M2M应用的兴起与挑战

文/u-blox公司市场部副总裁赫伯特布拉斯特(Herbert Blaser,)
u-blox公司产品通信部经理卡尔冯哲(Carl Fenger)

中国北京，2013年3月27日--随着接入互联网的机器（Machine）数量的增多，甚至超过互联网使用的人数。随之带来的是，机器对机器（machine-to-machine，即“M2M”）通信将有望在2013年中历史性地首次超越人对人通信。通信机器的阵营也日益扩展，包括移动资源管理系统、仪表、机器人、自动售卖机、安全系统、资产跟踪系统、车辆、紧急呼叫系统等。

如今，各种量产化的低成本计算设备层出不穷，运行速度越来越快，数据收集能力日益增强，而无线接入互联网也变得愈发便捷，联网费用越来越低。因此，机器间“对话”的比重将很快超过人与人之间的对话也丝毫不足为奇。 然而，与此同时，IP地址资源也随之将被耗尽，四十亿多个IPv4（互联网通信协议第4版）地址现已分配完毕。这是否意味着机器已经错过了大好时机？答案是否定的。今后的互联网将采用支持2的128次幂个地址的IPv6（互联网通信协议第6版），使得全球的IP地址分配绰绰有余。因此，第四代移动网络（4G）LTE能够基于IPv6提供数据、语音、视频等服务也是意料之中的事情。
 
这场网络变革的动力很简单，即所有能够接入互联网并从中获益的设备和应用最终都将互相连接在一起。这也是手机、笔记本电脑、平板电脑、汽车及游戏设备等形形色色的“机器”全部具有联网功能的原因所在。尽管这些是移动互联最显而易见的应用，但人类并不是互联网的唯一使用者，还包括飞速增长的无形应用:每天都有上百万台机器以24×7全天候、无需人工操作的方式进行着数据交换，演绎着一场场无声的“对话”。

只需嵌入低成本的小型（无线）调试解调器，任何设备都可以接入网络。具备报告位置、速度或导航信息功能的应用还需要全球定位系统（GPS）或全球卫星导航系统(GNSS)接收器。这两种元件，外加天线，都可以轻松地配置到比手机还小的设备上。

当下，在电子行业的各个领域，我们时刻都能看到这样的情形。
 
然而，视应用不同，要为设备配以M2M通信能力还需要一些特殊的条件。无论在考虑最初设计、产品寿命（在进行必要的更换以前该设备能够运行的时间）还是地理覆盖（初始设计仅可在某一个地区使用，但现在需要在其他地区使用）或与无线网络必然升级（2G到3G再到4G）的兼容性时，都需要考虑这些条件。

下文将介绍在设计M2M应用时需要考虑的一些重要技术特性，以及它们将如何影响特定类型设备的设计。

1) 耗电量

对于便携式跟踪设备、安全或个人安全设备而言，充电间隔时间是最重要的特性之一。例如，如果安装在货柜上的跟踪器每天需要充电一次，这样的间隔就太过频繁，因为空运或陆运一般需要几天时间，海运则需要几周时间。

对于个人跟踪或健康监测等消费设备以及设有预定标准的手机而言，电池持续时间应至少为3天。对此类应用的调制解调器和GNSS接收器的规格进行比较时，不仅需要考虑运行/待机耗电量，还需考虑省电模式（如自动启动功能）及智能省电模式（如无需启动主处理机自动记录数据功能）。理想的情况是，这些元件能够在多数时间处于最低耗电模式并且只在必要时启动。

2) 蜂窝网络支持性

设备能在哪些地区运行呢？随着全球人员及货物流动性的增强，调制解调器能否在不同的地区运行成为一个重要的考虑因素（GSM在全球受2个主要频段支持；UMTS受6个频段支持；LTE的支持频段数量则超过30个）。对于这类应用来说，能够明确设备的可运行区域并预计今后的扩大运行区域至关重要。明确了这项要求，便可选定与工作任务最匹配的无线调制解调器。

例如，需要监控全球所有地区货运情况的资源管理系统应配备四频段GSM调制解调器或六频段UMTS调制解调器。至于不常移动的设备（如住宅电表），只需一个单频段就足够了。其他应用则可能需要考虑一些额外的因素。例如，经常不被记住所在位置的自动售货机可以随时支持“电话拨通”，但它必须配有可在所在地区运行或定位的调制解调器。

3) 运营商认证

所有利用GSM、UMTS或LTE通信的无线设备都必须在得到运营商的认证之后才能够访问其网络。嵌在设备中的调制解调器也应得到运营商认证，以此简化认证过程。可先确认跟踪装置运行区域的调制解调器认证列表，再选择相应的调制解调器。多数调制解调器厂商均会在其网站上提供运营商认证列表。

4) 无线调试解调器的可升级性

尽管仅有少量数据通信的远程仪表应用通常需要使用GSM/GPRS，但是将GSM频段分配给3G和4G服务已列在考虑范围内。就自动仪表读取系统而言，要将其加装在成千上万的远程电表上，成本费用十分高昂。因此，着眼于未来的技术才不失为明智的设计。这就意味着：无论采用UMTS/HSPA调制解调器还是LTE调制解调器，或者至少确保硬件设计不过时，调制解调器升级都应尽可能地提高成本效益，这也进而引出了下一项特性。

5) 嵌入式调制解调器设计

如今，M2M设备可能需要适应今后出现的新的移动通信标准或GNSS标准，或满足某一地区的客户需求，支持其使用相应的波段或卫星接收机标准。理想的情形是，只更新原有设计中的固件、天线和调制解调器或GNSS接收器来满足这一市场要求。现实情况是，除非嵌入式设计是厂商产品的固有特性，否则这将是一场噩梦。特别是，印制电路板（PCB）的板面设计问题可能会产生一连串的昂贵设计及物流成本问题。
  
避免此类问题的最好办法就是使用与所有无线调制解调器（GSM、CDMA、UMTS和LTE）模块或GNSS接收器（GPS、GLONASS、伽利略、北斗卫星导航）模块设置兼容的组件。利用这一方案可以使PCB的板面设计适应所有终端产品的变化。这一问题的解决也可以参考以下几个问题：组件厂商是否支持嵌入式设计理念？他们的下一代调制解调器是否能够适当地安装在当前调制解调器产品的电路板上？他们是否提供技术文件支持以帮助完成嵌入式设计？

6) 带宽要求

对于如今众多的追踪应用而言，只需要低带宽连接就可以支持追踪及信息收发功能。如果需要的只是数据，简单的GPRS就可以满足这一需求。如果需要语音信道，那么至少应支持GMS和GPRS。如果需要支持可视监控的视频流，那么UMTS和HSPA则是更好的选择。对于需要高清视频、时延最低的应用（如远程医疗终端）来说，LTE则是技术首选。可以确定的是，未来的追踪应用对带宽的要求将日益增加。选择调制解调器不仅要根据现今的需求，还要根据三至五年后的需求，或是取决于调制解调器的可升级性和成本效益（参见上述嵌入式设计部分的内容）。

7) 汽车的要求

应用在温度、湿度及震动状况可能发生极端变化环境中的车载系统，应采用符合AEC-Q100标准、在ISO/TS 16949认证地制造、符合汽车使用条件的组件。各组件的质量测试应符合ISO1675标准——《道路车辆电气及电子设备的环境条件和测验》。这对于车载设备、在室外、船只或有轨车上作业的工业设备来说都至关重要。

8) 支持紧急呼救系统

在新车上配备自动化系统已经成为一种全球性趋势，这种自动化系统能够自动发出事故报告，并能在车辆被盗时辅助找回车辆。美国、欧洲、俄罗斯和巴西均已发布了支持这类系统的全国性倡议，并逐步成为这些国家的强制要求。这类系统通常需要特定的调制解调器——“带内”调制解调器。带内调制解调器允许数据通过语音信道进行传送，与传真机通过电话线进行数据传输的原理相似。语音信道的优先性高于移动网络数据，这也是需要带内调制解调器的原因所在。在某种特殊情况下，语音信道的可用性高于数据信道的可用性，如GPRS或HSPA等在偏远地区可能无法使用。在此情况下，语音信道是向紧急呼救中心传输数据的重要通信手段。

有关紧急呼救支持方面的问题，应向调制解调器厂商咨询以下问题：是否为带内调制解调器？是否同时支持2G和3G网络？该调制解调器是否适用于汽车应用？卫星接收器是否支持航位推测？是否可以提供GPS和GLONASS接收器？（见上述相关内容）

9) 辅助定位

对于在市内环境中需要可靠位置信息的M2M应用来说，辅助定位系统的可用性应在考虑范围之内。尤其是在卫星视程容易受到高层建筑物阻碍的城市，可通过调用远程A-GPS服务器来解决丢失定位场景的情况。使用无线调制解调器从互联网上下载几字节的卫星轨道数据是一个较为简单的过程。利用这些辅助数据，卫星仅需几秒钟即可计算出位置，而无需花上30秒钟接收1500比特的卫星帧。

对于低端导航系统等特定应用而言，位置信息短暂缺失的情况尚可容忍。而对于其他应用来说（如车辆紧急呼救或道路收费系统），即使位置信息发生了短暂的丢失，造成的后果也将不堪设想，这使得辅助定位系统成为一项备受关注的功能。考虑辅助定位时应关注以下几点：定位（GPS）接收器厂商是否支持在线辅助服务？服务是否可靠？是否提供可用性保证？支持哪些地区？是否包含支持服务的客户端软件？定位接收器及无线调制解调器是否具有支持服务的接口？服务是否支持GPS和GLONASS？

10) 航位推算支持

能够准确记录位置、航向及速度信息对于车载信息系统（如保险跟踪系统）来说至关重要。然而，在没有卫星信号的隧道中，需通过平行系统临时生成位置信息。补充卫星信号的一项重要技术就是航位推测，这一技术可以根据车载传感器输入的数据推测出车辆的位置和速度。

有关定位接收器应明确以下问题：是否支持航位推测？是否可以直接插入到车载CAN（控制器局域网络）总线来获取数据？是否可以直接与车载传感器（如回转仪和里程计）连接？厂商是否提供完整、经验证的、带有评估环境的系统？组件能否自动升级？（参见下一特性）

11) 室内定位

遗憾的是，GPS或其它任何卫星导航系统都无法用于室内。GPS微弱的信号很容易被墙体、金属、甚至是很薄的水面所阻隔。但这并不意味着需利用资产位置信息的M2M应用在没有空中视景的情况下注定无法运行。对于需要室内大致位置信息的应用来说，将卫星接收器与无线解调器相结合、利用2G或3G蜂窝的混合式方案就可以解决这一问题。

GSM或UMTS信号能够轻松穿透墙体，因此如果已经获悉了移动蜂窝的范围，就可以根据蜂窝重叠位置计算出大概的位置信息。与上述辅助定位解决方案相似，这一方案也需要与外部服务进行无线连接。有关定位接收器和无线调制解调器来源应明确以下问题：是否支持此类方案？是已经得到验证还是尙处于理论阶段？是否提供线上服务，线上服务是否投入运行？选定的卫星接收器和无线调制解调器是否支持该服务？精确程度如何？

12) 定位系统的兼容性

早前只有GPS系统是需要考虑的系统。俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、日本的准天顶卫星系统（QZSS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou）和欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo）相继推出后，与GPS及其他卫星系统的兼容性成为一项必须考虑的因素，以此提高系统的稳定性和准确性，同时满足各地区对自身系统兼容性的要求。

通常来讲，利用两种系统进行平行操作将成为产品规格中不可分割的一部分。例如，俄罗斯的新型ERA-GLONASS车载紧急呼叫系统要求与GLONASS卫星系统相兼容。有关GPS/GNSS接收器应明确以下问题：是否提供多种GNSS支持？是否提供并行的GPS/GLONASS或GPS/BeiDou系统？

以上是设计M2M产品时需要考虑的一些因素。需要注意的是，许多有关无线和定位的新标准正处于转变过程中，因此，产品在市场上的长期预期寿命和产品的目标市场不容忽视。此外，产品设计能够支持下一代性能及网络覆盖以及产品的轻松升级等问题也同样至关重要。