实现用于IoT及M2M应用的LTE Cat 1通信

2004年，NTTDoCoMo首次提出高速蜂窝通信标准——长期演进技术(LTE)，通常称为4G，或根据其原数据传输速率等级分类被称为Cat4，随着技术的进步仍在不断发展。高宽带通信诞生于第三代合作伙伴计划，3GPP,目前正朝向热议的5G标准迈进。在5G时代，城区的网速可达到100Mbps，在单层办公室环境中可达到1Gbps。虽然很多应用会从这一数据传输速率上的重大进步中受益，但其数据量和吞吐率不能保证相关成本及功率分布高速率要求的情况也日益增多。

随着最近M2M及IoT应用呈现指数级的增长，对于相对较低带宽、更高时延以及更低成本的通信链路的需求也在日益增加。该等应用一般为传感器或执行器，所需发送的数据数量很少，且频率可能仅每分钟几次。对于一些设备而言，如温度传感器，其只有在温度在指定数值范围内变化时才需要通信。考虑到这一要求，蜂窝行业一直致力于在其网络内提供该等低功耗广域网(LPWA)。窄带物联网，又称NB-IoT或LTECatNB1，2015年沃达丰、华为及u-blox对其进行首次测试，2017年进行全面的商业投放。NB-IoT的200kHz窄带宽可提供10kbps的数据传输。最重要的是，作为一个得到20多家蜂窝运营商支持的标准，其具备授权频谱运营蜂窝网络中相关的所有安全和保障。见图1。通过NB-IoT，IoT传感器系列的众多产品都可以连接至安全、成熟且久经考验的蜂窝网络。

    图1——LTE路线图（含Cat1）

图1所示为LTE的路线图以及LPWA技术子组的路线，如窄带物联网/CatNB1，其针对的是广泛的低功耗、低数据传输速率应用。随着IoT应用开始成为常态，不同应用的多元化也日益普遍。虽然目前为止我们提到了数据通信的极端情况，Cat3/4（<100/150Mbps下载和50Mbps上传）以及CatNB1（>10kbps半双工下载和上传），但是越来越多的互联设备需要介于这两者之间的带宽能力。图1中蓝色线条所示为LPWA的路线图，其中Cat1为最新的基于LPWALTE的技术。LTECat1的上传吞吐率可达到5Mbps，下载吞吐率可达到10Mbps，能够为诸如远距离通信、资产跟踪、安全和视频等IoT应用提供可行的连接方法。Cat1不仅能够提供充分的数据传输速率，而且时延通常为10–15ms，相较而言，CatNB1在覆盖条件较差的条件下时延常达数秒。比较起来，LTECat5的时延尚不到5ms。

当计划实现无线连接链路时，开发人员不仅需要了解链路本身所要求的特性，而且需要对安全方面进行更全面的评估。事实证明，打造一条信任链是实现这一目的的常用方法，基本上就是将进程分解成一系列信任域。例如，在u-blox，我们就采用了一种名为“五大支柱”的方法。

图2——建立无线通信信任链

一般来说，使用任何一种无线模块时，无论是带或不带GNSS接收器，以下方面都可以确定可能的安全漏洞或攻击：设备固件、与服务器的通信、接口安全、执行API控制和稳健性，包括处理欺骗/干扰。

越来越多的事实表明，为确保您的设备执行正确的软件应采用安全的启动方法，在启动下一个处理阶段前验证初始代码是最好的方法。尤其是对于无线固件升级(FOTA)而言，该功能在地理分布较为分散的IoT/M2M传感器池中作用十分显著，其提供了一个可能的攻击面，因此，需要在新下载固件图像闪现前对其进行验证。

从传输层开始就需要让设备可以通过主服务器进行自我验证，反之亦然。推荐使用签名和/或加密通信，无线模块应具备管理签名、加密及解密用钥匙的资源。随着中间人攻击越来越普遍，防止通信数据被拦截或泄漏就尤为重要。

另一个安全考量便是API的使用。很遗憾地是，人们常常忽略设备性能入口以及安全影响。那些意图利用或危害某一设备的人通常有大把的时间去寻找开放API，并探究其与设备功能之间的关系。有时，包含在代码内的API不仅能够接入标准特性和功能，还能够接入增值服务或付费服务。同时，开发者也常为自身测试提供未记录的API和配置，所以，也必须对此进行保护。因此，应采用正式验证和授权技术允许或启用该等API。

符合该五大支柱信任链方法的LTECat1无线模块范例便是来自u-blox的LARA-R3系列——见图3。

图3——LTECat1模块示例——u-bloxLARA-R3121

LGA型封装低功率LARA-R3121模块尺寸仅为24.0x26.0x2.6mm，符合LTECat1的中等速度、5Mb/s上传速度、10Mb/s下载速度的要求。其还包含一72通道GNSS接收器、九个可配置GPIO，工作电源电压范围为3.3至4.4直流电压。可通过串行UART或USB2.0与主机应用通信。另外，还提供SPI及I2C接口。模块的软件和安全特性包括嵌入式TCP/IP、UDP/IP栈、安全传输套接字(HTTP、FTPS、TLS1.2)支持以及FOTA升级功能。此外，还内置有安全启动及验证特性。

和很多无线模块一样，其也是通过使用行业标准Hayes“AT”命令集实现与主机的通信，点击此处查看完整列表。该命令集覆盖了模块特性控制、数据链接配置和设置以及FOTA升级管理的各个方面，提供了综合性的资源。在无线产业应用中，采用“AT”指令能够简化不同供应商产品之间的迁移，提供第二供货源（若最终设计需要的话）。

   图4——u-bloxLARA-R3121的演进平台

EVK-R312具有稳定的电源、SIM卡、扩展I/O功能，提供了一种突破LARA-R3121模块功能的方法。见图5。

图5——EVK-R312功能方块图

LTECat1能够满足一系列要求更高数据吞吐率以及更低时延规格的LPWAIoT、M2M以及远程信息处理应用的需求。诸如安全及监控等基于视频的应用在推动带宽和时延要求方面起到了尤其重要的推动作用。