廣域無(wú)線平臺(tái)實(shí)現(xiàn)新一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

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

       通過(guò)智能手機(jī)和平板電腦，移動(dòng)無(wú)線通信已經(jīng)徹底改變了人們的工作方式。廣域無(wú)線連接可以從任何地方訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。而下一步是把無(wú)線通信的力量傳播到機(jī)器類型通信上(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。

　　沿著道路的傳感器將交通流量信息傳達(dá)給往來(lái)的車輛，讓他們自由地移動(dòng)。相同的數(shù)據(jù)可以通知客戶貨物預(yù)計(jì)到達(dá)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(yǎng)物質(zhì)。所有這些傳感器將使用無(wú)線通信技術(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)線服務(wù),如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)網(wǎng)絡(luò)跟蹤其位置。

　　位置識(shí)別不僅對(duì)移動(dòng)傳感器(如安裝在運(yùn)輸卡車上的)是至關(guān)重要的，對(duì)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(shí)別可以降低傳感器部署成本,讓他們準(zhǔn)確地報(bào)告所在位置而無(wú)需操作員干預(yù)，并且在無(wú)意或者有意移動(dòng)后發(fā)出信號(hào)。

　　1 LPWAN的必要性

　　廣泛分布的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)于支持低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是必要的?，F(xiàn)有的許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都建立在短程協(xié)議如6Lowpan，藍(lán)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(guī)模的MTC系統(tǒng)。

　　為L(zhǎng)PWAN應(yīng)用設(shè)計(jì)的協(xié)議提供的通信能力可以覆蓋一公里之間的節(jié)點(diǎn)，或者通過(guò)最近的網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大距離。這樣的通信范圍大大降低了部署成本，包括農(nóng)業(yè)所需的環(huán)境傳感器等設(shè)備，用于監(jiān)控公路、鐵路和河流的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)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(dá)埋在地下或者放置在地下室的設(shè)備，而無(wú)需額外部署昂貴的網(wǎng)關(guān)。

　　MTC實(shí)現(xiàn)有很多可選項(xiàng)，包括訪問(wèn)未經(jīng)授權(quán)和授權(quán)的頻段。LoRA 標(biāo)注工作在未經(jīng)授權(quán)的頻段，數(shù)據(jù)速率高達(dá)12.5kbit/s。未經(jīng)授權(quán)的頻段似乎可以提供更低的運(yùn)營(yíng)成本，但在實(shí)際操作中，用戶仍然需要部署自己的網(wǎng)關(guān)或租用第三方提供的設(shè)備。依賴未經(jīng)授權(quán)的頻段也會(huì)導(dǎo)致更高的風(fēng)險(xiǎn)，受到來(lái)自同頻段其他用戶的干擾。此外,LoRA 技術(shù)授權(quán)的方式會(huì)限制芯片供應(yīng)商的數(shù)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(xiàng)

　　另一方面蜂窩通訊由于使用授權(quán)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(biāo)準(zhǔn)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(hào)，這類似于GSM的增強(qiáng)覆蓋形式。NB-IoT將數(shù)據(jù)速率從10kbit/s 提高到50kbit/s，增強(qiáng)的功能不僅可以改善系統(tǒng)性能,還可以節(jié)約能源。

　　3GPP對(duì)于數(shù)據(jù)吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程重點(diǎn)關(guān)注能源效率，不斷改進(jìn)以繼續(xù)提高性能。例如NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)Release 14中，3GPP委員會(huì)專家發(fā)現(xiàn)在傳輸過(guò)程中保持相對(duì)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(jié)點(diǎn)更快地完成傳輸并且快速進(jìn)入節(jié)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(xiàn))。運(yùn)營(yíng)商致力于盡快部署Release 14,確保現(xiàn)在開(kāi)始開(kāi)發(fā)的設(shè)備能夠支持現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)。

　　3 NB-IoT的架構(gòu)

　　要完成對(duì)NB-IoT的支持，就需要一個(gè)高效的計(jì)算架構(gòu)來(lái)處理，在一個(gè)特有的處理器上完成高峰值數(shù)據(jù)速率所需的信號(hào)處理，modem 協(xié)議棧和運(yùn)行傳感器應(yīng)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(tǒng)上完成，相較于雙核處理器實(shí)現(xiàn)就節(jié)省了硅成本和功耗。CEVA分析了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)在嚴(yán)格的功耗預(yù)算下，采用專用指令處理高數(shù)據(jù)吞吐流水線比外掛硬件加速器的整體性能更優(yōu)。

　　CEVA-X1處理器結(jié)合了NB-IoT專用指令和超長(zhǎng)指令字(VLIW)以及單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)架構(gòu)提供，有效支持了LPWAN兼容的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。處理器使用多達(dá)10級(jí)的流水線設(shè)計(jì)支持DSP密集型代碼，并添加了許多增強(qiáng)設(shè)計(jì)支持跳轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(xiàn)上處理器運(yùn)行在150MHz，其中一半的處理器性能可以運(yùn)行應(yīng)用程序，同時(shí),DSP核正在NB-IoT通道上傳送或接收數(shù)據(jù)。

　　4完整的NB-IoT平臺(tái)

　　更進(jìn)一步，CEVA的Dragonfly NB平臺(tái)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的外設(shè)。因?yàn)樵S多LPWAN兼容的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序需要識(shí)別位置，射頻收發(fā)器同時(shí)支持蜂窩移動(dòng)和GNSS信號(hào)。這種低中頻架構(gòu)完成RF到基帶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可以集成和直接連接一個(gè)數(shù)字前端單元(DFE)。收發(fā)器提供了一個(gè)片上數(shù)字振蕩器，以避免使用一個(gè)更昂貴的片外壓控溫度補(bǔ)償裝置。

　　DFE提供下采樣濾波器，保持基站和數(shù)據(jù)進(jìn)出處理器內(nèi)存空間的同步，自動(dòng)最小化軟件干預(yù)，進(jìn)一步節(jié)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(tǒng)管理數(shù)據(jù)通信和用戶應(yīng)用程序任務(wù)。所以說(shuō)這是一個(gè)為新一代大規(guī)模MTC系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的平臺(tái)，可以支持快速開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序。