优化嵌入式蜂窝模块设计满足M2M应用需求
2011-07-12
作者：Kenneth Bednasz
来源：Telit无线解决方案公司
虽然目前智能手机市场发展迅速，但与机器到机器(
M2M)领域相比仍逊色不少。一些分析人士预测，在这个十年中，全球智能手机的年复合增长率(CAGR)约为22%，但Infonetics Research等公司预测同一时期内M2M的年复合增长率将高达66%。
M2M应用主要分为两大类：针对移动应用和服务的信息通信以及涉及固定设备的遥感遥测。2009年市场上的M2M信息通信设备已达8,700万台。Infonetics公司预计，到2014年市场上总共将有4.28亿台这样的在用设备。所有这些数字对电子工程师来说意味着巨大的机会。但M2M并不是稳赚不赔的买卖。面向M2M应用的
嵌入式
蜂窝模块应该进行全新设计，以满足M2M的恶劣环境要求。
为了确保成功，电子工程师必须理解几个关键因素：带宽要求和成本；移动运营商技术路线图和认证程序；地区覆盖以及月度发展速度计划和模块价格趋势。这些因素直接影响M2M设备的上市时间、开发成本以及市场竞争能力。
长寿命和淘汰机制
传统移动电话和M2M设备之间的一个根本区别在于设备的使用寿命。消费者一般每隔18至24个月就会更换他们的蜂窝电话，而M2M设备通常至少要持续工作5至10年。在自动抄表或住宅安全等应用中，M2M设备大多要持续工作15年。
为了适应这么长的使用寿命，理解嵌入式模块和无线运营商的技术路线图就显得非常重要。例如，虽然目前大多数M2M设备只能在2G和2.5G网络技术上很好工作，但一些运营商正在努力推进在新的M2M设计中使用3G模块。由于不同运营商的网络支持策略稍有不同，因此在设计过程中尽早与你的运营商合伙伙伴进行沟通十分重要。此外，在嵌入式蜂窝模块方面，了解当前模块设计的使用年限和期望寿命也很重要。
在某些情况下，像Telit公司等蜂窝模块供应商可以通过提供一定程度的技术兼容性来降低网络技术移植风险，例如，管脚兼容的外形封装或一致的AT命令集。
制造商一般设计的长寿命M2M产品都能应用于恶劣的环境，如牵引式卡车的高热、脏污和振动的发动机仓，或室外电表的宽幅、季节性温度变化环境。在现场更换发生故障的M2M模块的代价很高；对于某些应用，例如装满昂贵货物的集装箱，几小时甚或数天的通信连接丢失是不可接受的。
全新设计
供应商应全新设计嵌入式蜂窝模块，以满足M2M应用，而不是典型移动电话或PCI调制解调器等消费类应用面临的环境要求。例如，M2M解决方案应该使用范围超过GSM和cdma2000最小要求值的功放和其它元件。
M2M市场如此之大、发展如此迅速并充满挑战的原因之一是存在大量应用，并且每种应用都有自己的要求。
例如，在车载信息娱乐和资产跟踪等信息通信应用中，“主机”设备一般都要穿越很宽的地理区域。对于这类应用，M2M解决方案必须支持多个频段，以便在设备出入不同网络时能够保持连接。
举例来说，经常要跨越多个大陆的集装箱一般要求模块使用GSM系列技术(GSM、GPRS和Edge)，并支持4个频段(850MHz、900MHz、1,800MHz和1,900MHz)。相反，针对北美市场设计的SUV信息娱乐系统可能使用cdma2000 1X和1xEV-DO无线技术，其主要频段是800MHz和1,900MHz。而一些任务关键型信息通信应用有时可能要集成卫星连接，将其作为没有蜂窝覆盖地区的备份通信手段。
更新的蜂窝技术，如LTE则具有额外的设计考虑。LTE取得与3G同样的覆盖率也许至少需要三年多的时间，而赶超非常普及的2G和2.5G网络则需要更长的时间。如果应用要求频繁或稳定的连接，那么基于LTE的M2M解决方案还必须包含GSM、GPRS、Edge、HSPA和UMTS的某种组合作为备用通信手段。
因此LTE设计应增加天线必须支持的频段数量：最多4个频段分给备用技术，LTE至少要1个频段，还有1个或1个以上的频段用于支持其它技术，例如用于定位服务的GPS。所有这些要求使得设计师面临巨大挑战：不仅要为多个收发器及其附属元件找到足够的空间，天线系统也需支持更多的频段，但M2M模块体积不能因过分扩大而无法适合特定的应用。
在提供高可靠性并提供一致性能的解决方案中，忽视天线设计的作用是一个错误。天线系统永远不应成为事后补救的对象，因为它们可能成就，也可能毁了M2M设备。事实上，天线问题是许多M2M设备无法成功上市的最常见理由。
另外一个设计考虑因素是带宽。一些M2M应用——例如监控摄像机回传——要求快速的上行链路；有些应用同时要求上行链路和下行链路提供高吞吐量。再比如，目前一些数字标牌广告可以向过往行人提供这样的功能：点击某个键将显示器切换到视频会议模式，然后与远程销售同事进行互动交流。当面向这种应用时，可以考虑使用cdma2000 1xEV-DO Rev.A，HSDPA/HSUPA或LTE这样的高速技术。
无线运营商必须对使用他们网络的M2M设备进行认证。这个过程费时又费钱，因此对M2M解决方案的开发成本和上市时间有很大的影响。
运营商认证费用取决于具体技术。使用预先认证过的模块开发2G解决方案的认证费用大约是25,000美元；相应的3G产品可能要4万美元。当运营商从来没有处理过特定的M2M解决方案时，所需的费用和时间可能还要更多。
这正是大多数M2M设备供应商倾向于采用已经过运营商预先认证过的模块而不是从头创建解决方案的原因。后者要求全面的认证，费用可能高达30万至100万美元，时间可能长达9个月。而采用运营商认证过的模块开发的解决方案，可以在数周内完成运营商设备认证。
采用与运营商、系统集成商、天线专家等拥有很深行业关系的供应商的模块产品有助于你的产品更快上市，并避免首次M2M设计可能存在的许多缺陷。
如果M2M公司错误地押注一种只是小范围应用，或几年内都得不到广泛采纳的技术，那么所付出的代价将是很高的，甚至可能毁了公司。M2M市场的许多机会只青睐那些具有足够智慧应对挑战的公司。
图1：M2M设备的基本组件。
图2：使用经认证的模块可以显著加快M2M设备开发进度。
本文来自《电子工程专辑》2011年7月刊
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