5G 距離我們還很遙遠：使用現成的 LTE 4G 模組進行遠端 IoT 感測與控制

遠端感測與控制等 IoT 應用的開發人員正努力尋找最佳的解決方案，以實現無所不在的遠距、低功率、低成本無線通訊。此外，還要滿足三個特別棘手的要求，即高可靠性、低延遲及最少干擾。雖然 5G 承諾能符合這些條件，但設計人員現在就可以使用 4G LTE 蜂巢網路，且此網絡在未來一段時間內都會持續存在。

遠端感測與控制應用包括全球資產監控與追蹤、水電瓦斯讀表、工業機器連線，以及大型戶外工廠的預防性維護。後者包括精煉廠、化工廠、礦場、智慧城市基礎設施、穿戴式裝置與居家醫療監測，以及智慧農業。

雖然不少供應商已在不同地區推出 5G 網路，業界也有許多相關討論，但在可預見的未來，4G 蜂巢式通訊仍將繼續主導市場。因此，開發人員在選擇 IoT RF 介面時，需要抱持更務實的態度。這不只是選擇 RF 模組而已，還需要審慎考慮到蜂巢式 IoT 實際運作所需的生態系。必須具備包含軟體堆疊、蜂巢基礎設施，甚至是電信業者的數據方案與計費系統在內的關鍵生態系統要素，才能確保達到完整的蜂巢網路覆蓋範圍，以利 IoT 用途。

本文將廣泛討論蜂巢式 IoT 的相關應用，以及實現這些應用所需的嵌入式技術，還會詳細探討最新軟硬體技術的使用，以及有助於工程師開發上述眾多應用的蜂巢式 IoT 設計資源。此外，本文還提供一些現成數據方案的資訊。

為何不採用 5G？

雖然 5G 網路與設備標準已經大有進展，但尚未完全底定。就算這些標準確立後，要打造並部署標準化 5G 網路與設備，仍需好幾年的時間。而與此同時，4G LTE 網路自 2011 年起已開始商用，並能提供絕大多數 IoT 應用所需的效能與訊號範圍。

至少一項預估指出，4G LTE 網路約佔當前全球蜂巢網路市場的 40%，而舊式 2G 與 3G 網路各佔市場的 30%。就算到 2025 年，5G 市場的滲透率預期不會超過 15%。有鑑於此，對於需要遠距且低功率的 IoT 系統來說，設計人員應利用現有的蜂巢式基礎設施，並遵從 4G LTE 以及更早的標準。這些標準不僅現成可用，甚至持續演進中 (正如 4G LTE 一樣)，以滿足 IoT 的需求。

LTE 技術針對 IoT 的演進

LTE 標準的「第三代合作夥伴計畫」(3GPP) 第 13 版為 IoT 應用制訂新的 LTE 類別：先前稱為增強型機器類型通訊 (eMTC) 的 M1 類別 (Cat-M1)，以及先前稱為窄頻 IoT (NB-IoT) 的 NB1 類別 (Cat-NB1)。這些新類別將 LTE 技術延伸到 IoT 領域，不僅能支援更低的功率、更遠的距離、更短的延遲時間，以及更低的成本，而且在執照頻段中只會受到最低程度的干擾。

Cat-M1 制訂的頻寬為 1.4 MHz，上行鏈路的傳輸量為 375 kbit/s，下行鏈路為 300 kbit/s。Cat-NB1 制訂的頻寬則窄許多，為 200 kHz，而傳輸量為每秒數十個 kbit。Cat-M1 的延遲時間約為 10 至 15 ms，而 Cat-NB1 的延遲時間則達到數秒，在某些部署情境下甚至會高達 10 s。

這樣的效能足以滿足許多 IoT 感測應用 (如抄表器、健康狀態監測器以及高行動性健身應用)，享受遠距離及隨處存在的蜂巢網路通訊所帶來的優勢。在目前以及可預見的未來，沒有其他低功率、大範圍無線技術能夠像成熟的 4G LTE 一樣，可提供同等的擴充能力、安全性和耐久性。

連接雲端

目前已有數家廠商提供模組，用來作為蜂巢式數據機，或者將蜂巢式數據機整合至嵌入式開發平台中。這些模組透過 4G LTE 甚或更早期的蜂巢網路，將 IoT 裝置連到雲端。但是，單靠硬體模組無法將 IoT 裝置連到雲端，還需要使用適合的軟體並與蜂巢網路業者建立託管連線。三者缺一不可，否則無法連線。

在選擇蜂巢式 IoT 模組時，是否要有應用處理器，取決於專案的硬體設計是從頭開始，還是將蜂巢式 IoT 連線加入現有的嵌入式設計中。下面簡單介紹一些含有及不含板載應用處理器的 4G LTE 蜂巢式數據機模組及 IC。

Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 低功率廣域 (LPWA) 模組，將應用處理子系統及蜂巢式數據機整合至一個尺寸為 22 x 23 x 2.5 mm 的小型封裝中。此模組符合 3GPP 第 13 版標準，並且採用 Cat-M1 與 Cat-NB1 協定。其 Cat-M1 峰值數據傳輸率為下載 300 kbit/s，上傳 375 kbit/s。其 Cat-NB1 數據傳輸率為下載 27 kbit/s，上傳 65 kbit/s。

圖 1：Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 RF 模組含有應用處理器，並可支援 Cat-M1 與 Cat-NB1 蜂巢通訊協定。(圖片來源：Sierra Wireless)

為搭配 AirPrime RF 模組，Sierra Wireless 提供 Developer Studio 整合開發環境 (IDE)。此開發環境以 Eclipse Java IDE 為基礎，可讓開發人員透過 Windows、Linux 和 MacOS 主機上直覺的圖形使用者介面 (GUI)，使用開源 Legato 應用程式架構建立應用程式。此工具含有各個設計階段皆實用的公用程式與功能，可支援無線數據應用的軟體開發作業。

Legato 結合了基於 Linux 的 OS 發行版 (靠 WP7702 模組的整合式 1.3 GHz Arm® Cortex®-A7 處理器執行)、板支援套件 (BSP)，以及在主機上運行的自訂開發工具。此外，Sierra Wireless 還提供 AirVantage IoT 平台，此自助式入口網站，針對連線到全球眾多蜂巢網路業者的 Sierra Wireless 蜂巢式數據機提供連線及裝置管理功能。上述業者包括 AT&T、Verizon、NTT、Telstra、KT 以及 SKT。此外，AirVantage 會透過無線連線自動更新 Sierra Wireless 數據機的韌體。

Talon Communications, Inc. 將 Sierra Wireless WP7702 模組置於載卡上，可兼做開發平台使用。WP7702 模組與載卡一起構成 mangOH Red™ 評估板，此板具有可供蜂巢式 micro SIM 卡使用的板載插槽 (以便取得電信業者的服務)。mangOH Red 平台將 WP7702 模組的多個介面引腳分接至各個連接器，包括三個天線連接器、兩個 micro USB 連接器、一個全尺寸 USB 主機連接埠、一個具有 I²C、SPI、UART 以及 GPIO I/O 引腳的排針座，以及一個 3.5 mm 立體聲音訊輸出插孔。

圖 2：mangOH Red 開發板支援 Sierra Wireless 的 WP7702 RF 模組應用開發作業。(圖片來源：Talon Communications)

開發軟體時，可透過 mangOH Red 的 USB 主機連接埠將開發平台連接到主機電腦。載入適當的 Windows 驅動程式，並安裝 Sierra Wireless 的 Legato Developer Studio 後，即可使用 WP7702 模組來開發無線 IoT 的相關應用。

u-blox 的 SARA-R410M-02B 是超小型 LTE Cat-M1 與 Cat-NB1 RF 收發器模組，尺寸為 16 x 26 x 2.5 mm，並採用 96 引腳 LGA 封裝。

這款收發器模組透過 USB 或 UART 介面連接到主機處理器，並由主機處理器使用 3GPP 指定的字串式 AT 命令集進行控制。此外，SARA-R410M-02B 還具有 SIM 卡介面，可辨識電信業者的服務。

圖 3：u-blox 的 SARA-R410M-02B RF 收發器模組採用完整的 Cat-M1 與 Cat-NB1 無線電與基頻，可連接至主機處理器。(圖片來源：u-blox)

u-blox 的 EVK-R4 評估套件含有 u-blox SARA-R410M 模組的 I/O 引腳並進行分接。此套件提供適當的連接器，可將模組接到天線、電源以及主機處理器；而且具有板載的 SIM 卡座，可容納全球導航衛星系統 (GNSS) 子卡。GNSS 裝置通常會與蜂巢無線電配對，進行追蹤應用。(如需更多關於 GNSS 裝置與模組的資訊，請參閱《使用 GNSS 模組快速設計位置追蹤系統》以及《使用具成本效益的 GNSS 模組，提升追蹤應用的擷取速度和準確度》。)

圖 4：u-blox 的 EVK-R4 開發套件可分接 u-blox SARA-R410M 模組的 I/O 引腳，讓開發作業更加輕易。(圖片來源：u-blox)

Hologram, Inc. 採用 u-blox SARA-R410M 模組並將其安裝在小型的 USB 板上，以此打造 HOL-NOVA-R410。這款解決方案能讓設計人員快速將 LTE Cat-M1 與 Cat-NB1 RF 收發器功能添加到配備 USB 連接埠的現有產品中。

圖 5：Hologram Inc 的 NOVA-R410 將 u-blox SARA-R410M 蜂巢式 RF 數據機放在小型 USB 載板上，可快速將遠距 IoT RF 通訊功能添加到配備 USB 的系統中。(圖片來源：u-blox)

Nordic Semiconductor 的 nRF9160 系統級封裝 (SiP) 將應用微控制器、完整 LTE 數據機、收發器前端，以及電源管理功能整合在尺寸為 10 x 16 x 1 mm 的封裝中。這款模組含有 GPS，支援資產追蹤功能。綜合考量從蜂巢網路獲得的位置數據以及 GPS 衛星三邊測量結果後，即可遠端監測裝置的位置。

nRF9160 的應用處理器是 Arm Cortex-M33 (工作頻率 64 MHz)，其中包含 256 KB 的靜態 RAM 以及 1 MB 的快閃記憶體。此模組的 4G LTE 數據機採用 3GPP 第 13 版的 Cat-M1 和 Cat-NB1 協定，以及第 14 版的 Cat-NB1 和 Cat-NB2 協定。

Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 開發套件適用於 nRF9160 模組，在載板上裝有一個 nRF9160 模組。

圖 6：Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 開發套件可分接 nRF9160 蜂巢模組的所有引腳進行開發作業，並提供廣泛的軟體支援。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

此軟體開發套件 (SDK) 包括：

• 適用於 nRF9160 的 Zephyr Project 可擴充式即時作業系統 (RTOS)
• MCUboot 安全啟動載入器
• nrfxlib RTOS 獨立函式庫

nRF9160-DK 開發套件方塊圖顯示 nRF9160 可能需要的支援元件。

圖 7：Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 開發套件方塊圖顯示 nRF9160 蜂巢式 IoT SiP 可能需要的支援元件。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

Nordic 建議使用 Segger Microcontroller Systems 提供的 Embedded Studio IDE 來開發 nRF9160 應用。Segger Embedded Studio 的專用版本可免費取得，可搭配 Nordic Semiconductor 的元件使用，包括 nRF9160 SiP。

淺談數據方案

將裝置部署到營運商的網路之前，首先必須通過認證流程，以確保符合營運商的頻段及干擾要求。在進行該流程之前，開發人員需要選擇適合的數據方案，並將該數據方案的長期成本列入考量。為協助進行這項評估，本文在此提供相當實用的 IoT 蜂巢式數據方案清單。

結論

蜂巢式 IoT 的前景正快速變化，特別是在 5G 蜂巢式技術即將來臨之際。市面上已有 RF 模組可支援蜂巢式 IoT 的應用，但這些模組還需要整個生態系的支援，才能發揮蜂巢式 IoT 的實際效用。這個生態系包含必要的軟體開發工具、堆疊以及函式庫，可將矽晶片與模組解決方案轉變成可部署的產品。在 5G 普及之前，以 4G LTE 為技術基礎的模組仍將是未來幾年內遠端 IoT 感測與控制的最佳解決方案。