2008 年,连接到互联网上的设备数首次超过了人数[1],因此思科公司(CISCO SYSTEMS)公布了物联网诞生。时至今日,互联网上的设备数已远远抛离了人类的数目。最新数据显示,全球有 53.5 亿名人类互联网用户[2],而目前联网设备约有 170 亿台,预计到 2030 年,联网设备将倍增到接近 300 亿台[3]。
这一增长部分归功于物联网的无处不在。物联网设备广泛应用于各类行业和消费市场。
包括公用事业部门(如电力、天然气和供水部门)、废物管理、零售、批发、物流和其他政府部门[4]等主要垂直行业,连接物联网设备均超过 1 亿台。不过,尽管物联网在工业、商业和市政应用中很受欢迎,但消费者使用的物联网连接设备仍然占所有物联网连接设备的 60% 左右[5]。
Nordic Semiconductor 提供全面包容的大规模物联网解决方案,为蜂窝物联网的设计、制造和部署带来了简便性、稳定性和成本效益。
这一比例仍然显示消费者应用占大多数,原因之一是使用现有物联网标准来实现各种网络场景仍然不容易。当物联网设备密度达到每平方公里数十万甚至数百万设备时,情况尤其如此。这种“大规模物联网”连接密度是前所未有的,现有的蜂窝网络根本无法支持。世界上任何一个最繁忙大都市的移动网络,都可能要应对每平方公里 6000 人同时连接到网络的情况;就目前而言,这仍可满足现在的用户需要,但显然不足以支持未来大规模物联网的使用需求。
各种无线技术的激增,也阻碍了大规模物联网发展。例如,智能路灯为一系列无线传感器提供了平台,用于测量空气质量、灯光亮度、人行道占用率,甚至在紧急情况下用于公共援助的音频传感器等。然而,各地市政当局各自为政,一直未能就哪种无线技术最适合应用达成一致。对于采用智能电表等联网设备的公用事业企业来说,情况也是如此。一些机构建议采用蜂窝物联网,一些机构支持使用非授权无线电频谱的开放标准技术,还有一些机构则倾向于专有解决方案。
单一无线标准之所以无法实现融合,主要是由于每种标准都需要权衡利弊。例如,一种协议可能提供更高的吞吐量,但范围较小;而另一种协议则可能在牺牲范围的同时降低功耗。例如,蜂窝物联网技术 LTE-M 和 NB-IoT 的目标是提供长距离、低吞吐量,同时延长电池寿命。
尽管有所取舍,蜂窝物联网仍在 LPWAN 市场上获得了最大的市场份额。根据IoT Analytics数据,除了中国以实施 NB-IoT作为国家政策之外,2023 年 NB-IoT(23%)和 LTE-M(35%)占据全球 LPWAN 装机量的 58%,而其他竞争技术的总和为 42%[6]。不过,虽然蜂窝物联网很受欢迎,但并非人人都能使用。例如,由于使用受管制的频谱,使用蜂窝物联网需要持续支付数据费用。
人们需要一种基于标准的、低成本(免数据费)的无线 M2M 技术,其终端设备的规模从数百万到数十亿不等。虽然与这种网络连接的设备可能结构紧凑,通常由电池供电,而且能源、计算和内存资源有限,但它们在高密度部署时仍然需要可靠的覆盖。
标准制定机构在考虑未来的 5G 基础设施时,已经认识到巿场对大规模物联网技术的需求。例如,IMT-2020 标准详细说明了网络如何通过提供一毫秒延迟、每平方米 10 兆比特/秒的 "区域流量容量 "和每平方公里 100 万台设备的连接密度等功能来满足消费者和行业的需求。该规范详细说明了两个要素:面向消费者的 5G LTE 技术和面向其他用例(包括物联网的独特需求)的 "新无线电"(NR)技术。
工程师将规范中的 5G LTE 和 NR 元素称为 "无线接口技术"(RIT)。RIT 满足三个消费和工业用例的所有技术性能要求;而主要支持物联网应用的 RIT,需支持其中两个用例,即 "城市宏(urban macro) "超可靠低延迟通信(URLLC)和城市宏大规模机器类型通信(mMTC)。
DECT NR+ (NR+) 已获采纳为 URLLC 和 mMTC 的 RIT(实际上是一组 RIT 或 SRIT)。这使其成为首个被采纳为 5G 标准的非蜂窝技术。该规范由欧洲电信标准协会(ETSI)于 2020 年 6 月首次发布,现在也在 IMT-2020 5G 要求中得到认可。NR+在支持每平方公里 100 万台设备方面达到了规范要求。
NR+ 是一种免许可技术(与低功耗蓝牙和 Wi-Fi 等 ISM 频段无线技术一样),但将作为一种类似蜂窝网络的无线技术进行标准化和维护。例如,这将包括一个无线电物理层(PHY),以及使用任何蜂窝技术工程师都非常熟悉的信号调制和编码方案。
NR+ 无需蜂窝基站即可运行。相反地,它使用全球免许可证的 1.9 GHz 频段形成专用网络,而无需频谱租赁费用。并且NR+ 是先进的 5G 技术,有望以较低成本提供蜂窝网络的全部优势,包括能够扩展到足够多的节点,以支持大型本地网状网络,如工厂、仓库或校园范围的基础设施,并且具有蜂窝网络的出色安全性和可靠性。
这项技术有望在全新的 M2M 应用中提供超级可靠的无线连接,在这些应用中绝对不可以出现故障,比如建筑物、城市和公用事业网络中的关键基础设施。由于该技术采用消除单点故障的自修复网状网络技术,其可靠性能够超越有线设备。NR+从一开始就承诺其传输延迟性能能够匹敌有线网络。
传统 2G 和 3G M2M 网络已经日落西山,这为专用 5G 网络的发展提供了催化剂。例如,有了这种网络,智能工厂就可以在不中断生产线或供应链、不铺设电缆和电线的情况下,快速配置机器人并实施人工智能(AI)和机器学习(ML)应用。
但直到现在,这些网络仍因成本过高而难以普及。5G 网络的建设和授权复杂、耗时且昂贵,对于中小型企业(SME)来说在经济上无法承受。此外,即使是有经济能力的企业,现有技术也无法支持每平方公里百万节点的密度,从而限制了它们的应用。
但现在,NR+ 为建立专用网络提供了理想的技术基础。任何公司、组织或市政当局都可以建立自己的基础设施,并且按照自己的需要来运行和优化,而不受网络运营商的限制。而且,它们可以使用免许可证和全球可用的专用频率。
随着对 NR+ 的需求日益增长,芯片制造商需要以同样灵活的方式做出响应,提供集成 NR+ 支持的端到端蜂窝物联网解决方案,以支持大规模物联网部署。Nordic Semiconductor 率先提供全面包容的、世界一流的大规模物联网解决方案,为蜂窝物联网的设计、制造和部署带来了简便性、稳定性和成本效益。
Nordic支持NR+的蜂窝物联网解决方案包括两款全新nRF91系列SiP(nRF9161和nRF9131),以及评测和开发工具、开发软件和云服务。nRF9161 是一款完整的全球预认证 SiP,可使用单个器件选择蜂窝物联网或 NR+,实现大规模、超可靠的专用 5G 网络。nRF9161 SiP调制解调器固件和Nordic物联网云平台nRF Cloud推出了新的功能,可以帮助开发人员进一步降低功耗,使得这款SiP成为要求长电池寿命之用例的理想选择。在蜂窝物联网用例中,该SiP 还提供增强的 GNSS 和基于蜂窝的定位性能。
nRF9131 Mini SiP 是完美适合DECT NR+应用的强大解决方案,具有出色的性能和功能
nRF9161 SiP 的 DECT NR+ 堆栈可支持大规模网状应用,这些应用优先考虑可靠性、安全连接、长距离和可扩展性
nRF9131 SiP 是 nRF9161 的功能兼容替代产品,尺寸仅为 nRF9161 的一半,为大批量业务的设计和采购提供了更大的灵活性。nRF9131 将 SoC 和射频前端集成在小型SIP中,与传统的大批量设计中使用芯片组相比,消除了主要的射频风险,并简化了制造流程。
NR+有望为大规模应用提供前所未有的大规模物联网接入,而且成本低廉。据企业物联网软件公司和Nordic合作伙伴 Wirepas 首席执行官 Teppo Hemiä称,目前全球可能有 170 亿台可联网设备,但只有 5% 的设备已经联网[7]。当剩余的 95% 设备都连接起来时,我们就会看到大规模物联网的真正前景。