無線通信蜂窩LPWA的用途是什么？

通過數(shù)據(jù)營造豐富健康的生活，充分利用數(shù)據(jù)開展有價值的業(yè)務，以數(shù)據(jù)為基礎構建高效、暢通無阻的社會……為了在不久的將來實現(xiàn)這一目標，全世界的企業(yè)和政府都在致力于構筑并有效利用新的信息系統(tǒng)。在商務和生活中每天都會產(chǎn)生的數(shù)據(jù)已與“人”、“物”和“金錢”并列成為了推動生活、商務和社會的經(jīng)營資源之一。

近年來，通過有效利用將各種物體連接到互聯(lián)網(wǎng)的IoT（Internet of Things，即物聯(lián)網(wǎng)），不僅可以收集在虛擬世界中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，還可以詳細地收集在現(xiàn)實生活中各處產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。在工廠的生產(chǎn)線、辦公室和家庭中，安裝有傳感器和通信功能的物聯(lián)網(wǎng)設備已被設置在各處，以掌握運行中的裝置和設備的狀況，幫助預測故障和提高生產(chǎn)效率。

然而，與工廠內(nèi)數(shù)十米見方的特定區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集相比，在智能儀表的自動讀數(shù)、道路和橋墩等社會基礎設施的監(jiān)控方面，在數(shù)千米見方的廣闊范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集則存在尚未解決的難題。這是因為當時尚未出現(xiàn)適合在遠距離無線連接的物聯(lián)網(wǎng)設備上使用的無線通信技術。

特定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)收集可以利用現(xiàn)有的Wi-Fi和Bluetooth等針對電腦等信息設備的近距離無線技術。此外，利用這些無線技術的小型低功耗無線通信模塊也很容易獲取，因此相對容易地就能制造出小巧的物聯(lián)網(wǎng)設備。另一方面，對于廣范圍的數(shù)據(jù)收集而言，上述物聯(lián)網(wǎng)設備則難以應對，因此只能利用針對手機的大功耗移動通信技術。但是，由于還考慮到在無法頻繁充電的場所使用的情況，因此就出現(xiàn)了為確保足夠使用的電源容量而安裝大容量電池，從而導致設備體積過大的問題。

作為針對物聯(lián)網(wǎng)設備的無線通信，蜂窩LPWA使用起來極其得心應手

針對物聯(lián)網(wǎng)設備的廣范圍無線通信技術——蜂窩LPWA（Low Power Wide Area）的商業(yè)服務于2018年啟動，其目的是為了拓展曾因缺少合適的無線技術而被遺漏的物聯(lián)網(wǎng)設備的使用場景。

蜂窩LPWA建立在以智能手機等的通信手段——廣范圍覆蓋為特征的LTE的基礎之上，是一項通過降低數(shù)據(jù)傳輸速度和通信頻率，實現(xiàn)驚人的低功耗化的技術。以這種較低的數(shù)據(jù)傳輸速度無法傳輸視頻數(shù)據(jù)。但它卻足以用來傳輸用于了解道路老化的振動、水稻生長管理所需的稻田溫度，以及共享單車的位置信息等數(shù)據(jù)。應當說，通過低功耗化，電池在可長年使用等方面明顯提高了其便利性。

蜂窩LPWA具有拓寬物聯(lián)網(wǎng)設備的使用場景的潛力，但要想加快對物聯(lián)網(wǎng)設備的運用，還需要先克服一些障礙。那就是必須要有和Wi-Fi和Bluetooth等一樣能夠嵌入或設置在各種設備和場所的超小型、低功耗無線通信模塊。村田制作所（以下簡稱“村田”）運用迄今為止在開發(fā)多種無線通信模塊的過程中培養(yǎng)的技術和經(jīng)驗，開發(fā)出了超小的蜂窩LPWA模塊。與此同時，村田還與供應商和芯片制造商合作，制造并提供即使不具備無線通信方面的專業(yè)知識，也能穩(wěn)定連接網(wǎng)絡的模塊。

村田的蜂窩LPWA模塊推動了有價值的物聯(lián)網(wǎng)設備的開發(fā)

由于物聯(lián)網(wǎng)設備在無法輕松獲取數(shù)據(jù)的環(huán)境中也能夠使用，因此其價值將有所提升。所以，在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設備時，確保在任何場所都可以設置的小巧外形，以及最大限度地減少更換電池和充電的頻率是至關重要的。為滿足這種需求，村田開發(fā)并提供了高質量、超小型、低功耗的蜂窩LPWA模塊。我們向負責開發(fā)蜂窩LPWA模塊的工程師們詢問了他們在開發(fā)時設想的蜂窩LPWA的使用場景、村田的模塊的優(yōu)勢，以及在產(chǎn)品開發(fā)過程中開展的工作。

左起依次為管理負責人藤原先生、管理負責人兵庫先生、商務拓展負責人川中先生及王女士

利用現(xiàn)有的手機基站實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠距離通信

?作為將利用物聯(lián)網(wǎng)設備收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫说氖侄?，你們所設想的蜂窩LPWA的用途是什么呢？

首先要說明LPWA的定位。就目前的物聯(lián)網(wǎng)設備而言，在需要實現(xiàn)超過1公里的遠距離數(shù)據(jù)傳輸用途方面，以前必須使用手機服務。但是，由于手機服務成本高、功耗大，因此對于所有用途來說未必都是方便使用的通信手段。為解決這一問題而誕生的無線通信技術，就是LPWA。

LPWA分為兩類，一類是利用手機基站的蜂窩LPWA，另一類則是主要利用獨自的訪問接入點的非蜂窩LPWA（表1）。其中，蜂窩LPWA的優(yōu)點是可以通過大型通信運營商的通信網(wǎng)，在全世界范圍內(nèi)輕松擴展網(wǎng)絡。另外，蜂窩LPWA可以覆蓋的區(qū)域也比非蜂窩LPWA更廣，并且還具有通信的穩(wěn)定性和安全性較高的特點。因此，蜂窩LPWA比較適合用于智慧城市、物流類及跨國數(shù)據(jù)收集等方面。

在蜂窩LPWA中，還包括LTE Cat.M1（LTE-M）和NB-IoT這兩個標準。其中，LTE Cat.M1的特點包括出色的移動性和低時延性，以及在LPWA中屬于較快的、最高可達1Mbps（理論值）的數(shù)據(jù)傳輸速度。LTE Cat.M1適用于跟蹤、緊急裝置和可穿戴設備等應用。另一方面，NB-IoT則具有低成本、低功耗和大規(guī)模連接等特點。

它適用于智能儀表的自動讀表等處理少量信息的應用。

在超小型、低功耗方面無人可及

?針對蜂窩LPWA，村田正在提供具有哪些特點的無線通信模塊呢？

村田提供的高質量蜂窩LPWA模塊符合各個國家和地區(qū)的無線電法，并且還獲得了運營商的認證。從通信的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、移動性等各個方面來看，我們提供的模塊都能夠放心使用。此外，在超小型、低功耗方面，我們也有自信不輸給其他任何產(chǎn)品。

?超小型的蜂窩LPWA模塊為物聯(lián)網(wǎng)設備帶來了哪些好處呢？

在我們開發(fā)的蜂窩LPWA模塊中，采用樹脂封裝的“Type 1SC”實現(xiàn)了11.1 mm × 11.4 mm × 1.4 mm的超小型尺寸。只需這一款產(chǎn)品，就能同時支持Cat.M1和NB-IoT兩種標準，并且其面積還是普通小型模塊*1的一半以下。如果能夠將小型化實現(xiàn)到這種程度，那么就能將模塊應用于在醫(yī)療保健領域中使用的腕帶式可穿戴設備，用來確保物流可追溯性的跟蹤設備，以及嵌入共享單車中跟蹤動作等方面。

?要想使模塊小型化，在技術方面將面臨怎樣的困難呢？

如果只是安裝小型元件、設計細致的布線圖案的話，可能并沒有那么難。但是，在無線通信模塊中，越是小型化，細微的特性差異和圖案偏差就越容易對模塊整體的特性和性能帶來較大的影響。而且，由于蜂窩LPWA的輸出要高于Wi-Fi和Bluetooth，因此為符合無線電法或獲得運營商認證而進行的調(diào)頻的難度就會有所增加。

村田在通信模塊的小型化和蜂窩模塊的開發(fā)方面積累了10多年的經(jīng)驗。雖然有不少供應商在Wi-Fi模塊方面都有開發(fā)實績，但擁有將蜂窩模塊小型化的經(jīng)驗的制造商卻屈指可數(shù)。

實現(xiàn)運行10年以上且無需更換電池的低功耗化

?那么，模塊的低功耗化會為物聯(lián)網(wǎng)設備帶來哪些好處呢？

并不是在所有設置物聯(lián)網(wǎng)設備的地點都可以頻繁地更換電池或充電。甚至可以說，可以從人無法輕易踏入的場所收集數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設備的價值更高。如果能實現(xiàn)模塊的低功耗化，那么就能夠延長物聯(lián)網(wǎng)設備的電池壽命，令運營變得輕松。

然而，在實現(xiàn)理想的物聯(lián)網(wǎng)設備的通信穩(wěn)定性、可靠性、安全性和移動性的同時降低功耗卻并非易事。這是因為，如果只是推進低功耗化的話，只需利用簡單的通信技術即可，但是為了制造出高質量的模塊，就必須要利用復雜的通信技術。如何在軟件和硬件的設計上下功夫并盡量降低功耗，這對于我們來說是一次展現(xiàn)實力的機會。

?你們是通過怎樣的技術來實現(xiàn)低功耗化的呢？

LTE Cat.M1和NB-IoT中運用了被稱為eDRX*2和PSM*3的降低功耗的技術。另外，村田的蜂窩LPWA模塊本身也是以追求低功耗為目的而設計的。通過這些技術，可以將待機時的電流消耗降低到3.5μA（典型值），無需更換電池就能實現(xiàn)10到15年的運行*4。

此外，使用時的通信質量和功耗并不是僅由模塊本身的好壞來決定的。為使包括通信基礎設施在內(nèi)的系統(tǒng)整體能夠順利運行，模塊的調(diào)頻是極其重要的。村田正在與提供蜂窩LPWA連接服務的運營商密切合作，共同開發(fā)通信平臺，以在系統(tǒng)層面兼顧高質量通信、高安全級別與低功耗化。

原文標題：實現(xiàn)各種物體的網(wǎng)絡互聯(lián)超小型、低功耗蜂窩LPWA模塊（前篇）

文章出處：【微信公眾號：村田中文技術社區(qū)】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq