M2M應用的興起與挑戰(zhàn)

　　隨著接入互聯(lián)網(wǎng)的機器(Machine)數(shù)量的增多，甚至超過互聯(lián)網(wǎng)使用的人數(shù)。隨之帶來的是，機器對機器(machine-to-machine，即“M2M”)通信將有望在2013年中歷史性地首次超越人對人通信。通信機器的陣營也日益擴展，包括移動資源管理系統(tǒng)、儀表、機器人、自動售賣機、安全系統(tǒng)、資產跟蹤系統(tǒng)、車輛、緊急呼叫系統(tǒng)等。

　　如今，各種量產化的低成本計算設備層出不窮，運行速度越來越快，數(shù)據(jù)收集能力日益增強，而無線接入互聯(lián)網(wǎng)也變得愈發(fā)便捷，聯(lián)網(wǎng)費用越來越低。因此，機器間“對話”的比重將很快超過人與人之間的對話也絲毫不足為奇。 然而，與此同時，IP地址資源也隨之將被耗盡，四十億多個IPv4(互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第4版)地址現(xiàn)已分配完畢。這是否意味著機器已經(jīng)錯過了大好時機?答案是否定的。今后的互聯(lián)網(wǎng)將采用支持2的128次冪個地址的IPv6(互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第6版)，使得全球的IP地址分配綽綽有余。因此，第四代移動網(wǎng)絡(4G)LTE能夠基于IPv6提供數(shù)據(jù)、語音、視頻等服務也是意料之中的事情。

　　這場網(wǎng)絡變革的動力很簡單，即所有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)并從中獲益的設備和應用最終都將互相連接在一起。這也是手機、筆記本電腦、平板電腦、汽車及游戲設備等形形色色的“機器”全部具有聯(lián)網(wǎng)功能的原因所在。盡管這些是移動互聯(lián)最顯而易見的應用，但人類并不是互聯(lián)網(wǎng)的唯一使用者，還包括飛速增長的無形應用:每天都有上百萬臺機器以24×7全天候、無需人工操作的方式進行著數(shù)據(jù)交換，演繹著一場場無聲的“對話”。

　　只需嵌入低成本的小型(無線)調試解調器，任何設備都可以接入網(wǎng)絡。具備報告位置、速度或導航信息功能的應用還需要全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)接收器。這兩種元件，外加天線，都可以輕松地配置到比手機還小的設備上。

　　當下，在電子行業(yè)的各個領域，我們時刻都能看到這樣的情形。

　　然而，視應用不同，要為設備配以M2M通信能力還需要一些特殊的條件。無論在考慮最初設計、產品壽命(在進行必要的更換以前該設備能夠運行的時間)還是地理覆蓋(初始設計僅可在某一個地區(qū)使用，但現(xiàn)在需要在其他地區(qū)使用)或與無線網(wǎng)絡必然升級(2G到3G再到4G)的兼容性時，都需要考慮這些條件。

　　下文將介紹在設計M2M應用時需要考慮的一些重要技術特性，以及它們將如何影響特定類型設備的設計。

　　1) 耗電量

　　對于便攜式跟蹤設備、安全或個人安全設備而言，充電間隔時間是最重要的特性之一。例如，如果安裝在貨柜上的跟蹤器每天需要充電一次，這樣的間隔就太過頻繁，因為空運或陸運一般需要幾天時間，海運則需要幾周時間。

　　對于個人跟蹤或健康監(jiān)測等消費設備以及設有預定標準的手機而言，電池持續(xù)時間應至少為3天。對此類應用的調制解調器和GNSS接收器的規(guī)格進行比較時，不僅需要考慮運行/待機耗電量，還需考慮省電模式(如自動啟動功能)及智能省電模式(如無需啟動主處理機自動記錄數(shù)據(jù)功能)。理想的情況是，這些元件能夠在多數(shù)時間處于最低耗電模式并且只在必要時啟動。

　　2) 蜂窩網(wǎng)絡支持性

　　設備能在哪些地區(qū)運行呢?隨著全球人員及貨物流動性的增強，調制解調器能否在不同的地區(qū)運行成為一個重要的考慮因素(GSM在全球受2個主要頻段支持;UMTS受6個頻段支持;LTE的支持頻段數(shù)量則超過30個)。對于這類應用來說，能夠明確設備的可運行區(qū)域并預計今后的擴大運行區(qū)域至關重要。明確了這項要求，便可選定與工作任務最匹配的無線調制解調器。

　　例如，需要監(jiān)控全球所有地區(qū)貨運情況的資源管理系統(tǒng)應配備四頻段GSM調制解調器或六頻段UMTS調制解調器。至于不常移動的設備(如住宅電表)，只需一個單頻段就足夠了。其他應用則可能需要考慮一些額外的因素。例如，經(jīng)常不被記住所在位置的自動售貨機可以隨時支持“電話撥通”，但它必須配有可在所在地區(qū)運行或定位的調制解調器。

　　3) 運營商認證

　　所有利用GSM、UMTS或LTE通信的無線設備都必須在得到運營商的認證之后才能夠訪問其網(wǎng)絡。嵌在設備中的調制解調器也應得到運營商認證，以此簡化認證過程?？上却_認跟蹤裝置運行區(qū)域的調制解調器認證列表，再選擇相應的調制解調器。多數(shù)調制解調器廠商均會在其網(wǎng)站上提供運營商認證列表。

　　4) 無線調試解調器的可升級性

　　盡管僅有少量數(shù)據(jù)通信的遠程儀表應用通常需要使用GSM/GPRS，但是將GSM頻段分配給3G和4G服務已列在考慮范圍內。就自動儀表讀取系統(tǒng)而言，要將其加裝在成千上萬的遠程電表上，成本費用十分高昂。因此，著眼于未來的技術才不失為明智的設計。這就意味著：無論采用UMTS/HSPA調制解調器還是LTE調制解調器，或者至少確保硬件設計不過時，調制解調器升級都應盡可能地提高成本效益，這也進而引出了下一項特性。

　　5) 嵌入式調制解調器設計

　　如今，M2M設備可能需要適應今后出現(xiàn)的新的移動通信標準或GNSS標準，或滿足某一地區(qū)的客戶需求，支持其使用相應的波段或衛(wèi)星接收機標準。理想的情形是，只更新原有設計中的固件、天線和調制解調器或GNSS接收器來滿足這一市場要求?，F(xiàn)實情況是，除非嵌入式設計是廠商產品的固有特性，否則這將是一場噩夢。特別是，印制電路板(PCB)的板面設計問題可能會產生一連串的昂貴設計及物流成本問題。

　　避免此類問題的最好辦法就是使用與所有無線調制解調器(GSM、CDMA、UMTS和LTE)模塊或GNSS接收器(GPS、GLONASS、伽利略、北斗衛(wèi)星導航)模塊設置兼容的組件。利用這一方案可以使PCB的板面設計適應所有終端產品的變化。這一問題的解決也可以參考以下幾個問題：組件廠商是否支持嵌入式設計理念?他們的下一代調制解調器是否能夠適當?shù)匕惭b在當前調制解調器產品的電路板上?他們是否提供技術文件支持以幫助完成嵌入式設計?

　　6) 帶寬要求

　　對于如今眾多的追蹤應用而言，只需要低帶寬連接就可以支持追蹤及信息收發(fā)功能。如果需要的只是數(shù)據(jù)，簡單的GPRS就可以滿足這一需求。如果需要語音信道，那么至少應支持GMS和GPRS。如果需要支持可視監(jiān)控的視頻流，那么UMTS和HSPA則是更好的選擇。對于需要高清視頻、時延最低的應用(如遠程醫(yī)療終端)來說，LTE則是技術首選。可以確定的是，未來的追蹤應用對帶寬的要求將日益增加。選擇調制解調器不僅要根據(jù)現(xiàn)今的需求，還要根據(jù)三至五年后的需求，或是取決于調制解調器的可升級性和成本效益(參見上述嵌入式設計部分的內容)。

　　7) 汽車的要求

　　應用在溫度、濕度及震動狀況可能發(fā)生極端變化環(huán)境中的車載系統(tǒng)，應采用符合AEC-Q100標準、在ISO/TS 16949認證地制造、符合汽車使用條件的組件。各組件的質量測試應符合ISO1675標準——《道路車輛電氣及電子設備的環(huán)境條件和測驗》。這對于車載設備、在室外、船只或有軌車上作業(yè)的工業(yè)設備來說都至關重要。

　　8) 支持緊急呼救系統(tǒng)

　　在新車上配備自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為一種全球性趨勢，這種自動化系統(tǒng)能夠自動發(fā)出事故報告，并能在車輛被盜時輔助找回車輛。美國、歐洲、俄羅斯和巴西均已發(fā)布了支持這類系統(tǒng)的全國性倡議，并逐步成為這些國家的強制要求。這類系統(tǒng)通常需要特定的調制解調器——“帶內”調制解調器。帶內調制解調器允許數(shù)據(jù)通過語音信道進行傳送，與傳真機通過電話線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硐嗨?。語音信道的優(yōu)先性高于移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，這也是需要帶內調制解調器的原因所在。在某種特殊情況下，語音信道的可用性高于數(shù)據(jù)信道的可用性，如GPRS或HSPA等在偏遠地區(qū)可能無法使用。在此情況下，語音信道是向緊急呼救中心傳輸數(shù)據(jù)的重要通信手段。

　　有關緊急呼救支持方面的問題，應向調制解調器廠商咨詢以下問題：是否為帶內調制解調器?是否同時支持2G和3G網(wǎng)絡?該調制解調器是否適用于汽車應用?衛(wèi)星接收器是否支持航位推測?是否可以提供GPS和GLONASS接收器?(見上述相關內容)

　　9) 輔助定位

　　對于在市內環(huán)境中需要可靠位置信息的M2M應用來說，輔助定位系統(tǒng)的可用性應在考慮范圍之內。尤其是在衛(wèi)星視程容易受到高層建筑物阻礙的城市，可通過調用遠程A-GPS服務器來解決丟失定位場景的情況。使用無線調制解調器從互聯(lián)網(wǎng)上下載幾字節(jié)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)是一個較為簡單的過程。利用這些輔助數(shù)據(jù)，衛(wèi)星僅需幾秒鐘即可計算出位置，而無需花上30秒鐘接收1500比特的衛(wèi)星幀。

　　對于低端導航系統(tǒng)等特定應用而言，位置信息短暫缺失的情況尚可容忍。而對于其他應用來說(如車輛緊急呼救或道路收費系統(tǒng))，即使位置信息發(fā)生了短暫的丟失，造成的后果也將不堪設想，這使得輔助定位系統(tǒng)成為一項備受關注的功能?？紤]輔助定位時應關注以下幾點：定位(GPS)接收器廠商是否支持在線輔助服務?服務是否可靠?是否提供可用性保證?支持哪些地區(qū)?是否包含支持服務的客戶端軟件?定位接收器及無線調制解調器是否具有支持服務的接口?服務是否支持GPS和GLONASS?

　　10) 航位推算支持

　　能夠準確記錄位置、航向及速度信息對于車載信息系統(tǒng)(如保險跟蹤系統(tǒng))來說至關重要。然而，在沒有衛(wèi)星信號的隧道中，需通過平行系統(tǒng)臨時生成位置信息。補充衛(wèi)星信號的一項重要技術就是航位推測，這一技術可以根據(jù)車載傳感器輸入的數(shù)據(jù)推測出車輛的位置和速度。

　　有關定位接收器應明確以下問題：是否支持航位推測?是否可以直接插入到車載CAN(控制器局域網(wǎng)絡)總線來獲取數(shù)據(jù)?是否可以直接與車載傳感器(如回轉儀和里程計)連接?廠商是否提供完整、經(jīng)驗證的、帶有評估環(huán)境的系統(tǒng)?組件能否自動升級?(參見下一特性)

　　11) 室內定位

　　遺憾的是，GPS或其它任何衛(wèi)星導航系統(tǒng)都無法用于室內。GPS微弱的信號很容易被墻體、金屬、甚至是很薄的水面所阻隔。但這并不意味著需利用資產位置信息的M2M應用在沒有空中視景的情況下注定無法運行。對于需要室內大致位置信息的應用來說，將衛(wèi)星接收器與無線解調器相結合、利用2G或3G蜂窩的混合式方案就可以解決這一問題。

　　GSM或UMTS信號能夠輕松穿透墻體，因此如果已經(jīng)獲悉了移動蜂窩的范圍，就可以根據(jù)蜂窩重疊位置計算出大概的位置信息。與上述輔助定位解決方案相似，這一方案也需要與外部服務進行無線連接。有關定位接收器和無線調制解調器來源應明確以下問題：是否支持此類方案?是已經(jīng)得到驗證還是尙處于理論階段?是否提供線上服務，線上服務是否投入運行?選定的衛(wèi)星接收器和無線調制解調器是否支持該服務?精確程度如何?

　　12) 定位系統(tǒng)的兼容性

　　早前只有GPS系統(tǒng)是需要考慮的系統(tǒng)。俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)、日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou)和歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo)相繼推出后，與GPS及其他衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容性成為一項必須考慮的因素，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，同時滿足各地區(qū)對自身系統(tǒng)兼容性的要求。

　　通常來講，利用兩種系統(tǒng)進行平行操作將成為產品規(guī)格中不可分割的一部分。例如，俄羅斯的新型ERA-GLONASS車載緊急呼叫系統(tǒng)要求與GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)相兼容。有關GPS/GNSS接收器應明確以下問題：是否提供多種GNSS支持?是否提供并行的GPS/GLONASS或GPS/BeiDou系統(tǒng)?

　　以上是設計M2M產品時需要考慮的一些因素。需要注意的是，許多有關無線和定位的新標準正處于轉變過程中，因此，產品在市場上的長期預期壽命和產品的目標市場不容忽視。此外，產品設計能夠支持下一代性能及網(wǎng)絡覆蓋以及產品的輕松升級等問題也同樣至關重要。