廣域無(wú)線(xiàn)平臺實(shí)現新一代物聯(lián)網(wǎng)系統

作者/Emmanuel Gresset, CEVA公司無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監

       通過(guò)智能手機和平板電腦，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)徹底改變了人們的工作方式。廣域無(wú)線(xiàn)連接可以從任何地方訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。而下一步是把無(wú)線(xiàn)通信的力量傳播到機器類(lèi)型通信上(MTC)。這將在跨越行業(yè)的制造、城市管理、交通和能源服務(wù)中掀起一場(chǎng)變革。

　　沿著(zhù)道路的傳感器將交通流量信息傳達給往來(lái)的車(chē)輛，讓他們自由地移動(dòng)。相同的數據可以通知客戶(hù)貨物預計到達的時(shí)間。附近其它傳感器會(huì )跟蹤水分和空氣污染水平,確?？諝馐切迈r健康的，并且植物獲得了足夠的水分和營(yíng)養物質(zhì)。所有這些傳感器將使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與云端服務(wù)器保持聯(lián)系，同時(shí)他們將使用其它無(wú)線(xiàn)服務(wù),如全球導航衛星系統(GNSS)網(wǎng)絡(luò )跟蹤其位置。

　　位置識別不僅對移動(dòng)傳感器(如安裝在運輸卡車(chē)上的)是至關(guān)重要的，對于那些在使用周期里固定位置的環(huán)境傳感器也很幫助。位置識別可以降低傳感器部署成本,讓他們準確地報告所在位置而無(wú)需操作員干預，并且在無(wú)意或者有意移動(dòng)后發(fā)出信號。

　　1 LPWAN的必要性

　　廣泛分布的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)對于支持低功耗廣域網(wǎng)絡(luò )(LPWAN)應用來(lái)說(shuō)是必要的?，F有的許多物聯(lián)網(wǎng)應用程序都建立在短程協(xié)議如6Lowpan，藍牙和Zigbee之上，受到幾百米范圍的局限，不足以支撐新一代大規模的MTC系統。

　　為L(cháng)PWAN應用設計的協(xié)議提供的通信能力可以覆蓋一公里之間的節點(diǎn)，或者通過(guò)最近的網(wǎng)關(guān)和節點(diǎn)擴大距離。這樣的通信范圍大大降低了部署成本，包括農業(yè)所需的環(huán)境傳感器等設備，用于監控公路、鐵路和河流的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)，以及家用的智能電表。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(wú)需額外部署昂貴的網(wǎng)關(guān)。

　　MTC實(shí)現有很多可選項，包括訪(fǎng)問(wèn)未經(jīng)授權和授權的頻段。LoRA 標注工作在未經(jīng)授權的頻段，數據速率高達12.5kbit/s。未經(jīng)授權的頻段似乎可以提供更低的運營(yíng)成本，但在實(shí)際操作中，用戶(hù)仍然需要部署自己的網(wǎng)關(guān)或租用第三方提供的設備。依賴(lài)未經(jīng)授權的頻段也會(huì )導致更高的風(fēng)險，受到來(lái)自同頻段其他用戶(hù)的干擾。此外,LoRA 技術(shù)授權的方式會(huì )限制芯片供應商的數量，防止被集成到定制化的低成本單芯片物聯(lián)網(wǎng)控制器中。

　　2蜂窩通信增加了選項

　　另一方面蜂窩通訊由于使用授權頻段，可以防止很多干擾，為芯片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(xié)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(lèi)似于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對于數據吞吐量的標準化進(jìn)程重點(diǎn)關(guān)注能源效率，不斷改進(jìn)以繼續提高性能。例如NB-IoT標準Release 14中，3GPP委員會(huì )專(zhuān)家發(fā)現在傳輸過(guò)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(lián)網(wǎng)節點(diǎn)更快地完成傳輸并且快速進(jìn)入節電休眠模式。這樣一來(lái)消耗在傳輸過(guò)程中的功耗就減少了(它主要由功率放大器(PA)實(shí)現)。運營(yíng)商致力于盡快部署Release 14,確?，F在開(kāi)始開(kāi)發(fā)的設備能夠支持現實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò )。

　　3 NB-IoT的架構

　　要完成對NB-IoT的支持，就需要一個(gè)高效的計算架構來(lái)處理，在一個(gè)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(xié)議棧和運行傳感器應用程序代碼。如果這三個(gè)任務(wù)可以在同一個(gè)處理器子系統上完成，相較于雙核處理器實(shí)現就節省了硅成本和功耗。CEVA分析了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)標準，發(fā)現在嚴格的功耗預算下，采用專(zhuān)用指令處理高數據吞吐流水線(xiàn)比外掛硬件加速器的整體性能更優(yōu)。

　　CEVA-X1處理器結合了NB-IoT專(zhuān)用指令和超長(cháng)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(lián)網(wǎng)節點(diǎn)。處理器使用多達10級的流水線(xiàn)設計支持DSP密集型代碼，并添加了許多增強設計支持跳轉分支密集型代碼，不僅適用于NB-IoT協(xié)議，也適用于嵌入式控制。這樣的設計保證一個(gè)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(xié)處理器。

　　如果芯片實(shí)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(shí),DSP核正在NB-IoT通道上傳送或接收數據。

　　4完整的NB-IoT平臺

　　更進(jìn)一步，CEVA的Dragonfly NB平臺包括CEVA-X1處理器和合作伙伴ASTRI提供的軟件支持，再加上針對物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)進(jìn)行節能設計的外設。因為許多LPWAN兼容的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)應用程序需要識別位置，射頻收發(fā)器同時(shí)支持蜂窩移動(dòng)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(gè)數字前端單元(DFE)。收發(fā)器提供了一個(gè)片上數字振蕩器，以避免使用一個(gè)更昂貴的片外壓控溫度補償裝置。

　　DFE提供下采樣濾波器，保持基站和數據進(jìn)出處理器內存空間的同步，自動(dòng)最小化軟件干預，進(jìn)一步節約能耗。

　　一個(gè)完整的軟件棧為NB-IoT和GNSS提供了端到端支持，通過(guò)RTOS操作系統管理數據通信和用戶(hù)應用程序任務(wù)。所以說(shuō)這是一個(gè)為新一代大規模MTC系統而設計的平臺，可以支持快速開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的應用程序。