thread、Zigbee、云和定位服务、PMIC和范围扩展器。

Nordic最初通过推出nRF51系列重新定义了蓝牙无线连接市场。现在，它正在凭借其领先的nRF91系列重新定义蜂窝物联网的可能性。Nordic拥有率先将重新定义类别的无线物联网连接产品推向市场的记录，这让其竞争对手竞相追赶，而Nordic则专注于开发下一个突破，该公司还率先推出了对其支持的各种基于标准物联网技术进行关键升级的产品。

对于Nordic的客户来说，最重要的是，这意味着如果他们在其中一款产品中指定Nordic解决方案，那么该器件将足以应对未来几代的升级。这种面向未来的设计不仅可以显着节省成本，还可以提供上市时间的竞争优势。

物联网将在解决地球上一些最大的问题方面发挥重要作用，其中包括气候变化、可持续消费、保护宝贵的自然资源、改善健康状况，以及让世界成为一个对所有人来说更幸福、更安全、更健康的地方。虽然已经等了很久，但2024年很可能是蜂窝物联网技术开始变得更加主流的一年。这意味着蜂窝物联网技术将要安装在各种产品中，并形成为无数物联网应用提供全球连接的关键骨干网络。