廣域無線平臺實現(xiàn)新一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

作者/Emmanuel Gresset, CEVA公司無線業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)

       通過智能手機和平板電腦，移動無線通信已經(jīng)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(lián)網(wǎng)服務(wù)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(yè)的制造、城市管理、交通和能源服務(wù)中掀起一場變革。

　　沿著道路的傳感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(shù)據(jù)可以通知客戶貨物預(yù)計到達的時間。附近其它傳感器會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養(yǎng)物質(zhì)。所有這些傳感器將使用無線通信技術(shù)與云端服務(wù)器保持聯(lián)系，同時他們將使用其它無線服務(wù),如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)網(wǎng)絡(luò)跟蹤其位置。

　　位置識別不僅對移動傳感器(如安裝在運輸卡車上的)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(zhǔn)確地報告所在位置而無需操作員干預(yù)，并且在無意或者有意移動后發(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(jié)點對于支持低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)應(yīng)用來說是必要的?，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LPWAN應(yīng)用設(shè)計的協(xié)議提供的通信能力可以覆蓋一公里之間的節(jié)點，或者通過最近的網(wǎng)關(guān)和節(jié)點擴大距離。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，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(shè)備，而無需額外部署昂貴的網(wǎng)關(guān)。

　　MTC實現(xiàn)有很多可選項，包括訪問未經(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12.5kbit/s。未經(jīng)授權(quán)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(wǎng)關(guān)或租用第三方提供的設(shè)備。依賴未經(jīng)授權(quán)的頻段也會導(dǎo)致更高的風(fēng)險，受到來自同頻段其他用戶的干擾。此外,LoRA 技術(shù)授權(quán)的方式會限制芯片供應(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

　　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，這類似于GSM的增強覆蓋形式。NB-IoT將數(shù)據(jù)速率從10kbit/s 提高到50kbit/s，增強的功能不僅可以改善系統(tǒng)性能,還可以節(jié)約能源。

　　3GPP對于數(shù)據(jù)吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)化進程重點關(guān)注能源效率，不斷改進以繼續(xù)提高性能。例如NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)Release 14中，3GPP委員會專家發(fā)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)節(jié)點更快地完成傳輸并且快速進入節(jié)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(xiàn))。運營商致力于盡快部署Release 14,確保現(xiàn)在開始開發(fā)的設(shè)備能夠支持現(xiàn)實世界的網(wǎng)絡(luò)。

　　3 NB-IoT的架構(gòu)

　　要完成對NB-IoT的支持，就需要一個高效的計算架構(gòu)來處理，在一個特有的處理器上完成高峰值數(shù)據(jù)速率所需的信號處理，modem 協(xié)議棧和運行傳感器應(yīng)用程序代碼。如果這三個任務(wù)可以在同一個處理器子系統(tǒng)上完成，相較于雙核處理器實現(xiàn)就節(jié)省了硅成本和功耗。CEVA分析了移動物聯(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。處理器使用多達10級的流水線設(shè)計支持DSP密集型代碼，并添加了許多增強設(shè)計支持跳轉(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(xié)處理器。

　　如果芯片實現(xiàn)上處理器運行在150MHz，其中一半的處理器性能可以運行應(yīng)用程序，同時,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

　　更進一步，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(jié)點進行節(jié)能設(shè)計的外設(shè)。因為許多LPWAN兼容的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應(yīng)用程序需要識別位置，射頻收發(fā)器同時支持蜂窩移動和GNSS信號。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數(shù)字前端單元(DFE)。收發(fā)器提供了一個片上數(shù)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提供下采樣濾波器，保持基站和數(shù)據(jù)進出處理器內(nèi)存空間的同步，自動最小化軟件干預(yù)，進一步節(jié)約能耗。

　　一個完整的軟件棧為NB-IoT和GNSS提供了端到端支持，通過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)。所以說這是一個為新一代大規(guī)模MTC系統(tǒng)而設(shè)計的平臺，可以支持快速開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序。