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DECT NR+:用于大规模物联网的低成本、免许可、非蜂窝 5G 技术

2024-08-12 15:25:43 Nordic Semiconductor公司蜂窝物联网技术产品经理Martin Lesund 阅读:
DECT NR+ 提供了其他技术无法比拟的可扩展性和密度,适合连接数从数百万扩展到数十亿的物联网···

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]DgEednc

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。DgEednc

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]DgEednc

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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。DgEednc

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。DgEednc

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。DgEednc

寻找完美标准

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。DgEednc

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。DgEednc

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。DgEednc

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。DgEednc

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)。DgEednc

非蜂窝5G大规模物联网

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。DgEednc

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。DgEednc

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。DgEednc

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。DgEednc

专用 5G 无线物联网网络

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。DgEednc

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。DgEednc

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。DgEednc

满足大规模需求

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。DgEednc

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。DgEednc

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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DgEednc

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nRF9161 SiP 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DgEednc

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。DgEednc

未来如何发展?

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。DgEednc

参考资料

  1. The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything. CISCO Systems, April 2011.
  2. Internet Usage Statistics in 2024. Forbes Home, March 2024.
  3. Number of IoT connected devices worldwide 2019-2023, with forecasts to 2030. Transforma Insights, July 2023.
  4. Number of IoT connected devices worldwide 2019-2023, with forecasts to 2030. Transforma Insights, July 2023.
  5. Number of IoT connected devices worldwide 2019-2023, with forecasts to 2030. Transforma Insights, July 2023.
  6. LPWAN market 2024: Licensed technologies boost their share among global 1.3 billion connections as LoRa leads outside China. IoT Analytics, March 2024.
  7. Wireless Quarter. Nordic Semiconductor, Issue 2, 2022, pg14.

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责编:Ricardo
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