廣域無線平台實現新一代物聯網系統

作者：Emmanuel Gresset, CEVA公司無線業務部業務開發總監

通過智能手機和平板電腦，移動無線通信已經徹底改變了人們的工作方式。廣域無線連接可以從任何地方訪問互聯網伺服器。而下一步是把無線通信的力量傳播到機器類型通信上(MTC)。這將在跨越行業的製造、城市管理、交通和能源服務中掀起一場變革。

沿著道路的感測器將交通流量信息傳達給往來的車輛，讓他們自由地移動。相同的數據可以通知客戶貨物預計到達的時間。附近其它感測器會跟蹤水分和空氣污染水平,確保空氣是新鮮健康的，並且植物獲得了足夠的水分和營養物質。所有這些感測器將使用無線通信技術與雲端伺服器保持聯繫，同時他們將使用其它無線服務,如全球導航衛星系統(GNSS)網路跟蹤其位置。

位置識別不僅對移動感測器(如安裝在運輸卡車上的)是至關重要的，對於那些在使用周期里固定位置的環境感測器也很幫助。位置識別可以降低感測器部署成本,讓他們準確地報告所在位置而無需操作員干預，並且在無意或者有意移動後發出信號。

1 LPWAN的必要性

廣泛分布的感測器和物聯網節點對於支持低功耗廣域網路(LPWAN)應用來說是必要的。現有的許多物聯網應用程序都建立在短程協議如6Lowpan，藍牙和Zigbee之上，受到幾百米範圍的局限，不足以支撐新一代大規模的MTC系統。

為LPWAN應用設計的協議提供的通信能力可以覆蓋一公里之間的節點，或者通過最近的網關和節點擴大距離。這樣的通信範圍大大降低了部署成本，包括農業所需的環境感測器等設備，用於監控公路、鐵路和河流的物聯網節點，以及家用的智能電錶。此外LPWAN的典型頻率可以直接到達埋在地下或者放置在地下室的設備，而無需額外部署昂貴的網關。

MTC實現有很多可選項，包括訪問未經授權和授權的頻段。LoRA 標註工作在未經授權的頻段，數據速率高達12.5kbit/s。未經授權的頻段似乎可以提供更低的運營成本，但在實際操作中，用戶仍然需要部署自己的網關或租用第三方提供的設備。依賴未經授權的頻段也會導致更高的風險，受到來自同頻段其他用戶的干擾。此外,LoRA 技術授權的方式會限制晶元供應商的數量，防止被集成到定製化的低成本單晶元物聯網控制器中。

2蜂窩通信增加了選項

另一方面蜂窩通訊由於使用授權頻段，可以防止很多干擾，為晶元集成商提供了更多的整體靈活性和自由度。3GPP標準組織定義了一系列IoT-ready的協議，最新定義的是窄帶IoT(NB-IoT)。它能夠支持穿透地下的信號，這類似於GSM的增強覆蓋形式。NB-IoT將數據速率從10kbit/s 提高到50kbit/s，增強的功能不僅可以改善系統性能,還可以節約能源。

3GPP對於數據吞吐量的標準化進程重點關注能源效率，不斷改進以繼續提高性能。例如NB-IoT標準Release 14中，3GPP委員會專家發現在傳輸過程中保持相對較高的吞吐量是比限制比特率更好的辦法，這使得物聯網節點更快地完成傳輸並且快速進入節電休眠模式。這樣一來消耗在傳輸過程中的功耗就減少了(它主要由功率放大器(PA)實現)。運營商致力於盡快部署Release 14,確保現在開始開發的設備能夠支持現實世界的網路。

3 NB-IoT的架構

要完成對NB-IoT的支持，就需要一個高效的計算架構來處理，在一個特有的處理器上完成高峰值數據速率所需的信號處理，modem 協議棧和運行感測器應用程序代碼。如果這三個任務可以在同一個處理器子系統上完成，相較於雙核處理器實現就節省了硅成本和功耗。CEVA分析了移動物聯網標準，發現在嚴格的功耗預算下，採用專用指令處理高數據吞吐流水線比外掛硬體加速器的整體性能更優。

CEVA-X1處理器結合了NB-IoT專用指令和超長指令字(VLIW)以及單指令多數據(SIMD)架構提供，有效支持了LPWAN兼容的物聯網節點。處理器使用多達10級的流水線設計支持DSP密集型代碼，並添加了許多增強設計支持跳轉分支密集型代碼，不僅適用於NB-IoT協議，也適用於嵌入式控制。這樣的設計保證一個處理器就可以支持NB-IoT的全部需求，而不需要添加額外的協處理器。

如果晶元實現上處理器運行在150MHz，其中一半的處理器性能可以運行應用程序，同時,DSP核正在NB-IoT通道上傳送或接收數據。

4完整的NB-IoT平台

更進一步，CEVA的Dragonfly NB平台包括CEVA-X1處理器和合作夥伴ASTRI提供的軟體支持，再加上針對物聯網節點進行節能設計的外設。因為許多LPWAN兼容的物聯網節點應用程序需要識別位置，射頻收發器同時支持蜂窩移動和GNSS信號。這種低中頻架構完成RF到基帶數據的轉換，可以集成和直接連接一個數字前端單元(DFE)。收發器提供了一個片上數字振蕩器，以避免使用一個更昂貴的片外壓控溫度補償裝置。

DFE提供下採樣濾波器，保持基站和數據進出處理器內存空間的同步，自動最小化軟體干預，進一步節約能耗。

一個完整的軟體棧為NB-IoT和GNSS提供了端到端支持，通過RTOS操作系統管理數據通信和用戶應用程序任務。所以說這是一個為新一代大規模MTC系統而設計的平台，可以支持快速開發物聯網的應用程序。

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