2G 和 3G 日薄西山：为物联网网络选择适当的协议

随着物联网 (IoT) 延伸到越来越多的开放空间，设计人员趋向采用无所不在的蜂窝网络实现安全可靠的低功耗长距离无线机对机 (M2M) 通信。然而，蜂窝网络的选择至关重要。虽然 2G 和 3G 网络曾在业内应用较好，但已日薄西山，因此开发人员需要专注用 4G 和 LTE 实现 M2M 通信，同时关注新兴的 5G。

虽然 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 可用于较短距离的 M2M 通信，但蜂窝网络的普及可确保随时接入互联网，且还具备额外的优势，例如带宽获得许可、网络维护由蜂窝网络提供商负责。而且，物联网连接很少需要语音传输，可以接受低于 1 Mb/s 的数据传输速度。因此可以采用低数据速率、低功耗的 M2M 接口，如 NB-IoT 和 LTE-M (Cat-M1)，以节能并延长电池寿命。

本文会先讨论没落的 2G 和 3G 网络，然后再介绍两种为低功耗 M2M 通信而推出的较新物联网无线接口：LTE-M 和窄带物联网 (NB-IoT)。最后文章将介绍各种 LTE-M 解决方案，向设计人员展示如何快速启动并运行物联网。

2G 和 3G 正在经历什么？

2G 和 3G 在十年前还是前沿技术，如今已逐渐过时。实际上还有 1G，但常被认为是模拟技术，传输速率仅有 2.4 Kb/s。2G 是支持数字语音的第一代网络，但不支持数据，其速度为 64 Kb/s，语音质量差强人意。3G 速率达到 2 Mb/s，支持语音，数据支持有限，主要用于发送文本消息和互联网浏览。

4G 传输速度提升到 100 Mb/s，是首个设计主要用于移动数据通信的蜂窝网络。这主要得益于 4G 长期演进技术（也直接称 LTE）的发展。LTE 基于互联网协议 (IP)，每台联网设备都分配有自己的 IP 地址，移动设备支持高达 500 Mb/s 的数据率。

随着新技术进步和不断增长的最终用户需求，显然 2G 和 3G 不支持所需的数据速度或现代通信语音质量。4G 和 LTE 显然更高效，密度更高，能更好地利用可用频谱并提供更快的速度。运营商宁愿关闭 2G 和 3G 网络，为 4G 网络和未来的 5G 重新调整频谱。这样做对于运营商具有财务和技术意义，并能提高客户满意度。

用于 M2M 数据的 4G 和 NB-IoT

既然 4G 和 LTE 是当前主流蜂窝数据网络，如何才能将它们用于高效 M2M 数据传输呢？此处的效率与 M2M 端点给定范围传输速度的电流消耗直接有关。M2M 很少需要 100 Mb/s 的速度，因此出现了 LTE 子集，以优化数据速率、范围、功耗和使用模式，即间歇传输或频繁传输。

NB-IoT 是低数据速率接口，用于 M2M 和物联网网络中简单的电池供电型设备。为了进一步简化网络通信，这种接口设计为仅连接一个信号塔进行通信。由于该接口可用于许多支持 4G 的场所，因此有着出色的覆盖范围。但是，该接口不兼容某些最早期的 4G 网络，它不是基于 IP 的设计，所以不兼容 LTE 网络。此外，4G 还存在一些地区差异，可能不兼容 NB-IoT。为了让 4G 网络能使用 NB-IoT 通信，需要对信号塔进行硬件改动。

为了保持最低功耗，NB-IoT 标准规定下行链路和上行链路的最大传输速率为 50 Kb/s。为进一步节能，它采用半双工协议，最后一个数据包传输至 M2M 端点的时间和收到确认消息的时间之间有 10 秒延时。

由于 NB-IoT 并非设计用于轻松处理信号塔切换，它主要用于静态端点，例如位于手机信号塔信号良好区域内的电度表和静态传感器等。由于相对较低的数据率，NB-IoT 无法高效处理固件空中 (FOTA) 升级。

适合基于 IP 的 M2M 数据的 LTE-M

LTE-M 的引入是为了解决 NB-IoT 存在的一些不足。LTE-M 有许多其他名称，如 Cat-M1（M1 类）、Cat-M、LTE Cat M1、eMTC 和 LTE-MTC（机器类型通信）。

LTE-M 比 NB-IoT 快，上行链路和下行链路速度高达 1 Mb/s。支持全双工和半双工传输，延时小于一秒。不同于 NB-IoT，它是基于 IP 的协议，支持 TCP/IP 通信。该技术轻松支持信号塔切换，只要有 LTE 网络覆盖，就能用于移动 M2M 端点。

NB-IoT 能在多数有 4G 网络的地方使用，而 LTE-M 能用于有 4G LTE 网络的任何地方。为了让现有 LTE 网络能使用 LTE-M 通信，需要对信号塔进行固件改动。

尽管性能更高，LTE-M 和 NB-IoT 功耗大致相同。这是因为 LTE-M 端点支持节电模式，不传输或接收数据时可降低功耗，同时仍与蜂窝网络保持连接。

为 M2M 项目选择合适的数据网络

在为 M2M 应用选择适当的数据网络时，务必查看所在地理区域中有哪些可用网络，以及 M2M 应用将位于何处。如果目标区域中没有 LTE，则查看是否支持 NB-IoT。如需要 TCP/IP，就选择 LTE-M。然后，将各标准的特征与应用要求及其环境进行对比。并且，在选择之前进行现场测试。

注意，连接到蜂窝网络的各装置需要从蜂窝网络运营商处购买含数据套餐的 SIM 卡。用于联网 IoT 设备的 SIM 卡和蜂窝数据套餐可从 DigiKey 购买。DigiKey 提供来自 Verizon、AT&T、Vodaphone 和 T-Mobile 的套餐（2019 年将加入更多套餐），数据上限为 5 Gb/月。

Digi International 为物联网和 M2M 通信提供各种产品，包括只比 25 美分的硬币略大的 XBee® 系列蜂窝模块。该产品以子卡格式提供，带标准 10 引脚通孔连接器。

XB3-C-A2-UT-001 XBee3 蜂窝调制解调器支持 LTE-M，设计用于电池供电的蜂窝通信应用（图 1）。XBee3 带有 SIM 插口，且调制解调器经过 FCC 认证。运营商方面，它经过 AT&T 和 Verizon 认证，兼容任何 LTE-M 网络。

图 1：Digi XB3-C-A2-UT-001 XBee3 LTE-M 蜂窝调制解调器仅比 25 美分硬币略大，板上带有 SIM 卡插口。（图片来源：Digi International）

XBee3 可以使用 MicroPython 语言编程。标准 10 针座支持 SPI、UART 和 USB 控制接口。调制解调器还支持低功耗蓝牙 (BLE)。

若要使调制解调器支持数千米的标准范围，假设附近有手机信号塔，请使用 3.3 - 4.3 伏的电源。禁用蓝牙时，标准范围内 4.3 伏下峰值发射电流消耗仅 550 毫安 (mA)，启用蓝牙时仅 620 mA。调制解调器处于省电（休眠）模式时，耗电 20 毫安 (µA)。

LTE-M 能覆盖范围最远达 50 km，但如果需要更长的距离，则使用 5.5 伏电源。在 5.5 伏延长范围模式中，禁用蓝牙时调制解调器耗电 800 mA，启用蓝牙时 860 mA，休眠电流消耗 60 µA。由于所有无线电信号都在 XBee3 子板而非印刷电路板上处理，因此不需要射频布局程序。但是，为了达到最佳抗噪性，最好在印刷电路板的 XBee3 下有接地平面。

如要使用此调制解调器，请使用 Digi XK3-C-A2-UT-U XBee3 LTE-M 开发套件（图 2）。此套件为学习采用 LTE-M 的 M2M 蜂窝连接提供了完整的逐步说明。

图 2：XK3-C-A2-UT-U XBee3 开发套件包含了使用 LTE-M 进行 M2M 端点通信实验所需的一切。XBee3 本身就是主板上的模块。（图片来源：Digi International）

XBee3 调制解调器开发套件配备一个 XBee3 LTE-M 蜂窝调制解调器和一张 AT&T SIM 卡，含六个月免费蜂窝服务。要开始设置开发板和 XBee3 LTE-M 调制解调器，首先将 SIM 卡牢固插入 XBee 调制解调器。然后，将 XBee 调制解调器插入开发板上的针座。XBee3 调制解调器就位后，小心连接两根天线到开发板上的两个 U.FL 连接器。将天线连接器放在 XBee3 板 U.FL 连接器上，然后非常小心地用手指按下，使连接器接合。

连接器正确就位时将听到咔嗒声。U.FL 接头非常精密，并非设计用于可插拔十多次，因此在连接这些连接器时要非常小心。

两个天线连接器到位后，将 12 伏电源插入到墙上插座中，然后将电源连接器插入到开发板中。最后，将 USB 电缆一端插入到运行的 PC 中，另一端插入到开发板中。然后，PC 将开始为开发板安装驱动程序。

开发板附带 Digi XBee 配置和测试实用软件 (XCTU)，可在 Windows®、Mac 和 Linux 上运行。驱动程序安装完成后，启动 XCTU。按照屏幕上的逐步说明设置 PC 和开发板之间的接口，并配置 XBee3 调制解调器。然后，在运行基于云的 Echo Server Demo 之前，XCTU 将按需更新 XBee3 固件。

创建工业 M2M 网络

对于位于工厂或其他工业系统中的工业网络，可以使用各种协议，包括 Wi-Fi、LTE，甚至某些遗留系统可使用早期的 HSPA+。Digi International LTE 传输路由器和网关系列设计用于严苛的工业应用。

传输路由器和网关速度极快。例如，Digi International TransPort WR44 是带有两个 SIM 插槽的坚固型传输路由器，支持 802.11ac/a/b/g/n Wi-Fi。该设备支持 VPN 连接，并带有完全可定制的防火墙。作为工业设备，其具有从 -40 到 +85°C 的广泛工作温度范围，相当坚固耐用，可用于铁路应用。不同于家用路由器，此路由器使用 M12 连接器连接以太网。

Digi International 63xx 系列 LTE 路由器和网关专为物联网网关应用而设计。ASN-6350-SR06-GLB 是高速路由器兼 LTE 蜂窝调制解调器，支持 LTE-M（图 3）。它有两个支持 4G、LTE、3G、HSPA 的 SIM 插槽，具有自动切换功能，可在运营商之间智能切换。

图 3：Digi 6350-SR06 LTE 路由器和蜂窝调制解调器有两根用于蜂窝数据的偶极天线和两根用于 802.11b/g/n Wi-Fi 的偶极天线。（图片来源：Digi International）

将此路由器放在没有任何金属障碍物的中心位置，以免干扰传输。由于 M2M 和物联网端点通常天线较小，部署必须连接到这些端点的路由器或网关时要比部署家用路由器或网关更须谨慎。应提前规划网络中的路由器/网关位置，不要在网络完成后才布置其位置。

路由器通过基于云的控制台进行管理，或通过向其中一个 SIM 电话号码发送 SMS 消息以进行管理。

5G 怎么样？

5G 即为第五代蜂窝网络，是各种先进技术的集合，附其他外，还为物联网和 M2M 提供广泛支持。其超可靠低延迟通信 (URLLC) 特性可保证在 99.999% 的几率下，在 1 毫秒延时时间内成功传输数据。这对于任务关键应用特别重要。5G 对于必须保持患者和医生之间持续通信的医学传感器，以及工业和运输应用尤其重要。

对于移动设备，5G 的增强移动宽带 (eMBB) 预计能达到最高 10 Gbps 的数据速率。手机信号塔通过 5G 能连接的设备是 4G 和 LTE 连接数量的最高 100 倍。这意味着更低的手机提供商成本，更可靠的 M2M 和物联网网络连接。

总结

针对物联网和 M2M 应用的基于 4G 的 NB-IoT 技术和基于 LTE 的 LTE-M 技术可能看上去就像一堆深奥难懂的符号。在开始物联网或 M2M 项目之前，务必要理解这些蜂窝网络技术的差异，以便选择正确的元器件。

通过掌握一些基本知识并运用核心设计技巧，设计人员可以使用许多可用的 LTE-M 物联网连接套件和模块，在许多运营商网络中快速搭建并运行自己的设计。