将蜂窝技术融入嵌入式系统

将蜂窝技术融入嵌入式系统

将蜂窝技术融入嵌入式系统

通过蜂窝连接为智能设备和机器建立连接的市场正面临爆发式增长机遇。尽管过去几年不断创新,机对机 (M2M) 占蜂窝总连接数的比例还是出奇的少——仅 2%。Machina Research 指出,使用蜂窝技术的设备数将从 2011 年末的 1.46 亿台增至 2022 年末的 26 亿台。如今,2G 俨然成为全球大多数智能系统或 M2M 应用使用的蜂窝连接首选。预计截至 2022 年,2G 所占比例将达到 22%。在高带宽应用需求和技术前瞻性需求的推动下,预计截至 2022 年,3G 和长期演进技术 (LTE) 加在一起占连接数的比例将达到近 90%。

可选蜂窝解决方案

如今,适用于全球移动通信系统 (GSM) 和码分多址 (CDMA) 配置的蜂窝解决方案趋于多样化。对于设计人员而言,有四种蜂窝模块解决方案可供选择。选择哪款用于解决方案取决于多种因素。

● 芯片组

● 模块

● 嵌入式模块

● 箱式产品

芯片组

芯片组蜂窝调制解调器设计适用于高容量的应用程序,估计年用量 (EAU) 通常达到 300K,甚至更高。芯片组设计提供最小占用空间解决方案,物料清单 (BOM) 成本是上述四种解决方案中最低的,而非经常性工程 (NRE) 成本和符合性测试成本却是最高的。芯片组设计的设计风险最大,项目进度最长,而且通常由芯片组供应商提供许可元件。只有在蜂窝设计方面具备深厚专业知识的公司能够尝试芯片级设计。为帮助在此领域几乎毫无经验的客户,Arrow 与精于芯片级设计的设计服务机构展开合作,可成功帮助用户实现芯片级设计。

模块

为产品添加蜂窝连接功能的最常用方法之一是使用经认证模块实现。经认证模块提供最小占用空间解决方案,miniPCI-e 占用空间符合标准,BOM 成本低,NRE 成本和符合性测试成本适中。由于设计风险低于芯片级设计,且芯片设计需要进行符合性测试,使用经认证模块的上市速度一般较快。实现经认证模块比芯片简单,但并不像直接将电源和天线连接到模块那么简单。探索模块解决方案时,选择提供技术支持和完整设计资料的模块供应商,为成功提供保证。

经认证模块用户将蜂窝模块集成到设计中后,需要对最终产品执行测试。用户可利用模块供应商执行的大部分测试,但还是需要对设备执行最终产品测试。

嵌入式模块

嵌入式模块简化了为嵌入式产品添加蜂窝连接功能的过程。嵌入式模块提供完全兼容的蜂窝解决方案,包括天线或将嵌入式解决方案装上天线的连接器。尽管嵌入式模块的成本比模块高,供应商已执行了所有设计风险符合性测试和运营商认证。

许多嵌入式模块的占用空间和接口符合标准,用户可根据应用程序选择 CDMA 或 GSM 解决方案。该方案简单有效地为客户提供不同的蜂窝技术选择。选择占用空间符合标准的嵌入式模块的用户还能确保设计“永不过时”,使最新技术简单无缝地集成到产品中。

嵌入式模块使用户能够很快上市,同时将设计风险降至最小,是让产品快速上市的极具吸引力的选择。选择嵌入式模块时,了解哪个模块用于嵌入式解决方案尤为重要。如果产品获得成功且保证会降低成本,用户会希望迁移到嵌入式模块供应商使用的模块,将软件和应用程序开发成本降至最低。支持因供应商而异,所以应当考虑选择提供有力的模块支持的解决方案。嵌入式模块解决方案通常不需要超出原始设备制造商核心能力的专业技术。

箱式产品

箱式产品使实现蜂窝解决方案最快上市。多数箱式产品可通过串行或 USB 接口连接到嵌入式设备。箱式产品是上述四种解决方案中成本最高的,但也是上市最快、设计风险最低的解决方案。使用箱式产品是构建快速概念验证的极好途径,使硬件正常运行,这样设计周期中的应用程序开发和测试就能提早开始。在更新现有硬件成本太高或不可能采纳的情况下,箱式产品是更新部署的遗留硬件的理想选择。在许多情况下,无论是否有外壳,箱式产品中的解决方案由供应商提供。选择哪款取决于应用程序。

我该为我的应用程序选择哪种蜂窝模块类型?

影响蜂窝模块选择的首要因素是划定产品销售地区。其次,在产品供应地区指定服务运营商计划的能力也会影响模块选择。

● 北美部署
o 在北美地区,同时提供 CDMA 和 GSM 蜂窝服务,因此选择 CDMA 和GSM 模块。

● 全球部署
o GSM 是世界其他地区的统一标准。因此,如果您打算在北美以外的地区部署产品,就选择 GSM 模块

以下各项是选择蜂窝调制解调器时需要考虑的一些附加功能:

● 耗电量
o 例如,如果靠电池供电,2G 调制解调器的耗电量比

LTE 解决方案低得多。高带宽的应用一般更耗电。

● 数据上传/下载速度和延时
o 取决于应用程序,

● 传输高清视频要求连接速度较快。监控摄像机应用程序就是其中一例。网络延时是选择蜂窝技术时考虑的另一个因素。

● 模块尺寸
o 最终产品尺寸可能会左右蜂窝模块选择。例如,设计手表大小的产品将驱使您决定选择模块或芯片级设计。在不可能重新设计但串行端口可用的情况下,将蜂窝集成到遗留系统中可实现通过箱式调制解调器添加蜂窝连接功能。

● 模块成本
o 需要从两个方面来理解模块成本。第一,设备价格,第二,与设计有关的总成本。例如,芯片级蜂窝解决方案花费 6.00 美元,而 3G 模块可能要花费 35.00 美元。就价格而言,芯片解决方案显然是最低的,但如果我们将进行芯片级设计所需的 350 万美元计算在内并试图用 10 万个单元来摊销 NRE,芯片解决方案的成本则为 41 美元,但上市时间更长,设计风险更高。

● 模块规格
o 选择实现

CDMA 和 GSM 等多种技术的蜂窝调制解调器规格是满足多种需求的明智之举。在最终组装中填充蜂窝调制解调器或作为售后市场附加组件销售的能力可实现系统模块化。常见的规格之一是诸如 Telit 这样的供应商使用的 miniPCI-e 占用空间。通过这样的规格,原始设备制造商可选择 2G/3G/4G 及使用和不使用用户身份模块 (SIM) 和全球定位系统 (GPS) 产品绑定调制解调器。

● 蜂窝数据计划
o 此外,必须了解与模块选择有关的数据计划成本,因为这影响到产品总体拥有成本。蜂窝调制解调器产生的是一次性费用,而数据计划成本则一直持续到设备连接至网络。在嵌入式系统中,成本持续 7-10 年的情况并不少见。

我是否需要用专用处理器运行蜂窝调制解调器?

简单的回答就是“否”。应用程序将会影响到是否需要附加处理器。多数蜂窝调制解调器解决方案基于诸如 ARM9 这样的高性能处理器架构,因此模块搭载有附加资源,无需额外处理器即可处理简单的应用程序。

我该如何接入蜂窝模块?

最常见的两种接口分别是串行通用异步收发传输器 (UART) 和通用串行总线 (USB)。确切接口请参见数据表。

蜂窝数据计划

和个人蜂窝电话一样,每个嵌入式蜂窝设备都需要服务运营商计划。设计人员必须考虑的首要问题是:“设备或产品将用在世界上的哪个地方?”答案将驱使其作出蜂窝调制解调器和服务运营商选择。若部署在美国,则可选择 CDMA 或 GSM 解决方案,但如果需要在世界其他地方操作,则 GSM 解决方案是主流选择。

嵌入式设备一般需要纯数据计划,但在某些情况下,还需要语音。研究符合需求的适用数据计划时,要求提供以下信息,有助于制定符合需求的计划:

● 部署的设备数

● 需要服务的国家

● 每月消耗的数据量——通常以千字节或兆字节计量

● 所需短信

● 静态 IP 地址分配

● 自定义接入点名称 (APN)

● 合并数据计划

与蜂窝连接功能有关的其他成本,但不限于:

● SIM 卡购买

● SIM 激活

● 电子序列号 (ESN) 和移动设备识别码 (MEID) 激活

● 与季度计划有关的停机费

● 用于制造和测试的 SIM 测试卡

为有效“管理”设备,可能需要多个移动网络运营商和移动虚拟网络运营商管理平台或门户。通过管理平台,可查看和管理所部署的所有设备。需要着重指出的是,根据部署产品的地点,有效管理所有设备可能需要多平台及各个 M2M 设备专用管理平台和 SIM 卡。此行业已经意识到这个弊端,Device Cloud Networks 等新兴创新性提供商使用户能够通过单个平台管理和诊断所有设备。

为解决当今管理平台存在的弊端,DCN 创新平台提供:

● 可编程“软”SIM 卡,作为聚碳酸酯解决方案或嵌入式通用集成电路卡 (eUICC) 产品;

● 基于云的大容量自动自助配置系统,用于无线网络连接;

● 云计算平台,用于设备和机器诊断、管理、编程和远程控制;

● 在越来越多的国家实现本地连接功能;

● 多币制、多语种计费引擎;

● 一体化 SKU。

移动网络运营商、移动虚拟网络运营商和移动虚拟网络提供商分别起到什么作用?

提供蜂窝数据服务的运营商有两种——移动网络运营商 (MNO) 和移动虚拟网络运营商 (MVNO)。

MNO 是无线通信服务提供商,拥有或控制向终端用户出售和提供服务的所有必要元素。美国的 MNO 包括 AT&T、Verizon、Sprint 和 T Mobile 等。除了通过提供自有品牌下的零售服务获得收入外,MNO 还可以批发价向 MVNO 出售网络服务访问权。

MVNO 是无线通信服务提供商,没有射频频谱,也没有无线网络基础架构。MVNO 可使用自有客户服务和计费支持系统,市场营销人员或 MVNO 可使用移动虚拟网络提供商 (MVNE) 服务。

移动虚拟网络提供商 (MVNE) 是为 MVNO 提供业务基础架构解决方案的组织。服务包括计费、管理、运行、基站子系统支持、运行支持系统和后端网络元素配置。

为何选 MVNO 而弃 MNO?

通常情况下,MNO 寻求的商机比 MVNO 大,而且在多数情况下可能不支持小型嵌入式客户端。其次,MVNO 已与多家区域性和全球性运营商建立业务关系。这一点很重要,因为多数与漫游和全球服务有关的问题已经被 MVNO 解决了。没有他们的服务,您就需要自己逐个地区、逐个国家发展运营商关系。一家 MVNO 通常可能与多达 200 家甚至更多的不同运营商建立关系。

MNO 的价格一般更优惠,但如果您需要多种支持且属小型原始设备制造商,可能就会经历支持延时问题。

2G 关闭问题

2012 年 8 月,AT&T Inc. 宣布将于 2016 年年底关闭其第二代无线网络,即 "2G"。2G 不会一下子关闭,而是在整个国家陆续消失。2017 年 1 月 1 日,2G 无线网络将不复存在。AT&T 以停止认证用于网络部署的新的 2G GSM 应用程序。用户不能再开发任何新的 2G GSM M2M 产品,在美国使用或销售。AT&T 还停止为现有的经认证 2G GSM 设备和应用程序配置新的 SIM。这意味着用户无法再使用 AT&T 的网络,将任何 2G GSM 设备部署到 M2M 应用程序安装基础中。

由于已部署 GSM/GPRS 设备数非常之多,GSM 关闭对美国 M2M 行业而言是一个重大问题。为维护已安装连接服务,截至 2017 年,预计有 1000 万到 1200 万的 2G GSM 设备必须进行更换或维护。那么,具备已部署产品的原始设备制造商有哪些选择?

● 将服务更改为使用同一款 2G GSM 设备的 2G GSM 运营商

● 将 2G GSM 设备更换为 3G HSPA 设备

● 将 2G GSM 设备更换为 2G CDMA 设备

● 将 2G GSM 设备更换为 4G LTE 设备

值得一提的是,2g 关闭问题只是北美地区面临的问题。多数 M2M 设备都使用 2G 网络的欧洲继续运行 2G 网络。

什么是 SIM 卡?

GSM 和 CDMA 支持设备的另一个区别在于 SIM 卡。GSM 使用 SIM 卡,而 CDMA 通常不适用。然而,令人困惑的是,在 LTE 部署中,GSM 和 CDMA 都使用 SIM 卡。SIM 卡充当搭载记忆设备,提供用户身份识别、资费计划数据和所有联系和日历信息等其他用户数据。CDMA 将用户数据(包括电话簿和调度器信息)储存在运营商数据库中。

有四种基本的 SIM 卡选择:

● 用户白标签 SIM 卡
o 主要用于消费品和智能手机。

● 增强型加固塑料 SIM 卡
o 专为恶劣的工业环境和过度振动环境而设计。

通常用较硬的聚碳酸酯塑料设计,可承受高温,不易弯曲和发生其他机械振动。典型规格是 15mm x 25mm

● 3FF SIM
o SIM 标准的第三类规格 (3FF),保存的数据量与

SIM 小卡相同。3FF SIM 由欧洲电信标准协会开发,适用于对常规 SIM 小卡而言太小的设备。3FF SIM 卡规格为 12 mm x 15 mm。该款卡经过加固,用于远程处理类应用程序。

● eUICC
o 嵌入式通用集成电路卡 (eUICC) 将可拆卸

SIM 更换为集成电路芯片,焊接到嵌入式设备电路板上。此技术变革将给整个移动通信生态系统带来变化,因为客户关系管理可能从移动网络运营商转变为 OEM 供应商。

选择适用于应用程序的解决方案时,需要按上表所示进行权衡。然而,随着行业的发展,对嵌入式设备上的服务 OTA 进行全局更新的需求已成现实。此次变革的关键在于 2014 年发布的新型 SIM 卡规格——eUICC。此款 SIM 专为永久性嵌入机器而设计,机器在世界上任何一个地方交付后,可能实现 OTA 配置

由于不能通过将 SIM 卡移出卡槽的方式让 SIM 卡移出设备,eUICC SIM 的安全性也比传统的聚碳酸酯 SIM 卡高。如果位于远程位置的设备安全性堪忧,eUICC 解决方案是减少 SIM 卡被盗的极佳方式。

带宽和延时

选择蜂窝数据计划时,需要了解数据负载、延时和数据传输频率。设备仅传输异常数据,抑或始终传达状态。应用程序、数据负载和延时都可能影响服务运营商计划成本。记住,在确定整体数据计划需求和成本模型的过程中,应了解无线固件 (FOTA) 更新等例外情况。

嵌入式部署是否使用短信功能?

远程监控的另一种选择是使用短信功能传输将警报通知从远程节点和设备传输给维修人员。嵌入式蜂窝调制解调器包括数字输入连接,使预设短信发送至预设技术人员或维修人员电话号码,告知警报状况。在服务运营商计划中,短信可单独或捆绑计费。

什么是漫游?

漫游是指蜂窝用户在家庭网络地理覆盖范围外能够借助使用不同网络,自动收发数据或访问其他服务。漫游由移动管理、验证和计费程序提供技术支持。若被访问网络与家庭网络位于同一国家,称为国内漫游。若被访问网络不在家庭网络所在国家,则称为国际漫游或全球漫游。

为加快在全球或远程位置运行的 M2M 部署,有几个因素需要考虑。M2M 漫游的关键技术挑战包括“M2M 漫游用户的身份管理与安全、配置管理、服务层和连接管理”。将这一点与服务质量、成本管理、SIM 的多个 SKU 与应用管理外联网及认证等业务挑战相结合,很快就可以给部署流程带来冲击。

Device Cloud Networks 等公司通过简单的管理设备之端到端流程,提供简易明了的 M2M 设备全球部署集成,提供支持技术,简化全球连接、设备管理、诊断、计费和出厂 SKU。

认证测试

最后一点,没有对符合性测试进行探讨的蜂窝相关文章是不完整的。随着连接智能设备和机器的市场机遇持续迅猛增长,测试和认证这些产品的需求迫使认证实体精简流程,实现解决方案开发,缩短上市时间。符合性测试和法规测试因国家而异,但所有地区都包含一些强制性法规符合性测试,原始设备制造商必须在将产品推向市场前执行并通过。

EMC/EMI 测试概述

随着越来越多配备射频模块的新设备上市,此款嵌入式产品的原始设备制造商面临的是将产品发布到国内外市场必须进行哪种符合性和法规测试。

GSM/UMTS、WLAN/Wi-Fi®、Bluetooth®、GPS、RFID 等射频模块可能经过与认证,但一旦集成到 OEM 设备,通常还是需要重新测试。由于多射频被添加到产品中,理解测试要求和系统设计变得更为复杂。在美国,依照 FCC 与 IC 标准,所有新设备都必须通过联邦通信委员会 (FCC) 测试。FCC 认证流程对于有意、无意的辐射与传导发射进行检测。

什么是 PTCRB 测试?

个人通信服务型号认证评估委员会 (PTCRB) 测试确保连接到蜂窝网络的设备不会对网络造成破坏。所有将 GMS/WCDMA 蜂窝调制解调器集成到产品中并在北美地区部署的公司都需要执行并通过 PTCRB 测试。PTCRB 由北美运营商成立,推行第三方认证,让网络运营商相信经认证设备符合成员制定的最低要求。PTCRB 对所制造的在 PTCRB 运营商网络上运行的 GSM/UMTS 设备的测试和认证流程进行管理。

使用预认证蜂窝模块?

这是一个经常被问到的问题:“如果我在设计中使用预认证模块,我需要执行 PTCRB 测试吗?直截了当地说,需要。将预认证模块集成到无线产品中的原始设备制造商必须向 PTCRB 授权的测试实验室提交采用最终生产规格的“最终产品”,进行测试和认证。在芯片级设计中使用预认证模块有助于加快 PTCRB 测试流程,因为在最初认证模块时,大多数测试用例已经完成。

运营商测试

除了 PTCRB 要求,一些北美运营商还有自己的认证流程要求。例如,在投放到 AT&T 网络前,专为在 AT&T 网络上运行而设计的设备需要通过 PTCRB 测试并满足总全向灵敏度 (TIS) 和总辐射功率 (TRP) 特殊要求。需要重点指出的是,在开始 AT&T 运营商测试前,应顺利完成以下测试:

● FCC 认证

● PTCRB 认证

● 无线射频性能/OTA

● CTIA IEEE 1725

● 针对具备语音功能的设备的所有相关法规与安全认证,如 E911 和助听器兼容性。

预认证测试的好处

预认证测试以节约成本的方式避免在官方认证中遇到不可预见的问题。咨询经认证的实验室,了解预扫描中包含哪些测试。所提供的预扫描测试中可能包含辐射杂散发射 (RSE) 和 OTA 测试等测试。预扫描并非对系统性能作出官方报告,而是让您在开始官方认证流程前坚信会通过认证。预测试以节约成本的方式提早发现问题,同时还有时间在官方认证流程中出现故障的情况下,不进行昂贵的重新设计、延时和重新测试而纠正问题。若您未通过预扫描,Arrow 可通过静玉结果此类问题的第三方设计服务合作伙伴提供支持。

PTCRB 和 FCC 测试通常需要花多长时间?

最佳答案是直接与测试实验室沟通。PTCRB 和 FCC 测试以及所有文件编制可能需要花 4-6 周时间。对实验室而言,夏季通常是繁忙时期,因为暑假出售的消费品需要获得实验室批准。

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