经验证的嵌入式调制解调器：帮助轻松实现蜂窝IoT技术，并推动基础设施蓬勃发展

与使用免授权频段的低功耗广域网技术(LPWAN)相比，蜂窝物联网(IoT)的缺点之一是终端设备在加入LTE-M或NB-IoT网络之前，需要先进行无线电频段规划分配的验证。验证工作既耗费时间又花钱，但只要选择合适的技术供货商，就能缩短成功验证的路径。一旦通过验证便可享用规范严格的蜂窝网络的全球覆盖范围和服务质量(QoS)等优势，这是很丰厚的回报。

要证明蜂窝IoT的终端设备已通过性能和质量保证测试，便需要验证；而这些测试是满足监管机构的网络连接规范。产品若没有完成验证，就无法推出市场。

1 芯片组、模块和终端设备验证

蜂窝IoT终端设备通常需要满足三层产品验证：一是验证芯片组，然后是验证终端设备使用的模块，最后则是验证终端设备本身。

一般来说，芯片组供货商会对芯片组进行验证。接着，模块供货商会将芯片组整合进模块并进行验证。然后，将该模块集成到终端产品中，再进行验证。

但是，也有少数例外。其中一例是Nordic采用系统级封装的nRF9160 SiP，它集成了LTE-M/NB-IoT调制解调器和GPS。nR9160 SiP是低功耗蜂窝IoT解决方案，整合了芯片组(也是由Nordic开发)以及RF前端和电源管理IC等组件。Nordic还兼顾到这款SiP的模块级验证，以供全球范围蜂窝网络使用。

如果要以仅通过模块验证程序的模块来将设备连接到网络，便要获得运营商的特别许可，而这项特别权限仅用于测试，而且只能扩展到少量几个设备。如果之后想要将基于该模块的设计用于小批量生产，制造商就需要提交产品以进行终端设备验证。这可能既耗时又昂贵，需要经过多次设计迭代才能进入生产的情况尤其如此，因为每一次的迭代都要需要新的验证。

2 嵌入式调制解调器路由

要验证终端设备，还有另一条可以降低风险并节省时间和金钱的途径，就是使用嵌入式调制解调器作为蜂窝IoT设计的基础。

相比模块，嵌入式调制解调器因为加入了模块所不提供的基本设计元素，例如确保接入I/O引脚，包括天线连接以及增加电压调节功能，因此在设计上可以再进一步，创造一个功能全面的调制解调器。由于嵌入式调制解调器是一个完善并且可工作的蜂窝IoT解决方案，因此调制解调器制造商可以成功达成终端产品的验证，而不仅是模块级阶段的验证而已。

终端产品设计人员因此可以采用“安装即用”(drop-in)的嵌入式调制解调器，因为它不但是基于通过验证和测试的蜂窝IoT设计，而且一旦被整合进终端产品中，就不需要进一步的验证。

美国嵌入式调制解调器公司NimbeLink所推出的Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160是第一个公开发布并通过了第三方终端设备验证的嵌入式调制解调器(图1)，它正是基于Nordic的nRF9160 SiP而设计。这代表除了少数的特殊情况之外，任何包含Skywire Nano的产品或应用，都不用再经过蜂窝技术运营商的验证程序，就可以加入LTE-M或NB-IoT网络。

图1 Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160基于nRF9160 SiP而设计，是一款已通过验证、适用于蜂窝IoT应用开发的全功能嵌入式调制解调器

3 简化蜂窝IoT设计

nRF9160 SiP和相关的开发工具在很大程度上消除了蜂窝IoT设计的复杂性，并且简化了验证程序，以鼓励几乎没有或者完全没有蜂窝IoT经验的企业进入这个领域。

这款SiP专用的应用程序内存空间使得开发人员可以移植和执行自己开发的程序代码，同时可将控制嵌入式调制解调器功能的固件储存在单独的内存分配区中。

NimbeLink已将Nordic的设计易用性延续到Skywire Nano。该公司表示，有了嵌入式调制解调器，便可致力于为客户减少很多设计工作，使得产品开发人员可以更轻松实现蜂窝连接技术。

想要在产品设计中增加蜂窝IoT连接功能的开发人员，只要使用嵌入式调制解调器，便可以在短短几周内轻松将其产品从概念发展到部署阶段。

4 蜂窝IoT将实现高成长

为设计人员简化蜂窝IoT设计方法是极其重要的。所有的迹象都表明了，在未来几年内，NB-IoT + LTE-M解决方案将呈现快速的高成长，届时该平台将取代Sigfox和LoRa等专有的LPWAN解决方案。展望未来，在针对IoT应用的4G及5G网络技术的支持下，蜂窝IoT将可提供无所不在的低功耗连接。

2018年爱立信移动报告预测，到2023年蜂窝IoT连接的数量可能高达35亿，其中的22亿可望出现在东北亚。该报告还指出，蜂窝IoT连接领域有望达到比整体市场更快速的增长。

而除了目前进行中的大规模基础设施的部署之外，有一个正在威胁采用蜂窝IoT技术的因素，就是它的复杂性。某些供货商的LTE-M产品在新产品开发阶段时就陷于挑战，在某些情况下所能提供的功能有限，但正如我们所看到的，采用Nordic的nRF9160就不会发生这些情况。

蜂窝IoT的全球基础架构已经妥善部署并且运作良好，基本LTE技术满足了验证、可靠性、互操作性要求且高度安全。在目前，没有任何竞争的LPWAN解决方案可与之匹敌。

5 IoT对照明的影响

照明是普遍存在于整个已发展世界的基础建设。智能照明完美融合了无线网络技术的连接性、控制性和可扩展性，以及固态照明(SSL)的美学、效率和长使用寿命。这种融合的完美之处，几乎可以说是LED和IoT的低功耗无线连接(这两项支撑智能照明的技术)已经成为一体。实际上，这样的组合是完全偶然发生的，但尽管如此，这样的结合提供了惊人的潜力，因此该行业即将有爆发性成长。

产业分析公司IndustryARC表示，智能照明(无线连接的SSL)正在迅速取代不具智能的“哑”LED灯具。该公司表示，2018年全球智能照明市场价值68.7亿美元，并呈现两位数的年增长率。

这样的增长部分是由LED的绿色证书(green credential)所带动的，该技术可以节省能源并减少碳的排放和消费者的支出。美国能源部(DoE)表示，与白炽灯泡相比，LED至少节能75%，使用寿命则延长25倍。仅仅是在美国一地，以LED代替传统灯泡已将电力消耗减少了348 TWh，并减少了300亿美元支出。此外，因为减少了燃烧发电而节省了化石燃料使用，从而避免了1亿吨二氧化碳排放。

然而，智能照明不仅仅是一项干净、高效和可持续的技术这么简单而已。由于照明是每栋建筑结构的基本元素，每台灯具内置无线技术后不但可以简化配置和控制，以获得最佳照明效果，还可支持各种分布式传感器，通过协调来节省更多的能源，提高生产率并增强建筑物的安全性。

6 照明即平台(LaaP)

尽管如此，蜂窝IoT可望在现有的照明基础设施上大幅增加更多的附加价值。根据蓝牙技术联盟(SIG)的“照明即平台”(Lighting as a Platform, LaaP)报告，智能照明控制可以节省多达50%的照明能源成本，而且，使用智能照明技术所实现的附加服务价值，甚至可能比节能的价值高十倍。换句话说，照明控制仅是智能照明真正效益的皮毛，其效益已经远远超出了照明本身，成为物联网的基础支柱：LaaP。

未来的智能建筑和智能城市中的照明设备，将有如人体的“中枢神经系统”，它使用“神经”和“脊椎”在网络上收集感觉信息，管理数据并指示在适当时候进行适当操作以达至最佳的效果。

照明在这方面拥有独特定位，因为每栋建筑物中的每个房间都需要这项必要的基础设施，我们城市中的每条街道和十字路口也是如此。照明无所不在，因此照明系统可以成为远远超越照明功能的平台。

现在还未走到这一步。网状网络 (mesh networking)是关键，虽然可以扩展和支持节点的网状网络，以及用于智能建筑或城市所有传感器数据的吞吐量等条件都还不是很成熟，但是它们已日渐进步，并且也取得了重大进展，让LaaP的所有固有优势得以实现。

随着上一代不具备智能的“哑“LED灯具被低功耗蓝牙支持的网状网络、Thread或Zigbee无线连接灯具所取代，开发人员在灯具中逐渐增加嵌入各种各样的附加传感器，这些传感器为许多其他由数据驱动的应用奠定了基础。资产追踪及保护、测向功能、安全性、空间优化、市场营销以及居住者的生产力和安适感，将可全部由我们头顶上的灯具来助力实施，同时通过蜂窝IoT进行全球通信。

（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2021年第1期。）