如何在IC设计上构建自己的蜂窝模块？

物联网工程师是专家的专家。他们知道计算机科学、硬件设计，以及如何将功能集与特定用例相结合。他们了解微控制器、固件和网络。他们知道如何将这些元素组合在一起，为用户带来真正的价值。但即使有这样的专业知识，您也不必从头开始构建物联网产品的每个元素。

例如，以蜂窝模块为例，即在蜂窝物联网设备上发送和接收数据的芯片组和软件。随着物联网专用蜂窝技术（如Cat 1、NB-IoT和LTE-M）的兴起，通过移动网络连接产品从未如此流行。事实上，预计2022年至2026年，蜂窝物联网市场将增长近一倍，预计到后一年，全球价值将达到610亿美元。

但蜂窝连接有很多变量，创建这些物联网连接的模块很复杂。有了合适的团队，你当然可以建立自己的团队。问题是，除非你大规模部署，在现场部署了数百万台设备，否则你很少会看到投资的回报。

此外，还有大量灵活、可靠的蜂窝模块可用。其中一些旨在简化虚拟即插即用，其特点是嵌入式SIM卡具有预配置的网络访问、电源管理固件，甚至可以通过移动虚拟网络运营商（MVNO）实现预付费连接。如果您正在将物联网功能添加到现有产品中或向除最大市场之外的任何市场销售，那么明智的业务举措通常是与物联网模块提供商合作，而不是尝试自己构建。

为什么？一句话：复杂性。以下是构建蜂窝物联网模块所需的步骤，以及为什么从可信合作伙伴处采购模块和支持服务通常是更好的选择。

蜂窝模块设计的四个要素

构建蜂窝模块不是一项简单的任务；这是一个广泛的设计项目，涵盖了计算机科学的多个组成部分和领域，每个领域都需要自己的深入专业知识。从本质上讲，设计蜂窝模块需要对以下四个要素进行大量工作：

#1： 硬件设计

让我们从蜂窝模块的物理部分开始：调制解调器、天线和处理数据流量的微控制器单元（MCU）。只有调制解调器制造商才可能从头开始制造调制解调器。这意味着您必须购买符合您使用案例技术要求的第三方调制解调器，包括区域部署、带宽需求和适当的功耗。

您需要选择天线（用于单天线蜂窝技术，如Cat 1 bis）或天线（用于双天线应用）。你需要一个与调制解调器无缝对接的MCU，处理将设备连接到用户应用程序的处理。在全球供应链中断之际，无法保证所有这三种技术都能获得或负担得起。

但选择合适的设备只是开始：

要使调制解调器正常工作，必须长时间与制造商的现场应用工程师密切合作。

要传输数据，您必须完美地集成天线。

您需要优化各种蜂窝频段和连接选项的集成。

即使您优化了硬件，还有一个重要步骤：法规遵从性。您的硬件必须经过PTCRB认证，以确保在全球网络上的互操作性。此外，根据您部署设备的位置，您还需要获得美国联邦通信委员会（FCC）、欧盟（CE标志）和/或其他地区当局的认证。这些认证并不便宜，而且需要大量的工作才能获得。

#2： 固件开发

即使是经验丰富的固件开发人员，在使用蜂窝模块时也可能需要学习很多东西，这是一个充满深度专业知识的领域。为了说明复杂性，这里是一个不完整的任务列表，供在定制物联网芯片上工作的固件开发人员使用：

为固件堆栈选择生态系统：（Zephyr、FreeRTOS、ThreadX、Linux等）

确保生态系统完全支持您选择的调制解调器和芯片组

编写一个新的调制解调器驱动程序，能够包装所有调制解调器功能的AT命令

调试驱动程序中的所有AT命令

为MCU设计全天候更新

为设备上的物理内存选择加密技术（VPN、安全元素、TLS等）

决定如何将邮件打包到设备和从设备打包邮件

选择数据的结构化格式（协议缓冲区、JSON等）

当然，一旦编写了固件，您就必须对其进行维护。当您构建自定义蜂窝模块时，您可以在系统的整个生命周期内自行完成。

#3： 云开发

固件处理设备上的数据处理。为了实现真正的连接，您还需要支持您独特用例的云服务。这需要广泛的云开发，包括但不限于以下工作：

设备服务的全面开发，能够远程安装和更新固件

定义云架构，为所有微服务选择理想的技术

将所有设备完全集成到云服务中（请注意，主要的云供应商只提供端点和证书，其余由您决定）

创建流畅的设备入职流程

定义所有潜在的故障状态，并针对每个故障状态中的正常故障和恢复实施修复

传输之间数据的临时存储

对于开发人员来说，所有这些云开发可能是一种不受欢迎的干扰，他们宁愿专注于用户应用程序和设备功能，这些是客户实际体验的解决方案的一部分。

#4： MVNO运营商集成

工作的蜂窝模块的最后一部分不是你能控制的：它是与MVNO的合作伙伴关系，MVNO是处理你对网络本身访问的连接提供商。根据您选择的MVNO，您的设备可能仅限于特定类型的SIM卡（多SMSI、eSIM、iSIM、本机SIM卡等）。

一旦您的SIM卡技术与MVNO的系统相一致，您就有更多的决定要做。您将需要一个平台，允许您激活和停用设备，并管理沿途的数据消耗。您必须将云应用程序与连接平台集成。您需要预测系统的数据使用情况；这对于成功与MVNO协商至关重要，MVNO可能会根据数据速率收费。

蜂窝模块竞争

在模块设计过程的每一个阶段，您都将面临竞争，除非您在市场上占有巨大的地位，否则您将无法获得规模经济。这意味着与大型竞争对手相比，您将为SIM卡和数据支付更多的费用。

这是与集成模块供应商合作而不是构建自己的物联网芯片的另一个商业理由。这些供应商利用规模经济降低连接价格。更好的是，它们为您节省了构建自己的蜂窝模块的成本和难度，请放心，本文只触及了复杂性的表面。

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