作者：Richard Quinnell，主編

物聯網中的許多設備都使用 Wi-Fi 作為與云的鏈接，但有許多應用程序需要 Wi-Fi 無法提供的移動性和廣域連接。對于此類應用，提供了各種低功耗廣域網 (LPWAN) 技術，但大多數都需要創建專有服務網絡以提供廣泛的覆蓋范圍。現在，蜂窩電話網絡正在對現有的 LTE 服務實施一種變體，以滿足物聯網的 LPWAN 需求，而預先認證的模塊是設計人員尋求快速進入此類應用空間的關鍵。

只要設備保持在網絡的典型 50 米范圍內，廣受歡迎的 Wi-Fi 就適用于廣泛的物聯網應用。甚至可以將范圍擴大到一公里左右。但是有許多現有和潛在的物聯網應用程序需要比 Wi-Fi 提供更多的位置和移動自由度。其中大部分還必須由電池供電，這是對耗電 Wi-Fi 的第二次打擊。這些應用需要的是低功耗廣域網 (LPWAN)。

為了讓電池供電的物聯網設備遠離接入點并在廣闊的——甚至洲際——的距離上自由漫游，出現了許多替代的 LPWAN 技術。其中包括 LoRa、Sigfox 和 Weightless 等選項。但它們都有相同的缺點：它們的使用取決于首先建立一個覆蓋物聯網設備運行的地理區域的接入點網絡。在大多數情況下，這些 LPWAN 替代方案只建立了覆蓋范圍非常有限的網絡。許多替代方案不允許設備輕松地從一個接入點漫游到另一個接入點。

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然而，有一種類型的無線網絡覆蓋了世界的廣大地區并支持在接入點之間漫游而不會失去連接：蜂窩電話。蜂窩連接支持的自由導致了許多不同的嘗試利用網絡進行物聯網通信。一些應用程序使用搭載用戶手機的方法連接到云，但這有很多限制，其中最重要的是要求活動電話需要始終在附近。其他人只是簡單地將手機功能內置到物聯網設備中，但這種方法有其自身的局限性。蜂窩網絡最初不是為支持數據流量而設計的，因此功率要求、呼叫設置復雜性和連接成本都是問題。

不過，蜂窩行業一直在努力解決這些問題，尤其是在 2016 年采用3GPP 第 13 版后，這為將物聯網引入蜂窩行業的長期演進 (LTE) 計劃奠定了基礎。Release 13 有兩種方法在 LTE 網絡上提供物聯網優化連接：LTE 類別-M1，也稱為 LTE CAT-M 和 LTE-M，以及 LTE 類別-M2，也稱為 CAT-NB1 或簡稱窄帶物聯網 (NB-IoT)。這些是現有蜂窩技術的變體，支持需要相對不頻繁的、面向塊的數據傳輸的設備，而不是智能手機數據的連續流。與以前的蜂窩物聯網選項相比，它們在建立連接時需要更少的握手和開銷，并且平均能量消耗也更少。事實上，標準的設計目標包括允許設備在電池上實現 10 年的使用壽命。與其他蜂窩物聯網相比，這些 LTE 選項與服務提供商的連接成本也低得多。

目前正在建立對 CAT-M 和 NB-IoT 的網絡支持，其中 CAT-M 在北美占主導地位，NB-IoT 在世界其他地方越來越受歡迎。在美國，蜂窩服務提供商 Verizon 正在擴大其網絡的 CAT-M 覆蓋范圍，AT&T 和 T-Mobile 緊隨其后。到 2020 年，物聯網開發人員將可以使用這種方法訪問近乎大陸的覆蓋范圍。

但是，利用這一機會將設計推向市場是一項重大挑戰。任何通過 FCC 認證為其無線設備工作的人都知道，需要相當多的射頻專業知識才能確保產品通過所有合規性測試。使用蜂窩連接時，問題會加倍。蜂窩服務提供商還要求在允許設備連接之前，對設計進行認證以與他們的網絡一起使用，并且他們的測試與 FCC 認證不同。此外，服務提供商都有略微不同的專門針對其網絡的認證要求。

LTE CAT-M 模塊簡化了蜂窩物聯網設計到目前為止，滿足所有這些認證的最簡單、最便宜和最快的方法是圍繞已經獲得 FCC 和運營商認證的 CAT-M 調制解調器模塊構建設備。幸運的是，許多這樣的調制解調器已經可用，而且還會有更多。但是，找到正確的模塊需要開發人員仔細考慮幾個關鍵參數。

模塊提供由監管機構和運營商預先認證的插入式蜂窩連接。圖片來源：金雅拓。

其中之一當然是功率要求，這反過來又決定了電池壽命。但是，如果不了解所需的無線電范圍、數據處理要求、每條消息交換的數據量、數據速率（這會影響發送消息所需的時間）以及消息的頻率等應用特性，就很難指定功率要求將被發送。該調制解調器可以提供電源管理功能，例如第 13 版的省電模式 (PSM) 和擴展的非連續接收 (eDRX) 功能，該功能允許設備長時間休眠而不會丟失與網絡的鏈接。

為了了解設計的電池壽命，開發人員需要查看這些系統因素以及模塊屬性，例如睡眠模式電流、有源接收器電流、有源傳輸電流、從睡眠模式轉換到活動模式所花費的時間，等等。對地理定位信息的需求還可能需要對模塊可能包括的任何全球導航衛星系統 (GNSS) 接收器進行功率評估。

除了計算設計的平均功耗外，開發人員還需要注意峰值功率需求并相應地規劃他們的系統。當發射器處于活動狀態時，根據平均功率使用提供較長工作壽命的電池可能無法很好地提供電流浪涌。在設備的電源設計中可能需要一個補充儲能系統，例如超級電容器。

然后是需要考慮的無線電要求。無線電將在其上運行的頻道以及運營商認證對于確保模塊在產品的目標地理區域內發揮作用至關重要。對于那些尋求全球運營的人來說，一個模塊支持 NB-IoT 以及 CAT-M 的能力將很重要。諸如最大發射功率和接收器靈敏度之類的因素也會影響到鏈路預算計算，從而確定模塊與蜂窩塔的有效范圍。

開發人員還應檢查其系統所需的 CAT-M 調制解調器類型。有些只是用作主機應用處理器的 IO 外圍設備的收發器。其他人則擁有處理和 IO 資源來充當調制解調器和應用處理器。檢查調制解調器提供的接口將有助于揭示模塊可以服務的方式，模塊大小將顯示它是否滿足產品的空間限制。

為了讓您開始為您的應用尋找合適的模塊，EP 準備了一份選擇指南。您可以使用下面的鏈接下載完整版本。

有許多運營商認證的模塊可供開發人員基本上投入到他們的產品設計中，還有一些芯片組，更雄心勃勃的開發團隊可以使用這些芯片組創建自己的 LTE CAT-M 調制解調器。為了讓您開始搜索，EP 準備了一個代表性模塊產品的摘要圖表，您可以使用本文末尾的鏈接下載該圖表（需要 EP 注冊）。開發人員還可以查看提供 LTE CAT-M 服務的運營商的網站，例如AT&T或Verizon，以獲取他們已為其網絡認證的模塊列表。

但請注意，蜂窩物聯網是一個移動的目標。第 13 版定義了系統所需的基本操作，但仍在不斷添加。例如，一些模塊現在支持 LTE 語音 (VoLTE)，這將允許物聯網設備為其用戶提供語音通道。模塊制造商 Sequans Communications 正在與軟件公司合作?PoLTE Corporation將嵌入不依賴于 GNSS 的定位技術。毫無疑問，更多的增強功能正在進行中。

但是，如果您要趕上 LTE CAT-M 模塊將支持的遠程移動物聯網設備的初始浪潮，那么現在是開始的時候了。幸運的是，許多模塊供應商以及其他供應商都提供開發工具包，允許在網絡完成構建時對該技術進行試驗。并非每個移動物聯網應用都需要蜂窩連接，但在需要時，這些 LTE CAT-M 模塊可以幫助加速設計進入市場。

審核編輯 黃昊宇