大幅簡化設計複雜度　無線模組加速M2M應用

圖1 M2M通訊聯網裝置的增長趨勢

與此同時，連接至網際網路已變得更便宜、更簡單，甚至大量生產的運算裝置也能夠收集和處理前所未有的龐大資料量。

影響M2M更廣泛連接的一個潛在瓶頸是，所有四十多億個IPv4的位址幾乎都已用盡。然而，此問題已隨著IPv6標準的制定而被解決。IPv6可支援2的128次方個位址，數量大到足供地球上每一粒沙子都能擁有自己的位址。再加上第四代行動網路長程演進計畫(LTE)的就緒，將能為IPv6提供數據、語音以及網路視訊服務。

要推動M2M網路的進展，只須在機器中嵌入精巧、低成本的無線模組就能實現。若需要位置、速度或導航資訊，機器便還須要內建全球定位系統(GPS)或全球導航衛星系統(GNSS)接收器。這兩種元件再配備天線，就能輕鬆地安裝在比行動電話還小的裝置中。GNSS是衛星導航系統的標準用語，可提供具全球覆蓋範圍的自動地理空間定位，包括GPS(美國)、GLONASS(俄羅斯)、伽利略(歐洲)、北斗(中國)和其他地區的系統。

當要為一台機器配備通訊功能時，必須從其應用需求開始考慮。產品使用壽命、地理網路覆蓋範圍，以及從2G到3G和4G的未來無線網路升級設計等，全部都是重要的設計考量。

以下將說明，選用無線數據機時，須要考慮的產品特性：

電池壽命至關重要

對某些產品來說，電池每次充電或更換的時間是非常重要的。舉例來說，安裝在貨櫃中的追蹤裝置，如果是空運或路運，可能須要持續運作好幾天，若是海運，則需長達好幾個禮拜。所以，電池壽命必須能夠支援這些不同的時間要求。

一般而言，行動電話通常充電一次能用2到3天。因此，消費者會期望醫療與健身裝置也能有類似的電池壽命。比較這些應用的數據機與GNSS接收器規格時，操作與待機電流消耗，以及省電功能都很重要。後者包括自動喚醒特性，以及智慧省電模式，例如毋須喚醒主機處理器就能自動記錄資料的能力。最理想的情況是，元件只有在需要時才被喚醒。

支援多種行動標準

現在，人們和物品都更頻繁地在世界各地移動，因此，選用數據機時，不僅要考慮今日的需求，更要能滿足未來的功能：GSM在全球有四個主要的頻段，UMTS有六個、而LTE有超過三十個。

電表通常是固定不動的，而資源管理系統可能需要在全球各區域運作，因此要包含四頻或雙頻GSM數據機(取決於使用區域)，或6頻UMTS數據機。

合格數據機可加速產品驗證

任何一種蜂巢式網路裝置，不管是GSM、UMTS或LTE，都要通過相關機構、產業與電信業者的認證。如果嵌入於裝置中的數據機已通過合格認證，將能大幅簡化並加速產品的驗證程序。

．今日的需求或與明日不同
雖然GSM/GPRS網路就足以處理遠端量表應用的小量資料傳輸，但業者已經在考慮將GSM頻段重新配置給3G和4G服務。為了節省未來的開支，設計時最好能將未來的技術標準納入考量。今天，這意味著，設計時須採用UMTS/HSPA或LTE數據機，或者，至少要能確保硬體設計未來能輕鬆升級。

套疊式設計可簡化技術升級

蜂巢式M2M技術正持續演進中，因此，當設計能支援行動通訊的新款裝置時，須優先考量它對新技術的升級能力，才能最佳化設計成本。目前已有模組廠採用套疊式設計(Nested Design)來提升全系列蜂巢式模組的布局相容性，包括GSM、UMTS、CDMA以及LTE模組，透過這種方式，單一的電路板布局可適用於所有不同版本的終端產品，確保蜂巢式技術與模組世代間的輕鬆升級，同時，不同模組間還具備AT指令相容性。

圖2 套疊式設計能最佳化設計成本並簡化硬體升級。

頻寬需求持續增加

追蹤應用的頻寬需求只會朝一個方向發展--持續向上，因此，考量產品整個使用周期的聯網功能成本是很重要的。選擇數據機時需以未來3至5年內的需求為基礎，或至少選擇能輕鬆升級的方案。

汽車的特殊需求

在車載系統中，溫度、濕度和振動條件都很嚴格，在ISO/TS 16949認證合格工廠製造符合AEC-Q100標準的元件能確保可靠度與長期使用壽命。每個元件的合格測試都應遵循ISO16750「道路車輛─電氣與電子設備的環境條件與測試」標準。此標準適用於在船舶或火車等嚴苛環境中操作的車載和工業用裝置。

．緊急呼叫系統日益普及
已有越來越多的汽車配備可自動回報意外，或在被盜後協助尋回的系統。美國、歐洲、俄羅斯和巴西均成立計畫支援這類系統，並將成為政府的強制規定。對這些應用來說，如圖3所示的範例，通常會需要用到「同步數據機(In-band Modem)」。利用與傳真機透過電話線路傳送資料類似的方式，它能透過數據機的語音通道來傳送資料。此功能是有必要的，因為在行動網路中，電信業者會將語音傳輸的優先順序列於數據傳輸之前。若發生意外，語音通道便成為傳送資料到緊急服務中心的關鍵鏈結。確認你的解決方案是否支援2G和3G網路的同步數據機。

圖3 緊急呼叫系統須要採用同步數據機，讓資料透過優先的語音通道進行傳輸。

都會區中的輔助定位功能

在城市或其他的都會區中，衛星訊號可能會被高樓遮蔽而使定位資訊中斷，此問題能透過連結到遠端的A-GPS伺服器來解決。此程序很簡單，只須利用無線數據機從網際網路下載幾個位元組的衛星軌道資料即可。利用輔助資料，可視衛星僅須維持幾秒的可視度就能計算位置，不須要用到30秒的時間來接收完整的1,500位元衛星訊框資料。

所以，設計人員須確定，定位(GPS)接收器供應商是否能在所需的地理區域內提供保證可用的輔助服務。客戶端軟體應能支援此服務，而定位接收器與無線模組都須擁有可支援此服務的介面。另一個重點是，該服務應能同時適用於GPS和GLONASS系統。

運用DR技術推算感測器定位資料

如圖4所示，慣性導航(Dead Reckoning, DR)技術可根據來自汽車感測器的資料推算出位置與速度以作為衛星訊號的互補。在隧道或衛星接收暫時受到干擾的環境中，此做法可有助於決定車輛的位置，非常適用於保險追蹤系統這類需要正確記錄位置、方向與速度的車載資通訊應用。

圖4 慣性導航可推算來自包括陀螺儀和車輪速度感測器等汽車感測器的定位資料。

根據最近一次的已知位置，感測器(通常是輪胎速度感測器、陀螺儀和加速計)能為GNSS接收器提供資訊，包括車輛行駛的距離與方向，以及根據車胎標記和車體俯仰角得出的車輛高度變化。因此，不管GNSS衛星的可視性如何，都能準確估算出車輛的確實位置。

結合衛星與蜂巢式數據實現室內定位

在需要室內定位資訊的情況下，透過將衛星接收器與無線數據機結合在一起，就能克服衛星訊號被牆壁或其他障礙物遮蔽的問題。

這種混合式解決方案可利用2G和3G蜂巢的可視性，因為GSM或UMTS訊號能夠輕鬆地穿越牆壁。若可視的行動蜂巢位置為已知，就能透過蜂巢重疊部分計算出大概的位置。與輔助式定位技術類似，此做法須把無線聯網與外部服務相連。請確認，選用的定位接收器和無線數據機供應商能提供這類的解決方案，尤其是其方案是否通過市場驗證，並能提供線上服務。另一個重點是，此系統的準確度是否足夠。

定位系統相容性

過去，GPS一直是唯一被考量的定位系統。但現在，俄羅斯的GLONASS、日本的QZSS、中國的北斗、以及歐洲的伽利略都需納入考量。與GPS的相容性，再加上至少一個其他的衛星系統可幫助提升定位系統的可靠度與準確性，並符合當地政府與其自有系統相容的規定。

因此，同時採用兩個系統的平行運作有可能是產品規格中的一部分。例如，俄羅斯新的ERA-GLONASS車輛緊急呼叫系統就要求GLONASS相容性。所以，選擇方案時，須尋求可提供多重GNSS支援的GPS/GNSS接收器，並提供GPS/GLONASS或GPS/北斗的雙重衛星接收功能。

本文說明了為M2M產品增加無線連接功能時的一些設計考量。請記住，許多新的標準，不管是無線還是定位技術，都在持續地演進中。

因此，一定要考量產品整個生命週期的運作，以及產品將會用在哪個市場。此外，也應考慮是否須納入下一代效能與網路覆蓋範圍的設計支援，或是選用能夠讓產品在現場輕鬆升級的設計方案。

(本文作者Stefano Moioli為u-blox蜂巢式產品管理總監；Thomas Nigg為定位產品策略資深總監)