實(shí)現(xiàn)用于IoT及M2M應(yīng)用的LTE Cat 1通信

2017年10月26日15:53 來(lái)源：移動(dòng)通信網(wǎng)T|T

【移動(dòng)通信網(wǎng)】2004年，NTTDoCoMo首次提出高速蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)——長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)，通常稱(chēng)為4G，或根據(jù)其原數(shù)據(jù)傳輸速率等級(jí)分類(lèi)被稱(chēng)為Cat4，隨著技術(shù)的進(jìn)步仍在不斷發(fā)展。高寬帶通信誕生于第三代合作伙伴計(jì)劃，3GPP,目前正朝向熱議的5G標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。在5G時(shí)代，城區(qū)的網(wǎng)速可達(dá)到100Mbps，在單層辦公室環(huán)境中可達(dá)到1Gbps。雖然很多應(yīng)用會(huì)從這一數(shù)據(jù)傳輸速率上的重大進(jìn)步中受益，但其數(shù)據(jù)量和吞吐率不能保證相關(guān)成本及功率分布高速率要求的情況也日益增多。

隨著最近M2M及IoT應(yīng)用呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，對(duì)于相對(duì)較低帶寬、更高時(shí)延以及更低成本的通信鏈路的需求也在日益增加。該等應(yīng)用一般為傳感器或執(zhí)行器，所需發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)量很少，且頻率可能僅每分鐘幾次。對(duì)于一些設(shè)備而言，如溫度傳感器，其只有在溫度在指定數(shù)值范圍內(nèi)變化時(shí)才需要通信�？紤]到這一要求，蜂窩行業(yè)一直致力于在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)提供該等低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)，又稱(chēng)NB-IoT或LTECatNB1，2015年沃達(dá)豐、華為及u-blox對(duì)其進(jìn)行首次測(cè)試，2017年進(jìn)行全面的商業(yè)投放。NB-IoT的200kHz窄帶寬可提供10kbps的數(shù)據(jù)傳輸。最重要的是，作為一個(gè)得到20多家蜂窩運(yùn)營(yíng)商支持的標(biāo)準(zhǔn)，其具備授權(quán)頻譜運(yùn)營(yíng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的所有安全和保障。見(jiàn)圖1。通過(guò)NB-IoT，IoT傳感器系列的眾多產(chǎn)品都可以連接至安全、成熟且久經(jīng)考驗(yàn)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

圖1——LTE路線(xiàn)圖（含Cat1）

圖1所示為L(zhǎng)TE的路線(xiàn)圖以及LPWA技術(shù)子組的路線(xiàn)，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)/CatNB1，其針對(duì)的是廣泛的低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)用。隨著IoT應(yīng)用開(kāi)始成為常態(tài)，不同應(yīng)用的多元化也日益普遍。雖然目前為止我們提到了數(shù)據(jù)通信的極端情況，Cat3/4（10kbps半雙工下載和上傳），但是越來(lái)越多的互聯(lián)設(shè)備需要介于這兩者之間的帶寬能力。圖1中藍(lán)色線(xiàn)條所示為L(zhǎng)PWA的路線(xiàn)圖，其中Cat1為最新的基于LPWALTE的技術(shù)。LTECat1的上傳吞吐率可達(dá)到5Mbps，下載吞吐率可達(dá)到10Mbps，能夠?yàn)橹T如遠(yuǎn)距離通信、資產(chǎn)跟蹤、安全和視頻等IoT應(yīng)用提供可行的連接方法。Cat1不僅能夠提供充分的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且時(shí)延通常為10–15ms，相較而言，CatNB1在覆蓋條件較差的條件下時(shí)延常達(dá)數(shù)秒。比較起來(lái)，LTECat5的時(shí)延尚不到5ms。

當(dāng)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接鏈路時(shí)，開(kāi)發(fā)人員不僅需要了解鏈路本身所要求的特性，而且需要對(duì)安全方面進(jìn)行更全面的評(píng)估。事實(shí)證明，打造一條信任鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)這一目的的常用方法，基本上就是將進(jìn)程分解成一系列信任域。例如，在u-blox，我們就采用了一種名為“五大支柱”的方法。

圖2——建立無(wú)線(xiàn)通信信任鏈

一般來(lái)說(shuō)，使用任何一種無(wú)線(xiàn)模塊時(shí)，無(wú)論是帶或不帶GNSS接收器，以下方面都可以確定可能的安全漏洞或攻擊：設(shè)備固件、與服務(wù)器的通信、接口安全、執(zhí)行API控制和穩(wěn)健性，包括處理欺騙/干擾。

越來(lái)越多的事實(shí)表明，為確保您的設(shè)備執(zhí)行正確的軟件應(yīng)采用安全的啟動(dòng)方法，在啟動(dòng)下一個(gè)處理階段前驗(yàn)證初始代碼是最好的方法。尤其是對(duì)于無(wú)線(xiàn)固件升級(jí)(FOTA)而言，該功能在地理分布較為分散的IoT/M2M傳感器池中作用十分顯著，其提供了一個(gè)可能的攻擊面，因此，需要在新下載固件圖像閃現(xiàn)前對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

從傳輸層開(kāi)始就需要讓設(shè)備可以通過(guò)主服務(wù)器進(jìn)行自我驗(yàn)證，反之亦然。推薦使用簽名和/或加密通信，無(wú)線(xiàn)模塊應(yīng)具備管理簽名、加密及解密用鑰匙的資源。隨著中間人攻擊越來(lái)越普遍，防止通信數(shù)據(jù)被攔截或泄漏就尤為重要。

另一個(gè)安全考量便是API的使用。很遺憾地是，人們常常忽略設(shè)備性能入口以及安全影響。那些意圖利用或危害某一設(shè)備的人通常有大把的時(shí)間去尋找開(kāi)放API，并探究其與設(shè)備功能之間的關(guān)系。有時(shí)，包含在代碼內(nèi)的API不僅能夠接入標(biāo)準(zhǔn)特性和功能，還能夠接入增值服務(wù)或付費(fèi)服務(wù)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)者也常為自身測(cè)試提供未記錄的API和配置，所以，也必須對(duì)此進(jìn)行保護(hù)。因此，應(yīng)采用正式驗(yàn)證和授權(quán)技術(shù)允許或啟用該等API。

符合該五大支柱信任鏈方法的LTECat1無(wú)線(xiàn)模塊范例便是來(lái)自u(píng)-blox的LARA-R3系列——見(jiàn)圖3。

圖3——LTECat1模塊示例——u-bloxLARA-R3121

LGA型封裝低功率LARA-R3121模塊尺寸僅為24.0x26.0x2.6mm，符合LTECat1的中等速度、5Mb/s上傳速度、10Mb/s下載速度的要求。其還包含一72通道GNSS接收器、九個(gè)可配置GPIO，工作電源電壓范圍為3.3至4.4直流電壓。可通過(guò)串行UART或USB2.0與主機(jī)應(yīng)用通信。另外，還提供SPI及I2C接口。模塊的軟件和安全特性包括嵌入式TCP/IP、UDP/IP棧、安全傳輸套接字(HTTP、FTPS、TLS1.2)支持以及FOTA升級(jí)功能。此外，還內(nèi)置有安全啟動(dòng)及驗(yàn)證特性。

和很多無(wú)線(xiàn)模塊一樣，其也是通過(guò)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Hayes“AT”命令集實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信，點(diǎn)擊此處查看完整列表。該命令集覆蓋了模塊特性控制、數(shù)據(jù)鏈接配置和設(shè)置以及FOTA升級(jí)管理的各個(gè)方面，提供了綜合性的資源。在無(wú)線(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，采用“AT”指令能夠簡(jiǎn)化不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的遷移，提供第二供貨源（若最終設(shè)計(jì)需要的話(huà)）。

圖4——u-bloxLARA-R3121的演進(jìn)平臺(tái)

EVK-R312具有穩(wěn)定的電源、SIM卡、擴(kuò)展I/O功能，提供了一種突破LARA-R3121模塊功能的方法。見(jiàn)圖5。

圖5——EVK-R312功能方塊圖

LTECat1能夠滿(mǎn)足一系列要求更高數(shù)據(jù)吞吐率以及更低時(shí)延規(guī)格的LPWAIoT、M2M以及遠(yuǎn)程信息處理應(yīng)用的需求。諸如安全及監(jiān)控等基于視頻的應(yīng)用在推動(dòng)帶寬和時(shí)延要求方面起到了尤其重要的推動(dòng)作用。