物联网的驱动因素不仅仅是消费者

What’s Driving the IoT? It’s Not Just Consumers

Eric Starkloff，NI全球销售和市场营销执行副总裁

物联网的快速发展正对5G等未来无线标准的要求产生重要影响，尤其是要求高可靠性和低延迟的新型应用，需要使用不同于当前的无线技术。这些新出现的需求将改变无线系统设计、原型开发、制造和测试的方式。

如今，我们正在进入互联的第三个时代——而这一时代正在改变我们使用无线的方式。在第一个时代，有线通话和因特网技术是连接家庭和公司的主要方法。过去二十年里，第二个时代出现了，产业开始从地域之间的有线连接转为人与人之间的无线连接技术。

这一转变的表现之一是台式电话机的淘汰。图1显示的电话机曾经是我们的办公桌上最重要的工具，现在却被无情淘汰了(当然,我是用手机拍的照片)。该图显示了NI的举措——事实上也是业界的举措——通过手机和Skype来将每位员工联系起来。

图1. 2000年时业界领先的连接技术

万物互联是第三个通信时代的主要特征，其发展变化的速度超出我们的想象。当前，全球有70多亿台移动设备将超过38亿多人连接起来。未来，物物互联的数量将远远超过人与人之间的互连。根据2015年11月爱立信移动报告的最新评估¹，在接下来的五年里，机器对机器(M2M)连接的数量将增长大概四倍，达到近120亿。爱立信预计到2030年，物物互联的数量将是人人互联的10倍。

毫米波崭露头角

过去主要是由消费者提出对新无线技术标准的要求。但是在未来这些要求将由机器互联的需求推动。在提出的5G应用实例中，人人互联与物物互联的区别被清晰地定义。作为5G愿景的一部分，国际电信联盟(ITU)列举了无线通信²的三个不同应用场景——每个场景在延迟、吞吐量、密度和移动能力方面展示了不同的特点(详见图2)。

图2. ITU在2020年愿景中提出的5G用例

增强移动宽带通信

第一个用例是增强移动宽带(eMBB)。我们可以把它视为LTE和LTE-Advanced的自然演进。GPRS到HSPA再到LTE的演变给消费者带来了不断加快的数据速率，未来的5G标准也将保持这一趋势。eMBB用例定义的技术要求需要数据传输速率的峰值高达10Gbps。

eMBB用例最令人振奋的成果之一是，它首次将毫米波引入到主流消费产品中。要达到10Gbps或者更高的吞吐量需要非常高的带宽——所需的频谱只可能在毫米波长下实现。

就在几年前，6GHz以上的频段应用于无线通信的想法还是不切实际且成本高昂的。而今，5G研究人员正力图证明毫米波频率对于大众市场的可行性。例如，最近在巴塞罗那2016全球移动大会上，NI与诺基亚网络公司(详见图3)合作展示了一个速率达到14.5Gbp的5G毫米波原型通信系统。

图3. 诺基亚阿灵顿高地分公司正在运行的5G系统

当然，5G不是唯一需要更高吞吐量的技术，也并非唯一使用毫米波的技术。目前，我们还需努力数个月就能将60GHz 802.11ad芯片组部署到主流移动设备中，而802.11ay也只需几年就可以实现。未来，这些无线标准将通过提供高达20Gbps的吞吐量来提升5G移动网络，为物联网设备提供终极连接。

机器互联通信

ITU提出的另外两个5G用例旨在解决物物互联而非人人互联中存在的挑战。这两个用例——大规模机器通信(mMTC)和超可靠机器通信(uMTC)——与增强移动宽带的要求截然不同。

mMTC用例的主要无线要求包括超低功耗和超低成本。目标是单块电池能够为这些无线设备供电10年或10年以上。另一方面uMTC则针对的是任务关键型应用。uMTC的主要要求包括<1ms的延迟以及高于99.999%的可靠性。

尽管5G标准的要求能够很好地说明物联网正在如何影响未来的标准制定，但这并不是唯一的例子。不久的将来，物物通过无线互联的频率将远高于人人互联，这一趋势正在影响例如802.11ah的无线LAN技术和诸如LTE-M的移动技术。

LTE-M概览

用于M2M通信的LTE（简称LTE-M）作为2015年3月3GPP Release 12的一部分被首次提出。LTE-M定义了一种机对机通信的低成本设备类别(category 0)³。为了节能，新category 0无线标准允许只支持LTE的1.4MHz带宽选项，采用半双工而非全双工技术。LTE-M还可允许更长的非连续接收(DRX)周期——允许设备具有更长的非活跃时间，以进一步降低功耗。

当然，为了更低的功耗而改进LTE的行为并不会止步于3GPP Release 12。Release 13中可能会包含窄带LTE-M(NB-LTE-M)。NB-LTE-M增加了200kHz带宽选项，支持200kbps的下行数据速率，功耗仅为当前LTE无线标准的五分之一。

工业物联网应用

在这个联系日益紧密的世界，作为其中的消费者，我们很容易想象到无线技术将如何更广泛地应用到电子消费产品中。这些应用以重要而积极的方式影响着整个社会。尽管在许多工业用例上这些影响并不是很明显，但最终还是会显露出来。

事实上，最近的一个市场预测指出：在接下来的十年里，汽车和工业物联网(IIoT)应用合起来将占到整个物联网的近50%。因此，无线技术将应用于协调红绿灯、汽车和工业机器上——而不仅仅是智能手机。最终，工业物联网的规模将在单位容量上超越消费物联网；这甚至决定了我们消费者可以利用的技术。

无线驱动创新的应用之一就是互联化汽车。北美洲的人们可能还记得通用汽车在1997款Cadillac车型上引进了第一个“OnStar”系统。原始系统利用AMPS ⁴(pre-CDMA和pre-GSM)移动电话网络，使车辆在紧急情况下能够与客户服务中心取得联系。今天，利用LTE调制解调器，该服务甚至能够为车内乘客提供WiFi连接。

尽管OnStar技术已有将近二十年的历史，汽车行业对蜂窝式调制解调器的应用仍不太普遍。2015年，全球出售的车辆中仅有20%具备连接网络基础设施的功能。未来，这一数字将接近100%⁵。事实上，欧盟最近规定在2018年之后，所有新车必须配置e-call技术，一种在欧洲相当于OnStar的技术，可在紧急情况下提供碰撞紧急呼叫服务⁶。由于e-call等无线技术的出现，Harman等传统娱乐信息供应商正在增加能够同时支持Wi-Fi和LTE的模块的生产。这就要求对制造业的新测试技术（如并行测试）进行投资(如图4所示)。

图4. NI合作伙伴Noffz的e-call模块制造测试站。

77 GHz频率的蜂窝和汽车雷达等无线技术对汽车测试方法有着重要的影响。长期以来，日益增加的汽车复杂性就要求使用硬件在环(HIL)测试方法来确保安全性和可靠性。随着无线连接逐渐变成汽车的一个任务关键型功能，工程师要求将同样的HIL测试技术应用于802.11p无线电和雷达等RF系统。

物联网对RF设计和测试工程师的影响

在将近四十年的时间里，我们见证了手机的价格从10,000美元⁷(根据通货膨胀率进行了调整)降到不足100美元。由于当今的移动技术不仅仅用于人与人之间的互动交流，移动无线电通信的成本预期必须进一步大幅降低。例如，NB-LTE-M无线电的目标价格是低于5美元。

“无线成本”的最有效指标之一是半导体组件本身的平均售价(ASP)。事实上，DataBeans的最近一个市场预测显示：2011到2019年期间，移动设备模拟IC的平均售价将下降30%(详见图5)。

图5. 2011到2019年的无线模拟IC成本和单位容量⁸

无线技术的广泛应用正驱动无线成本不断下降，而物联网时代将持续这一趋势。然而，较低的成本往往跟日益增加的无线复杂性联系在一起。仅在十年前，也就是2005年，Sprint宣布支持世界上第一款“四频”手机Samsung IP-A790。该手机可连接美国国内外的蜂窝网络，零售价为500多美元。现在一款成功的手机除了配备多种蓝牙、GNSS，甚至是NFC技术之外，还必须支持近20个移动频段(详见图6)。在未来的几年里，移动设备将增加802.11ad、802.11ay和5G的毫米波波段——其中大多数设备可以继续使用现有波段。随着无线技术嵌入到消费产品和工业产品中，工程师需要寻找一种方法来以更低成本和更小部署空间设计、测试和部署日益复杂的无线技术。

图6. 未来智能手机日益增长的无线复杂性。

我记得在21世纪初我们与行业领先的移动手机供应商合作时，他们第一次将Wi-Fi添加到手机中。这一“简单”的添加实际上增加了一倍的生产测试时间和测试成本，而手机器件的售价却大致不变。如今，我们已经添加了十几个甚至几十个无线标准,但是手机的成本却下降了。显然，测试成本必须持续大幅下降。物联网将会加速成本的下降进程，因为物联网设备的庞大数量以及随之而来的规模经济正在驱动无线技术价格的下降。

这对您意味着什么?

无线技术正日益成为实现物联网的最关键技术之一。考虑到无线技术的重要性,新一代无线技术的成功依赖于我们所有人的共同努力。如果没有科研人员开发世界上第一个基于软件无线电的原型，5G网络只能是空口白话。当然,如果设计和测试工程师无法解决未来的挑战，即以经济实惠的方法设计和制造毫米波无线电设备，5G也只能是镜花水月。

三十年前,我们很多人都见证了个人电脑的商品化如何实现了成本、性能和尺寸的全面兼顾。当前,无线设备也在经历这一过程。从PA到移动电话再到NI测试设备,我们始终追求的是更小巧、更高能源效率和更低成本的产品。6美元移动PA和价值六位数的频谱分析仪的时代早已成为过去。是时候拥抱未来了。

参考文献

1. “Ericsson Mobility Report,” November 2015, www.ericsson.com/res/docs/2015/mobility-report/ericsson-mobility-report-nov-2015.pdf.
2. International Telecommunication Union, “IMT Vision – Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond,” September 2015,https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-E.pdf.
3. Nokia Networks, “LTE-M – Optimizing LTE for the Internet of Things,”http://networks.nokia.com/file/34496/lte-m-optimizing-lte-for-the-internet-of-things.
4. “Most Analog Cellular to Fade Away Next Week,” PC World, February 2008,www.washingtonpost.com/wpdyn/content/article/2008/02/15/AR2008021500036.html.
5. “2025 Every Car Connected: Forecasting the Growth and Opportunity,” SBD, February 2012,www.gsma.com/connectedliving/wp-content/uploads/2012/03/gsma2025everycarconnected.pdf.
6. QUALCOMM, “eCall Whitepaper Version 1.5,” March 2009,www.qualcomm.com/documents/ecall.article/0,28804,2023689_2023708_2023656,00.html.
7. “RF Power Amplifier and Transceiver Market Tracker,” Databeans, Q4 2015.