广域无线平台实现新一代物联网系统

Emmanuel Gresset，CEVA无线业务部门业务发展总监

透过智能手机和平板电脑，移动无线通讯已经彻底改变了人们的工作方式…

广域无线连接可以从任何地方存取网际网路服务器。而下一步是把无线通讯的力量传播到机器类型通讯上(MTC)。这将在跨越产业的制造、城市管理、交通和能源服务中掀起一场变革。

沿着道路的传感器将交通流量资讯传达给往来的车辆，让他们自由地移动。相同的数据可以通知客户货物预计到达的时间。附近其他传感器会追踪水份和空气污染程度，确保空气是新鲜健康的，并且让植物获得足够的水份和营养物质。所有这些传感器将使用无线通讯技术与云端传感器保持联系，他们还将同时使用其他无线服务，如全球导航卫星系统(GNSS)网路追踪其位置。

位置辨识不仅对移动传感器(如安装在运输卡车上的)是至关重要的，对于那些在使用周期中固定位置的环境传感器也很帮助。位置辨识可以降低传感器部署成本，让他们准确地报告所在位置而无需操作员干预，并且在无意或者有意的动作后发出讯号。

LPWAN的必要性

广泛分布的传感器和物联网节点对于支持低功耗广域网路(LPWAN)应用来说是必要的。现有的许多物联网应用程式都建立在短程协议如6Lowpan、蓝牙和Zigbee之上，受到几百米范围的局限，不足以支撑新一代大规模的MTC系统。

为LPWAN应用设计的协议所提供的通讯能力可以覆盖一公里之间的节点，或者透过最近的闸道器和节点扩大距离。这样的通讯范围大幅降低了部署成本，包括农业所需的环境传感器等设备，用于监控公路、铁路和河流的物联网节点，以及家用的智慧电表。此外，LPWAN的典型频率可以直接到达埋在地下或者放置在地下室的设备，而无需额外部署昂贵的闸道器。

建置MTC有很多选项，包括存取免授权和授权的频段。LoRA标注工作在免授权的频段，数据速率高12.5kbit/s。免授权的频段似乎可以提供更低的营运成本，但在实际操作中，用户仍然需要部署自己的闸道器或租用第三方提供的设备。依赖免授权的频段也会导致更高的风险，受到来自同频段其他用户的干扰。此外，LoRA技术授权的方式会限制芯片供应商的数量，防止被整合到客制化的低成本单芯片物联网控制器中。

蜂巢式通讯增加选择

另一方面蜂巢式通讯由于使用授权频段，可以防止很多干扰，为芯片整合商提供了更多的整体灵活性和自由度。3GPP标准组织定义了一系列IoT-ready的协议，最新定义的是窄频IoT(NB-IoT)。它能够支援穿透地下的信号，这类似于GSM的增强覆盖形式。NB-IoT将数据速率从10kbit/s 提高到50kbit/s，增强的功能不仅可以改善系统性能，还可以节约能源。

3GPP对于数据吞吐量的标准化进程重点关注能源效率，不断改进以继续提高性能。例如NB-IoT标准Release 14中，3GPP委员会专家发现在传输过程中保持相对较高的吞吐量是比限制位元率更好的办法，这使得物联网节点更快地完成传输并且快速进入节电休眠模式。这样一来消耗在传输过程中的功耗就减少了——它主要由功率放大器(PA)实现。营运商致力于尽快部署Release 14，确保现在开始开发的设备能够支援现实世界的网路。

NB-IoT的架构

要能支持NB-IoT，就需要一个高效的运算架构来处理，在一个专有的处理器上完成高峰值数据速率所需的讯号处理，数据机(modem)协议堆叠和执行感测器应用程式码。如果这三个任务可以在同一个处理器子系统上完成，相较于双核心处理器建置就节省了矽成本和功耗。例如，CEVA分析了蜂巢式物联网标准，发现在严格的功耗预算下，采用专用指令处理高数据吞吐流水线比外挂硬件加速器的整体性能更优。

CEVA-X1处理器结合了NB-IoT专用指令和超长指令字(VLIW)以及单指令多数据(SIMD)架构提供，有效支援LPWAN相容的物联网节点。处理器使用多达10级的流水线设计支持DSP密集型代码，并添加了许多增强设计支持跳转分支密集型代码，不仅适用于NB-IoT协议，也适用于嵌入式控制。这样的设计保证一个处理器就可以支持NB-IoT的全部需求，而不需要添加额外的协处理器。

如果芯片建置时处理器执行于150MHz，其中一半的处理器性能可以执行应用程式，同时，DSP核心正在NB-IoT通道上传送或接收数据。

完整的NB-IoT平台

更进一步，CEVA的Dragonfly NB平台包括CEVA-X1处理器和合作伙伴ASTRI提供的软件支持，再加上针对物联网节点进行节能设计的周装置。因为许多LPWAN相容的物联网节点应用程式需要辨识位置，射频收发器同时支持蜂巢式移动和GNSS讯号。这种低中频架构完成RF到基频数据的转换，可以整合和直接连接一个数字前端单元(DFE)。收发器提供了一个芯片上数字振荡器，因而无需再使用更昂贵的芯片外压控温度补偿装置。

DFE提供次采样滤波器，保持基地台和数据进出处理器存储器空间的同步，自动最小化软体干预，进一步节约能耗。

此外，一个完整的软件堆叠为NB-IoT和GNSS提供了端到端支持，透过RTOS作业系统管理数据通讯和用户应用程式任务。透过这个为新一代大规模MTC系统而设计的平台，可望支援快速开发物联网的应用。