应用于物联网的5G标准部署方案

可进行大规模物联网部署的5G标准

5G网络已经成为当前最重要的无线通信发展方向，而世界上首个非蜂窝5G技术DECT NR+在2020年获得ETSI组织标准化，并随后于2022年被采纳为5G标准，最近受到业界的关注。DECT NR+标准可能是大规模物联网（IoT）部署的重要关键。本文将为您介绍DECT NR+标准的发展与特性，以及由Nordic半导体所推出的相关解决方案。

采用非蜂窝技术的5G标准

在过去，DECT技术是数字增强无线通信（Digital Enhanced Cordless Telecommunications）的缩写，主要用于无线电话系统。DECT NR+（或者技术上称为DECT-2020 NR的标准）是有史以来第一个被纳入ITU-R定义5G标准的非蜂窝技术。DECT-2020 NR标准是由ETSI组织开发，以满足ITU-R对5G技术的要求（正式称为IMT-2020要求）。

DECT NR+支持点对点、星形和mesh拓扑结构。值得注意的是，这里所说的mesh拓扑是一种不完全的mesh拓扑，称为簇树拓扑。这意味着设备会被分组成几个独立的树，称为簇。簇树拓扑是一种包含分支的星形拓扑。所有簇连接起来形成mesh网络，也就是前面所说的不完全的mesh，因为并非所有的节点都像在完全mesh拓扑中那样相互连接。

DECT NR+节点的角色可以是汇聚节点、中继节点或叶子节点。汇聚节点是接入互联网的网关，它选择工作频率，并发起信标帧传输，这表明它具有通往外部世界的路由。网络可以有多个汇聚节点与外部连接，中继节点通过将信息路由传送到其他簇和自身簇中的叶子设备来扩展网络。叶子节点是网络的最外层节点，仅能发送数据。

在点对点和星形拓扑结构中，具有互联网回程的节点被定义为汇聚节点，所有其他节点被定义为与汇聚节点相连的叶子节点。mesh拓扑结构的情况则更加复杂一些，该机制能够根据网络的需要自主地分配设备角色，支持网络拓扑的“自组织”和“自修复”，并能解决高流量情况下的拥塞问题。每个设备都根据通往汇聚节点的可用路由来单独决定下一跳，这意味着簇树是自主形成的。

作为一项DECT技术，DECT NR+可以使用免许可的1.9 GHz DECT频段，该频段是全球范围专用的，除了少数地区（中国、印度、日本）之外，DECT论坛正在努力扩大使用范围。

DECT NR+能够在DECT频段上与经典DECT共存。由于DECT NR+是为共存而制定的，因此也可以使用ISM频段。事实上，该标准支持从450MHz到6GHz的多个许可和非许可频段。

适用于智能城市大规模物联网部署的解决方案

5G标准为5G技术的服务定义了三个独立用例，包括增强型移动宽带（eMBB），与前几代移动网络相比，eMBB侧重于提供更快的数据速率和更大的网络容量。此外还有大规模机器类型通信（mMTC），mMTC旨在连接大量的低功耗设备和传感器，侧重于低功耗、高密度和可扩展性。另外还有超可靠低延迟通信（URLLC），URLLC旨在为需要实时响应和关键任务可靠性的关键通信和应用提供极低延迟和超高可靠性。

mMTC可以满足连接大量低功耗设备和传感器的需求，这与智慧城市、农业、制造业和医疗保健等多个领域相关。满足ITU-R规定用例要求的技术必须支持数项特性，包括高密度（每平方公里100万个设备）、长电池使用寿命与异步访问。

另一方面，URLLC强调超低延迟和超高可靠性，用于数据必须即时传输并且不允许失败的关键任务通信。URLLC用例使得低延迟系统首次能够考虑采用无线操作，它提供了以前只有有线连接可以达到的低延迟和可靠性，应用范围包括自主机器人、电力分配、运动控制等。

目前的单一物联网技术几乎没有融合，因为“每种应用都没有完美的标准”。例如，LTE-M和NB-IoT蜂窝物联网旨在提供远程LPWAN，减少延迟需求，但使用许可频谱，从而造成数据成本，LoRaWAN则需要构建昂贵的基础设施。由于缺乏量身定制的无线解决方案，导致像是智能路灯的设计变得复杂、繁琐且昂贵，使得资金紧张的城市当局想要快速、轻松地大规模部署智能照明和其他智能城市应用，例如智能垃圾桶、微移动、公共交通、交付跟踪等等低成本、无线M2M技术，并需要适用于数百万至数十亿终端设备规模，上述这些技术都难以完美的达到要求。

适用于智能城市的解决方案出现了，DECT NR+便相当适合大规模智慧城市物联网应用。它是一个单一、安全且可靠的无线电标准，支持多供应商生态系统，面向未来且可扩展。此外，由于DECT NR+使用免许可无线电频谱分配，因此不会产生任何数据费用，使其运行成本比获得许可的同类产品更便宜。DECT NR+有望实现5G无线的普及化，允许大规模设备部署，并具有蜂窝的所有优势，但在大规模物联网规模上成本要低得多。

支持DECT NR+的高度集成解决方案

近期，Nordic拓展其无线产品组合，推出了用于蜂窝物联网和DECT NR+设施的全新SiP产品。这一全新端至端蜂窝物联网解决方案nRF91系列SiP包括三款nRF91系列SiP（其中有两个新器件nRF9161和nRF9131）、评测和开发工具、开发软件、nRFCloud服务和技术支持。Nordic致力于为物联网企业提供完备的设计和部署解决方案。Nordic提供的设计、支持和芯片组、模块、软件和服务，带来了易用性、稳定性和成本效率，这是首次由一家企业提供全方面的蜂窝物联网解决方案。

nRF91系列使用Arm Cortex-M33作为专用应用处理器，用户可实现完全编程。它有1MB闪存、256kB RAM和多种外设。除了LTE连接和定位功能，该系列还支持广泛的应用，并为蜂窝物联网和DECT NR+（仅限nRF9161和nRF9131）领域提供真正边缘计算的可能性。Nordic还提供了开源的nRF Connect SDK（软件开发套件），用户可以使用该套件在专用的应用处理器上开发他们定制的应用程序。但请注意，nRF9131 mini SiP并未集成PMIC、无源器件和晶体。

nRF91系列是全面集成的蜂窝物联网解决方案，支持LTE-M与NB-IoT应用，其能效创新对LTE-M和NB-IoT的节电能力做出了重大贡献，即eDRX（扩展间断接收）和PSM（节电模式）。eDRX和PSM协调工作，使电池续航数月和数年成为可能。nRF91系列并支持服务质量（QoS），可以支配和保证这些频段内通信的性能和可靠性，并可以最大限度地减少由于设备之间的干扰而造成的电量浪费。

nRF91系列拥有高部署密度和大覆盖范围，这意味着可以真正大规模、高密度的部署。nRF9160并采取重要的附加安全措施，进一步增强设备的安全性，包括Arm TrustZone和Arm CryptoCell以进行安全、可信的执行和密钥生成及存储，提供最佳安全性。

采用系统级封装的高度集成

DECT NR+解决方案

Nordic推出的nRF9161系统级封装（SiP）是专为蜂窝物联网和DECT NR+应用而设计，开创了高度集成SiP解决方案的全新标准。nRF9161充分利用低功耗LTE技术、先进的处理能力和强大的安全特性，提供了出色的高性能和多功能。与前身产品（nRF9160）相比，它具有多项增强功能，包括支持DECT NR+和3GPP版本14 LTE-M/NB-IoT。

nRF9161具有多项增强特性，包括支持DECT NR+和3GPP版本14 LTE-M/NB-IoT LTE协议栈，具有全球范围连接和高功效的特性，nRF9161的集成调制解调器实现了没有地域限制的全球范围连接，并包含了全新的独特调制解调器功能，进一步提高了节能性和易用性。为了全面释放DECT NR+潜力，利用nRF9161的DECT NR+协议栈支持功能，实现了、安全、长距离、可扩展的大规模mesh应用。

Nordic另一款nRF9131 Mini SiP是一个完美适配DECT NR+应用的强大解决方案。同时，它利用与nRF9161相同的LTE堆栈支持蜂窝通信运作。nRF9131将简化基于芯片组的传统设计，因而成为大批量蜂窝物联网应用的理想选择。与nRF9161 SiP相比，nRF9131的集成度较低，具有较低的物料清单（BOM）成本。然而，需要注意的是，蜂窝终端产品认证的非经常性支出（NRE）将根据所需的地理覆盖范围增加。因此，nRF9131 Mini SiP十分适合全球NR+应用以及针对特定地区的大批量蜂窝产品。

nRF9131完美适合DECT NR+应用，nRF9131在DECT NR+应用中表现出色，提供卓越的性能和功能，其具有较小的尺寸和灵活的采购来源，体积比nRF9161更小，可配合具有其他特性的PMIC。此外，nRF9131的固件的功能与nRF9161完全兼容，可以在两个SiP之间简便转换。Nordic还提供参考设计，nRF9131可与Nordic的nPM6000 PMIC结合使用，功耗与nRF9161类似。

结语

DECT NR+有望为工业、农业、资产跟踪、智慧城市和智慧能源等市场的大规模M2M应用提供大规模物联网接入，而且每个节点的成本都很低，并且基于强大、高效的自组织网络，市场发展潜力极为可观。Nordic有着早期采用关键无线技术以实现快速商业化的历史，是首批将DECT NR+商业解决方案推向市场的公司之一。Nordic的nRF91系列能够协助客户支持DECT NR+应用的快速开发，值得您深入进一步了解。

编辑：黄飞