隨著物聯網 (IoT) 延伸到越來越多的開放空間，設計人員趨向采用無所不在的蜂窩網絡實現安全可靠的低功耗長距離無線機對機 (M2M) 通信。然而，蜂窩網絡的選擇至關重要。雖然 2G 和 3G 網絡曾在業內應用較好，但已日薄西山，因此開發人員需要專注用 4G 和 LTE 實現 M2M 通信，同時關注新興的 5G。

雖然 Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 可用于較短距離的 M2M 通信，但蜂窩網絡的普及可確保隨時接入互聯網，且還具備額外的優勢，例如帶寬獲得許可、網絡維護由蜂窩網絡提供商負責。而且，物聯網連接很少需要語音傳輸，可以接受低于 1 Mb/s 的數據傳輸速度。因此可以采用低數據速率、低功耗的 M2M 接口，如 NB-IoT 和 LTE-M (Cat-M1)，以節能并延長電池壽命。

本文會先討論沒落的 2G 和 3G 網絡，然后再介紹兩種為低功耗 M2M 通信而推出的較新物聯網無線接口：LTE-M 和窄帶物聯網 (NB-IoT)。最后文章將介紹各種 LTE-M 解決方案，向設計人員展示如何快速啟動并運行物聯網。

2G 和 3G 正在經歷什么？

2G 和 3G 在十年前還是前沿技術，如今已逐漸過時。實際上還有 1G，但常被認為是模擬技術，傳輸速率僅有 2.4 Kb/s。2G 是支持數字語音的第一代網絡，但不支持數據，其速度為 64 Kb/s，語音質量差強人意。3G 速率達到 2 Mb/s，支持語音，數據支持有限，主要用于發送文本消息和互聯網瀏覽。

4G 傳輸速度提升到 100 Mb/s，是首個設計主要用于移動數據通信的蜂窩網絡。這主要得益于 4G 長期演進技術（也直接稱 LTE）的發展。LTE 基于互聯網協議 (IP)，每臺聯網設備都分配有自己的 IP 地址，移動設備支持高達 500 Mb/s 的數據率。

隨著新技術進步和不斷增長的最終用戶需求，顯然 2G 和 3G 不支持所需的數據速度或現代通信語音質量。4G 和 LTE 顯然更高效，密度更高，能更好地利用可用頻譜并提供更快的速度。運營商寧愿關閉 2G 和 3G 網絡，為 4G 網絡和未來的 5G 重新調整頻譜。這樣做對于運營商具有財務和技術意義，并能提高客戶滿意度。

用于 M2M 數據的 4G 和 NB-IoT

既然 4G 和 LTE 是當前主流蜂窩數據網絡，如何才能將它們用于高效 M2M 數據傳輸呢？此處的效率與 M2M 端點給定范圍傳輸速度的電流消耗直接有關。M2M 很少需要 100 Mb/s 的速度，因此出現了 LTE 子集，以優化數據速率、范圍、功耗和使用模式，即間歇傳輸或頻繁傳輸。

NB-IoT 是低數據速率接口，用于 M2M 和物聯網網絡中簡單的電池供電型設備。為了進一步簡化網絡通信，這種接口設計為僅連接一個信號塔進行通信。由于該接口可用于許多支持 4G 的場所，因此有著出色的覆蓋范圍。但是，該接口不兼容某些最早期的 4G 網絡，它不是基于 IP 的設計，所以不兼容 LTE 網絡。此外，4G 還存在一些地區差異，可能不兼容 NB-IoT。為了讓 4G 網絡能使用 NB-IoT 通信，需要對信號塔進行硬件改動。

為了保持最低功耗，NB-IoT 標準規定下行鏈路和上行鏈路的最大傳輸速率為 50 Kb/s。為進一步節能，它采用半雙工協議，最后一個數據包傳輸至 M2M 端點的時間和收到確認消息的時間之間有 10 秒延時。

由于 NB-IoT 并非設計用于輕松處理信號塔切換，它主要用于靜態端點，例如位于手機信號塔信號良好區域內的電度表和靜態傳感器等。由于相對較低的數據率，NB-IoT 無法高效處理固件空中 (FOTA) 升級。

適合基于 IP 的 M2M 數據的 LTE-M

LTE-M 的引入是為了解決 NB-IoT 存在的一些不足。LTE-M 有許多其他名稱，如 Cat-M1（M1 類）、Cat-M、LTE Cat M1、eMTC 和 LTE-MTC（機器類型通信）。

LTE-M 比 NB-IoT 快，上行鏈路和下行鏈路速度高達 1 Mb/s。支持全雙工和半雙工傳輸，延時小于一秒。不同于 NB-IoT，它是基于 IP 的協議，支持 TCP/IP 通信。該技術輕松支持信號塔切換，只要有 LTE 網絡覆蓋，就能用于移動 M2M 端點。

NB-IoT 能在多數有 4G 網絡的地方使用，而 LTE-M 能用于有 4G LTE 網絡的任何地方。為了讓現有 LTE 網絡能使用 LTE-M 通信，需要對信號塔進行固件改動。

盡管性能更高，LTE-M 和 NB-IoT 功耗大致相同。這是因為 LTE-M 端點支持節電模式，不傳輸或接收數據時可降低功耗，同時仍與蜂窩網絡保持連接。

為 M2M 項目選擇合適的數據網絡

在為 M2M 應用選擇適當的數據網絡時，務必查看所在地理區域中有哪些可用網絡，以及 M2M 應用將位于何處。如果目標區域中沒有 LTE，則查看是否支持 NB-IoT。如需要 TCP/IP，就選擇 LTE-M。然后，將各標準的特征與應用要求及其環境進行對比。并且，在選擇之前進行現場測試。

注意，連接到蜂窩網絡的各裝置需要從蜂窩網絡運營商處購買含數據套餐的 SIM 卡。用于聯網 IoT 設備的 SIM 卡和蜂窩數據套餐可從 Digi-Key 購買。Digi-Key 提供來自 Verizon、AT&T、Vodaphone 和 T-Mobile 的套餐（2019 年將加入更多套餐），數據上限為 5 Gb/月。

Digi International 為物聯網和 M2M 通信提供各種產品，包括只比 25 美分的硬幣略大的 XBee? 系列蜂窩模塊。該產品以子卡格式提供，帶標準 10 引腳通孔連接器。

XB3-C-A2-UT-001 XBee3 蜂窩調制解調器支持 LTE-M，設計用于電池供電的蜂窩通信應用（圖 1）。XBee3 帶有 SIM 插口，且調制解調器經過 FCC 認證。運營商方面，它經過 AT&T 和 Verizon 認證，兼容任何 LTE-M 網絡。

圖 1：Digi XB3-C-A2-UT-001 XBee3 LTE-M 蜂窩調制解調器僅比 25 美分硬幣略大，板上帶有 SIM 卡插口。（圖片來源：Digi International）

XBee3 可以使用 MicroPython 語言編程。標準 10 針座支持 SPI、UART 和 USB 控制接口。調制解調器還支持低功耗藍牙 (BLE)。

若要使調制解調器支持數千米的標準范圍，假設附近有手機信號塔，請使用 3.3 - 4.3 伏的電源。禁用藍牙時，標準范圍內 4.3 伏下峰值發射電流消耗僅 550 毫安 (mA)，啟用藍牙時僅 620 mA。調制解調器處于省電（休眠）模式時，耗電 20 毫安 (μA)。

LTE-M 能覆蓋范圍最遠達 50 km，但如果需要更長的距離，則使用 5.5 伏電源。在 5.5 伏延長范圍模式中，禁用藍牙時調制解調器耗電 800 mA，啟用藍牙時 860 mA，休眠電流消耗 60 μA。由于所有無線電信號都在 XBee3 子板而非印刷電路板上處理，因此不需要射頻布局程序。但是，為了達到最佳抗噪性，最好在印刷電路板的 XBee3 下有接地平面。

如要使用此調制解調器，請使用 Digi XK3-C-A2-UT-U XBee3 LTE-M 開發套件（圖 2）。此套件為學習采用 LTE-M 的 M2M 蜂窩連接提供了完整的逐步說明。

圖 2：XK3-C-A2-UT-U XBee3 開發套件包含了使用 LTE-M 進行 M2M 端點通信實驗所需的一切。XBee3 本身就是主板上的模塊。（圖片來源：Digi International）

XBee3 調制解調器開發套件配備一個 XBee3 LTE-M 蜂窩調制解調器和一張 AT&T SIM 卡，含六個月免費蜂窩服務。要開始設置開發板和 XBee3 LTE-M 調制解調器，首先將 SIM 卡牢固插入 XBee 調制解調器。然后，將 XBee 調制解調器插入開發板上的針座。XBee3 調制解調器就位后，小心連接兩根天線到開發板上的兩個 U.FL 連接器。將天線連接器放在 XBee3 板 U.FL 連接器上，然后非常小心地用手指按下，使連接器接合。

連接器正確就位時將聽到咔嗒聲。U.FL 接頭非常精密，并非設計用于可插拔十多次，因此在連接這些連接器時要非常小心。

兩個天線連接器到位后，將 12 伏電源插入到墻上插座中，然后將電源連接器插入到開發板中。最后，將 USB 電纜一端插入到運行的 PC 中，另一端插入到開發板中。然后，PC 將開始為開發板安裝驅動程序。

開發板附帶 Digi XBee 配置和測試實用軟件 (XCTU)，可在 Windows?、Mac 和 Linux 上運行。驅動程序安裝完成后，啟動 XCTU。按照屏幕上的逐步說明設置 PC 和開發板之間的接口，并配置 XBee3 調制解調器。然后，在運行基于云的 Echo Server Demo 之前，XCTU 將按需更新 XBee3 固件。

創建工業 M2M 網絡

對于位于工廠或其他工業系統中的工業網絡，可以使用各種協議，包括 Wi-Fi、LTE，甚至某些遺留系統可使用早期的 HSPA+。Digi International LTE 傳輸路由器和網關系列設計用于嚴苛的工業應用。

傳輸路由器和網關速度極快。例如，Digi International TransPort WR44 是帶有兩個 SIM 插槽的堅固型傳輸路由器，支持 802.11ac/a/b/g/n Wi-Fi。該設備支持 VPN 連接，并帶有完全可定制的防火墻。作為工業設備，其具有從 -40 到 +85°C 的廣泛工作溫度范圍，相當堅固耐用，可用于鐵路應用。不同于家用路由器，此路由器使用 M12 連接器連接以太網。

Digi International 63xx 系列 LTE 路由器和網關專為物聯網網關應用而設計。ASN-6350-SR06-GLB 是高速路由器兼 LTE 蜂窩調制解調器，支持 LTE-M（圖 3）。它有兩個支持 4G、LTE、3G、HSPA 的 SIM 插槽，具有自動切換功能，可在運營商之間智能切換。

圖 3：Digi 6350-SR06 LTE 路由器和蜂窩調制解調器有兩根用于蜂窩數據的偶極天線和兩根用于 802.11b/g/n Wi-Fi 的偶極天線。（圖片來源：Digi International）

將此路由器放在沒有任何金屬障礙物的中心位置，以免干擾傳輸。由于 M2M 和物聯網端點通常天線較小，部署必須連接到這些端點的路由器或網關時要比部署家用路由器或網關更須謹慎。應提前規劃網絡中的路由器/網關位置，不要在網絡完成后才布置其位置。

路由器通過基于云的控制臺進行管理，或通過向其中一個 SIM 電話號碼發送 SMS 消息以進行管理。

5G 怎么樣？

5G 即為第五代蜂窩網絡，是各種先進技術的集合，附其他外，還為物聯網和 M2M 提供廣泛支持。其超可靠低延遲通信 (URLLC) 特性可保證在 99.999% 的幾率下，在 1 毫秒延時時間內成功傳輸數據。這對于任務關鍵應用特別重要。5G 對于必須保持患者和醫生之間持續通信的醫學傳感器，以及工業和運輸應用尤其重要。

對于移動設備，5G 的增強移動寬帶 (eMBB) 預計能達到最高 10 Gbps 的數據速率。手機信號塔通過 5G 能連接的設備是 4G 和 LTE 連接數量的最高 100 倍。這意味著更低的手機提供商成本，更可靠的 M2M 和物聯網網絡連接。

總結

針對物聯網和 M2M 應用的基于 4G 的 NB-IoT 技術和基于 LTE 的 LTE-M 技術可能看上去就像一堆深奧難懂的符號。在開始物聯網或 M2M 項目之前，務必要理解這些蜂窩網絡技術的差異，以便選擇正確的元器件。

通過掌握一些基本知識并運用核心設計技巧，設計人員可以使用許多可用的 LTE-M 物聯網連接套件和模塊，在許多運營商網絡中快速搭建并運行自己的設計。