M2M應(yīng)用的興起與挑戰(zhàn)

隨著接入互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器(Machine)數(shù)量的增多，甚至超過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用的人數(shù)。隨之帶來(lái)的是，機(jī)器對(duì)機(jī)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(duì)人通信。通信機(jī)器的陣營(yíng)也日益擴(kuò)展，包括移動(dòng)資源管理系統(tǒng)、儀表、機(jī)器人、自動(dòng)售賣(mài)機(jī)、安全系統(tǒng)、資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)、車(chē)輛、緊急呼叫系統(tǒng)等。

如今，各種量產(chǎn)化的低成本計(jì)算設(shè)備層出不窮，運(yùn)行速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)收集能力日益增強(qiáng)，而無(wú)線接入互聯(lián)網(wǎng)也變得愈發(fā)便捷，聯(lián)網(wǎng)費(fèi)用越來(lái)越低。因此，機(jī)器間“對(duì)話”的比重將很快超過(guò)人與人之間的對(duì)話也絲毫不足為奇。 然而，與此同時(shí)，IP地址資源也隨之將被耗盡，四十億多個(gè)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(jī)器已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了大好時(shí)機(jī)?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(gè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)(4G)LTE能夠基于IPv6提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻等服務(wù)也是意料之中的事情。

這場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)變革的動(dòng)力很簡(jiǎn)單，即所有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)并從中獲益的設(shè)備和應(yīng)用最終都將互相連接在一起。這也是手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、汽車(chē)及游戲設(shè)備等形形色色的“機(jī)器”全部具有聯(lián)網(wǎng)功能的原因所在。盡管這些是移動(dòng)互聯(lián)最顯而易見(jiàn)的應(yīng)用，但人類(lèi)并不是互聯(lián)網(wǎng)的唯一使用者，還包括飛速增長(zhǎng)的無(wú)形應(yīng)用:每天都有上百萬(wàn)臺(tái)機(jī)器以24×7全天候、無(wú)需人工操作的方式進(jìn)行著數(shù)據(jù)交換，演繹著一場(chǎng)場(chǎng)無(wú)聲的“對(duì)話”。

只需嵌入低成本的小型(無(wú)線)調(diào)試解調(diào)器，任何設(shè)備都可以接入網(wǎng)絡(luò)。具備報(bào)告位置、速度或?qū)Ш叫畔⒐δ艿膽?yīng)用還需要全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球衛(wèi)星導(dǎo)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(jī)還小的設(shè)備上。

當(dāng)下，在電子行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，我們時(shí)刻都能看到這樣的情形。

然而，視應(yīng)用不同，要為設(shè)備配以M2M通信能力還需要一些特殊的條件。無(wú)論在考慮最初設(shè)計(jì)、產(chǎn)品壽命(在進(jìn)行必要的更換以前該設(shè)備能夠運(yùn)行的時(shí)間)還是地理覆蓋(初始設(shè)計(jì)僅可在某一個(gè)地區(qū)使用，但現(xiàn)在需要在其他地區(qū)使用)或與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必然升級(jí)(2G到3G再到4G)的兼容性時(shí)，都需要考慮這些條件。

下文將介紹在設(shè)計(jì)M2M應(yīng)用時(shí)需要考慮的一些重要技術(shù)特性，以及它們將如何影響特定類(lèi)型設(shè)備的設(shè)計(jì)。

1) 耗電量

對(duì)于便攜式跟蹤設(shè)備、安全或個(gè)人安全設(shè)備而言，充電間隔時(shí)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(guò)頻繁，因?yàn)榭者\(yùn)或陸運(yùn)一般需要幾天時(shí)間，海運(yùn)則需要幾周時(shí)間。

對(duì)于個(gè)人跟蹤或健康監(jiān)測(cè)等消費(fèi)設(shè)備以及設(shè)有預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)而言，電池持續(xù)時(shí)間應(yīng)至少為3天。對(duì)此類(lèi)應(yīng)用的調(diào)制解調(diào)器和GNSS接收器的規(guī)格進(jìn)行比較時(shí)，不僅需要考慮運(yùn)行/待機(jī)耗電量，還需考慮省電模式(如自動(dòng)啟動(dòng)功能)及智能省電模式(如無(wú)需啟動(dòng)主處理機(jī)自動(dòng)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(shí)間處于最低耗電模式并且只在必要時(shí)啟動(dòng)。

2) 蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持性

設(shè)備能在哪些地區(qū)運(yùn)行呢?隨著全球人員及貨物流動(dòng)性的增強(qiáng)，調(diào)制解調(diào)器能否在不同的地區(qū)運(yùn)行成為一個(gè)重要的考慮因素(GSM在全球受2個(gè)主要頻段支持;UMTS受6個(gè)頻段支持;LTE的支持頻段數(shù)量則超過(guò)30個(gè))。對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能夠明確設(shè)備的可運(yùn)行區(qū)域并預(yù)計(jì)今后的擴(kuò)大運(yùn)行區(qū)域至關(guān)重要。明確了這項(xiàng)要求，便可選定與工作任務(wù)最匹配的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器。

例如，需要監(jiān)控全球所有地區(qū)貨運(yùn)情況的資源管理系統(tǒng)應(yīng)配備四頻段GSM調(diào)制解調(diào)器或六頻段UMTS調(diào)制解調(diào)器。至于不常移動(dòng)的設(shè)備(如住宅電表)，只需一個(gè)單頻段就足夠了。其他應(yīng)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(dòng)售貨機(jī)可以隨時(shí)支持“電話撥通”，但它必須配有可在所在地區(qū)運(yùn)行或定位的調(diào)制解調(diào)器。

3) 運(yùn)營(yíng)商認(rèn)證

所有利用GSM、UMTS或LTE通信的無(wú)線設(shè)備都必須在得到運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)證之后才能夠訪問(wèn)其網(wǎng)絡(luò)。嵌在設(shè)備中的調(diào)制解調(diào)器也應(yīng)得到運(yùn)營(yíng)商認(rèn)證，以此簡(jiǎn)化認(rèn)證過(guò)程。可先確認(rèn)跟蹤裝置運(yùn)行區(qū)域的調(diào)制解調(diào)器認(rèn)證列表，再選擇相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器。多數(shù)調(diào)制解調(diào)器廠商均會(huì)在其網(wǎng)站上提供運(yùn)營(yíng)商認(rèn)證列表。

4) 無(wú)線調(diào)試解調(diào)器的可升級(jí)性

盡管僅有少量數(shù)據(jù)通信的遠(yuǎn)程儀表應(yīng)用通常需要使用GSM/GPRS，但是將GSM頻段分配給3G和4G服務(wù)已列在考慮范圍內(nèi)。就自動(dòng)儀表讀取系統(tǒng)而言，要將其加裝在成千上萬(wàn)的遠(yuǎn)程電表上，成本費(fèi)用十分高昂。因此，著眼于未來(lái)的技術(shù)才不失為明智的設(shè)計(jì)。這就意味著：無(wú)論采用UMTS/HSPA調(diào)制解調(diào)器還是LTE調(diào)制解調(diào)器，或者至少確保硬件設(shè)計(jì)不過(guò)時(shí)，調(diào)制解調(diào)器升級(jí)都應(yīng)盡可能地提高成本效益，這也進(jìn)而引出了下一項(xiàng)特性。

5) 嵌入式調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

如今，M2M設(shè)備可能需要適應(yīng)今后出現(xiàn)的新的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)或GNSS標(biāo)準(zhǔn)，或滿(mǎn)足某一地區(qū)的客戶(hù)需求，支持其使用相應(yīng)的波段或衛(wèi)星接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。理想的情形是，只更新原有設(shè)計(jì)中的固件、天線和調(diào)制解調(diào)器或GNSS接收器來(lái)滿(mǎn)足這一市場(chǎng)要求?，F(xiàn)實(shí)情況是，除非嵌入式設(shè)計(jì)是廠商產(chǎn)品的固有特性，否則這將是一場(chǎng)噩夢(mèng)。特別是，印制電路板(PCB)的板面設(shè)計(jì)問(wèn)題可能會(huì)產(chǎn)生一連串的昂貴設(shè)計(jì)及物流成本問(wèn)題。

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

6) 帶寬要求

對(duì)于如今眾多的追蹤應(yīng)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(jiǎn)單的GPRS就可以滿(mǎn)足這一需求。如果需要語(yǔ)音信道，那么至少應(yīng)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(duì)于需要高清視頻、時(shí)延最低的應(yīng)用(如遠(yuǎn)程醫(yī)療終端)來(lái)說(shuō)，LTE則是技術(shù)首選。可以確定的是，未來(lái)的追蹤應(yīng)用對(duì)帶寬的要求將日益增加。選擇調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器的可升級(jí)性和成本效益(參見(jiàn)上述嵌入式設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容)。

7) 汽車(chē)的要求

應(yīng)用在溫度、濕度及震動(dòng)狀況可能發(fā)生極端變化環(huán)境中的車(chē)載系統(tǒng)，應(yīng)采用符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)、在ISO/TS 16949認(rèn)證地制造、符合汽車(chē)使用條件的組件。各組件的質(zhì)量測(cè)試應(yīng)符合ISO1675標(biāo)準(zhǔn)——《道路車(chē)輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)驗(yàn)》。這對(duì)于車(chē)載設(shè)備、在室外、船只或有軌車(chē)上作業(yè)的工業(yè)設(shè)備來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。

8) 支持緊急呼救系統(tǒng)

在新車(chē)上配備自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)成為一種全球性趨勢(shì)，這種自動(dòng)化系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)出事故報(bào)告，并能在車(chē)輛被盜時(shí)輔助找回車(chē)輛。美國(guó)、歐洲、俄羅斯和巴西均已發(fā)布了支持這類(lèi)系統(tǒng)的全國(guó)性倡議，并逐步成為這些國(guó)家的強(qiáng)制要求。這類(lèi)系統(tǒng)通常需要特定的調(diào)制解調(diào)器——“帶內(nèi)”調(diào)制解調(diào)器。帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器允許數(shù)據(jù)通過(guò)語(yǔ)音信道進(jìn)行傳送，與傳真機(jī)通過(guò)電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硐嗨?。語(yǔ)音信道的優(yōu)先性高于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，這也是需要帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器的原因所在。在某種特殊情況下，語(yǔ)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(yuǎn)地區(qū)可能無(wú)法使用。在此情況下，語(yǔ)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(guān)緊急呼救支持方面的問(wèn)題，應(yīng)向調(diào)制解調(diào)器廠商咨詢(xún)以下問(wèn)題：是否為帶內(nèi)調(diào)制解調(diào)器?是否同時(shí)支持2G和3G網(wǎng)絡(luò)?該調(diào)制解調(diào)器是否適用于汽車(chē)應(yīng)用?衛(wèi)星接收器是否支持航位推測(cè)?是否可以提供GPS和GLONASS接收器?(見(jiàn)上述相關(guān)內(nèi)容)

9) 輔助定位

對(duì)于在市內(nèi)環(huán)境中需要可靠位置信息的M2M應(yīng)用來(lái)說(shuō)，輔助定位系統(tǒng)的可用性應(yīng)在考慮范圍之內(nèi)。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(guò)調(diào)用遠(yuǎn)程A-GPS服務(wù)器來(lái)解決丟失定位場(chǎng)景的情況。使用無(wú)線調(diào)制解調(diào)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(gè)較為簡(jiǎn)單的過(guò)程。利用這些輔助數(shù)據(jù)，衛(wèi)星僅需幾秒鐘即可計(jì)算出位置，而無(wú)需花上30秒鐘接收1500比特的衛(wèi)星幀。

對(duì)于低端導(dǎo)航系統(tǒng)等特定應(yīng)用而言，位置信息短暫缺失的情況尚可容忍。而對(duì)于其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)(如車(chē)輛緊急呼救或道路收費(fèi)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(shè)想，這使得輔助定位系統(tǒng)成為一項(xiàng)備受關(guān)注的功能?？紤]輔助定位時(shí)應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：定位(GPS)接收器廠商是否支持在線輔助服務(wù)?服務(wù)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(wù)的客戶(hù)端軟件?定位接收器及無(wú)線調(diào)制解調(diào)器是否具有支持服務(wù)的接口?服務(wù)是否支持GPS和GLONASS?

10) 航位推算支持

能夠準(zhǔn)確記錄位置、航向及速度信息對(duì)于車(chē)載信息系統(tǒng)(如保險(xiǎn)跟蹤系統(tǒng))來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。然而，在沒(méi)有衛(wèi)星信號(hào)的隧道中，需通過(guò)平行系統(tǒng)臨時(shí)生成位置信息。補(bǔ)充衛(wèi)星信號(hào)的一項(xiàng)重要技術(shù)就是航位推測(cè)，這一技術(shù)可以根據(jù)車(chē)載傳感器輸入的數(shù)據(jù)推測(cè)出車(chē)輛的位置和速度。

有關(guān)定位接收器應(yīng)明確以下問(wèn)題：是否支持航位推測(cè)?是否可以直接插入到車(chē)載CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線來(lái)獲取數(shù)據(jù)?是否可以直接與車(chē)載傳感器(如回轉(zhuǎn)儀和里程計(jì))連接?廠商是否提供完整、經(jīng)驗(yàn)證的、帶有評(píng)估環(huán)境的系統(tǒng)?組件能否自動(dòng)升級(jí)?(參見(jiàn)下一特性)

11) 室內(nèi)定位

遺憾的是，GPS或其它任何衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都無(wú)法用于室內(nèi)。GPS微弱的信號(hào)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(chǎn)位置信息的M2M應(yīng)用在沒(méi)有空中視景的情況下注定無(wú)法運(yùn)行。對(duì)于需要室內(nèi)大致位置信息的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，將衛(wèi)星接收器與無(wú)線解調(diào)器相結(jié)合、利用2G或3G蜂窩的混合式方案就可以解決這一問(wèn)題。

GSM或UMTS信號(hào)能夠輕松穿透墻體，因此如果已經(jīng)獲悉了移動(dòng)蜂窩的范圍，就可以根據(jù)蜂窩重疊位置計(jì)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(wù)進(jìn)行無(wú)線連接。有關(guān)定位接收器和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器來(lái)源應(yīng)明確以下問(wèn)題：是否支持此類(lèi)方案?是已經(jīng)得到驗(yàn)證還是尙處于理論階段?是否提供線上服務(wù)，線上服務(wù)是否投入運(yùn)行?選定的衛(wèi)星接收器和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器是否支持該服務(wù)?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(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)、日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou)和歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)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(xiàng)必須考慮的因素，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，同時(shí)滿(mǎn)足各地區(qū)對(duì)自身系統(tǒng)兼容性的要求。

通常來(lái)講，利用兩種系統(tǒng)進(jìn)行平行操作將成為產(chǎn)品規(guī)格中不可分割的一部分。例如，俄羅斯的新型ERA-GLONASS車(chē)載緊急呼叫系統(tǒng)要求與GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)相兼容。有關(guān)GPS/GNSS接收器應(yīng)明確以下問(wèn)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(shè)計(jì)M2M產(chǎn)品時(shí)需要考慮的一些因素。需要注意的是，許多有關(guān)無(wú)線和定位的新標(biāo)準(zhǔn)正處于轉(zhuǎn)變過(guò)程中，因此，產(chǎn)品在市場(chǎng)上的長(zhǎng)期預(yù)期壽命和產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)不容忽視。此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠支持下一代性能及網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及產(chǎn)品的輕松升級(jí)等問(wèn)題也同樣至關(guān)重要。