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低功耗蜂窝 | NB1和M1:用于物联网的蜂窝技术

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Nordic的nRF91系列是超紧凑、低功耗全球多模LTE-M/NB-IoT系统级封装器件,具有集成的Arm Cortex-M33主处理器、Arm TrustZone安全技术和辅助GPS。

LTE类别NB1和M1变得越来越普及。市场研究公司Berg Insight AB在其最新报告《蜂窝和LPWAN IoT设备生态系统》中指出,低功耗蜂窝标准设备的数量平均每年增长超过1亿台。带有新型嵌入式SIM解决方案的蜂窝标准正经历强劲的增长需求。

NB1和M1,也称为NB-IoT(窄带IoT)和LTE-M1,是普通LTE (Long Term Evolution, 3.9G)的简单版本。这意味着它们使用低得多的频谱,因此消耗的电流很小。这些标准拥有数公里的传输范围和出色的室内渗透能力,从而为物联网提供了全新的应用领域。该技术特别适合在个别情况下需要传输少量数据的节能应用。使用LTE-M的最大传输速率为20/23dBm,下行链路和上行链路峰值约为300kbps;借助NB(窄带)物联网,在相同的传输速率下,带宽仅为30/60kbps。

 

LTE网络为基础

由于两种技术都基于LTE标准,因此可以使用现有的LTE网络。这对于子类别应用是决定性的优势,因为它们不仅受益于强大且安全的数据传输,而且可以快速进行网络扩展和全球漫游,在某些情况下甚至可以通过软件更新来进行。移动网络运营商(MNO)统筹频率,设定拨入节点的大小,并根据区域要求对其进行扩展。美国、欧洲和亚洲的网络覆盖已经非常完善,并且在大多数地区甚至比长距离服务供应商更好。这也是由于NB-IoT的范围是标准LTE范围的七倍,而LTE-M则是标准LTE范围的四倍。

 

从难以接入的地方传输数据

NB1和M1使2G后备功能变得多余。由于传输范围更大,2G后备功能已经不是必需了。此外,与GPRS不同,NB1和M1无需消耗2A电流峰值,因此可以更轻松地设定电源的尺寸。由于具备低廉的模块成本、外部布线、互联网提供商以及无障碍的“无处不在”基础架构,NB1和M1在大多数应用中明显优于替代的长距离技术。

NB-IoT和LTE-M特别适用于物联网,例如在偶尔需要传输少量数据的地方,也包括从难以覆盖的地方(例如地下室、管道或空旷的地方)传输数据的应用。有很多可能的应用,特别是对于定期向控制站发送少量数据的传感器。以智能电表领域为例,例如电、水和其他计量数据可以直接传输到公用事业公司。其他重点领域包括基础设施、运输和物流、农业和林业、可穿戴设备,以及对机械进行预测性维护和修理的产品即服务等领域。

最节能的NB-IoT更适合于固定位置的应用,这些位置在传输过程中通常不会更改无线蜂窝,而LTE M1因其更快的传输速率而更适合移动应用。

 

nRF91:安全且支持NB-IoT

作为超低功耗无线技术领域的先驱,Nordic Semiconductor还致力于支持这些新型无线传输类型。这家制造商的nRF91系列支持NB1和M1的多模式模块。nRF91系列系统级封装(SiP)器件内置一个ARM Cortex M33微控制器,用于对应用程序、传感器和执行器进行客户特定的编程操作。 ARMTrustZone®和ARM CryptoCell确保安全的存储访问,而TLS和SSL确保数据传输的端至端数据加密。它具有可擦写的闪存技术,也可通过无线方式进行更新,容许对固件、堆栈和应用程序进行后续改进。该模块自动搜索可用的LTE-M和NB-IoT网络并在它们之间切换。

nRF91 SiP内置集成辅助GPS或不带GPS单元,尺寸仅为10x16x1.2mm,与其他LTE-M和NB-IoT模块以及独立的GNSS模块相比,其PCB所需空间减少了四倍,体积减小了五倍。鉴于M33内核可以在一定程度上实现真实边缘计算,因此可以从现场的测量数据中生成本地信息,然后通过移动无线电单元来进行高效传输。这样可以优化整体能量平衡,并可将在线数据消耗保持在最低水平。相应的nRF91-SDK(软件开发套件)包含所有通用堆栈,例如MQTT、CoAP、http、LWM2M、IPv4、IPv6、DTLS、TLS和TCP。

可通过32个GPIO连接传感器、LED、按钮和开关继电器。在SiP中集成了石英、SAW滤波器和所有被动元件。因此只需50Ω单端线作为天线即可完成边缘模块。

 

毋须SIM卡也可发送数据

连接领域的新进步继续推动NB-IoT和LTE-M的发展。过去如果您想通过蜂窝网络发送或接收数据,除了合适的硬件外,还需要SIM卡座和物理SIM卡。这意味着需要更多的PCB空间和更长的物料清单(BOM),因此成本也更高。此外,还需要在更换服务提供商时手动交换SIM卡。这就是“嵌入式SIM”解决方案(例如集成式通用集成电路卡(iUICC))可以提供帮助的地方。它们提供的优势是SIM功能已经集成在硬件模块上——这意味着更少的空间需求、更短的BOM清单以及更低的成本,因为嵌入式SIM解决方案可以远程进行控制和更新。

客户可以从儒卓力合作伙伴Telit处获取精确的嵌入式SIM解决方案,Telit是蜂窝硬件、连接和云解决方案的领先提供商,以simWISE名称销售其2G无线模块。包括ME910C1 LTE-M和NB-IoT组合模块在内的LTE-M和NB-IoT模块在2018年底前也是以simWISE名称销售。

simWISE模块备有Telit IoT云平台支持,这将生成具有设备、连接性、数据和系统管理功能的可定制云解决方案。