如何應(yīng)對NB-IoT系統(tǒng)的低功耗挑戰(zhàn)？

當(dāng)今世界大大小小的角落，需要聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程設(shè)備不斷增加。雖然各大公司一直在強(qiáng)調(diào)以高速為賣點(diǎn)的4G/5G技術(shù)的普及度，但是這類技術(shù)的實(shí)施成本通常非常高昂，更加適用于高能耗的終端產(chǎn)品。對于那些不需要高吞吐量、高數(shù)據(jù)速率，但仍需要一定程度的連接性和可靠性，同時(shí)還要能夠滿足低成本、低功耗和低復(fù)雜性要求的應(yīng)用，部署此類技術(shù)是不切實(shí)際的。

為了滿足此類應(yīng)用的需求，并且仍能夠受益于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，3GPP 定義了窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 無線電接口，在傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)無法輕易覆蓋的位置采用廣域蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供IoT服務(wù)。

NB-IoT成為蜂窩IoT連接的首選技術(shù)

根據(jù)愛立信移動(dòng)市場報(bào)告，通過NB-IoT和 LTE-M 技術(shù)連接的IoT設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)超過2G/3G連接的IoT設(shè)備，并在2027年超過寬帶IoT，屆時(shí)，將會(huì)有51%以上的蜂窩 IoT 連接是通過 NB-IoT 和 LTE-M 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的（圖 1）。

圖1：蜂窩IoT連接——按細(xì)分市場和技術(shù)顯示

（單位：十億）

隨著許多移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 (MNO) 對其現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行改造以支持新版本的功能， NB-IoT 協(xié)議的推廣速度得以加快。此外，新增的一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)功能通過頻譜共享使得 4G/5G 和 NB-IoT 技術(shù)可以共存于 FDD 頻段中，也大大促進(jìn)了IoT 通信技術(shù)（例如 NB-IoT）的發(fā)展。預(yù)計(jì)到 2030 年，全球 NB-IoT 芯片組市場規(guī)模將達(dá)到 221 億美元，2021 年到 2030 年期間的復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)為 52.1%。

從區(qū)域數(shù)據(jù)來看，如圖 2 所示，大規(guī)模 IoT 技術(shù)（NB-IoT 和 LTE-M）的全球部署主要由美國和歐洲的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商領(lǐng)跑。亞洲和東歐主要部署 NB-IoT（Cat-NB1、Cat-NB2）。總的來說，超過 124 個(gè)服務(wù)提供商在市面上推出了 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，有 55 個(gè)服務(wù)提供商推出了 Cat-M 技術(shù)，約有 40 個(gè)服務(wù)提供商同時(shí)推出了這兩種技術(shù)。

圖2：大規(guī)模 IoT 通信部署

集成NB-IoT子系統(tǒng)解決方案，擴(kuò)展IoT蜂窩應(yīng)用

大規(guī)模 IoT通信（尤其是 NB-IoT）獲得了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、芯片組制造商和模塊制造商的支持，而且能夠與 2G、3G、4G 甚至 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)共存，使得面向個(gè)人和行業(yè)的各種應(yīng)用和服務(wù)成為可能。業(yè)界在探索將IoT蜂窩應(yīng)用擴(kuò)展各個(gè)領(lǐng)域，例如：

消費(fèi)品：智能家居、智能電器、智能鎖、可穿戴設(shè)備

智慧城市：智能停車、智能儀表

智能農(nóng)業(yè)：土壤濕度監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測

智能工業(yè)：車隊(duì)和資產(chǎn)管理、智能托盤、監(jiān)控和資產(chǎn)跟蹤

企業(yè)：智能訪問、廢物管理和儲(chǔ)存容器、開/關(guān)按鈕

由于 NB-IoT 是現(xiàn)有 LTE 技術(shù)的演變，模塊制造商已開始研究如何把現(xiàn)有的基于LTE的模塊應(yīng)用于 NB-IoT。但是由于NB-IoT適用的場景特點(diǎn)是低成本設(shè)備、低功耗和簡單性的需求，加上并不需要在用戶設(shè)備 (UE) 和基帶之間進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，而是要從不同的傳感器收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)特定的事件或定時(shí)器傳輸處理后的結(jié)果，因此上述方法并不非常適用。

比較適合現(xiàn)代化NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器的組合方式是：一個(gè)小型高效的CPU/DSP處理器，再輔以一些有針對性的硬件加速器，以此來滿足低成本設(shè)備（主要取決于硅面積）這一主要要求以及對電池供電系統(tǒng)的低功耗需求。

在這方面，新思科技 DSP增強(qiáng)型ARC EMxD 處理器非常適合構(gòu)建 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器。這款處理器有高效的 3 級流水線，并且在指令集架構(gòu) (ISA) 中加入了 DSP 指令，能夠執(zhí)行控制和 DSP 代碼，無需使用單獨(dú)的 RISC 和 DSP 處理器來執(zhí)行控制應(yīng)用和 NB-IoT 協(xié)議棧。

其中，ARC EM11D處理器提供了具有高級地址生成單元的XY內(nèi)存，可高效實(shí)現(xiàn) NB-IoT。這種架構(gòu)提供多達(dá)三個(gè)可供處理器同時(shí)訪問的邏輯內(nèi)存，使許多 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器功能可以高效執(zhí)行，而無需額外的硬件加速器。

新思科技 ARC EM處理器能夠通過自定義指令擴(kuò)展處理器，從而大幅加快某些功能的執(zhí)行。新思科技還提供集成 ARC IoT 通信子系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用 ARC EM11D 處理器和 APEX 指令來簡化 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器的開發(fā)。這種 APEX 技術(shù)可高效實(shí)現(xiàn)維特比解碼器和三角函數(shù)，這兩者都是 NB-IoT 協(xié)議棧中需要考慮的重要步驟，以便在接收器中執(zhí)行前向糾錯(cuò)（圖 3）。

除了這些功能之外，ARC IoT通信子系統(tǒng)還提供集成外設(shè)（實(shí)現(xiàn)廣泛的SoC連接）、數(shù)字前端 (DFE)（實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT射頻收發(fā)器的無縫集成）以及高效的電源管理單元（將在下一部分講述）。

圖 3：新思科技 DesignWare IoT通信IP子系統(tǒng)

如何應(yīng)對NB-IoT系統(tǒng)的低功耗挑戰(zhàn)？

如前所述，低功耗是 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器開發(fā)工作的關(guān)鍵要求和重大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@種調(diào)制解調(diào)器既需要高效低功耗處理器/DSP，又需要允許時(shí)鐘切換以及所有 I/O 功能和處理器本身可以獨(dú)立關(guān)閉。

新思科技的ARC IoT通信子系統(tǒng)的集成電源管理單元 (PMU) 和時(shí)鐘控制單元 (CCU) 可為設(shè)備提供關(guān)鍵支持，使設(shè)備達(dá)到 3GPP 針對電池壽命提出的嚴(yán)格要求。這些電池供電系統(tǒng)大多用于人機(jī)交互和設(shè)備訪問可能受限的“一次設(shè)定永久有效”的應(yīng)用。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)通信頻率（每 2 小時(shí)/每天一次）和數(shù)據(jù)帶寬（50 字節(jié)/200 字節(jié)）定義了幾種用例。對于所有用例組合，使用 5Wh 電池的預(yù)期電池壽命均為 10 年。

為了幫助 SoC 設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，子系統(tǒng)在 ARC EM11D 處理器內(nèi)以及 IoT 通信子系統(tǒng)邏輯的其余部分提供了多個(gè)可編程電源域。除了數(shù)據(jù)保持、時(shí)鐘和電源管理等功能所需的永遠(yuǎn)在線邏輯 (AON) 之外，可以根據(jù)需要控制其余的域，以滿足電源需求，這使得 ARC IoT 通信子系統(tǒng)在待機(jī)電源域的功耗低于 1uW，從而確保終端設(shè)備的電池壽命超過 10 年。圖 4 顯示了子系統(tǒng)電源域。

圖4：IoT 通信子系統(tǒng)電源域

在表 1 中可以看到電源管理的用例，表中突出強(qiáng)調(diào)了在活躍模式、休眠模式（存儲(chǔ)器保持、射頻閑置）和待機(jī)模式（射頻電源關(guān)閉，僅 AON 邏輯活躍）下，為了盡量降低功耗，推薦 ARC EM11D 處理器、射頻收發(fā)器和子系統(tǒng)邏輯所處的狀態(tài)。

表1：IoT 通信子系統(tǒng)的電源模式和電源域

提供支持軟件的集成解決方案

在軟件方面，除了軟件堆棧的高效實(shí)現(xiàn)之外，處理器還需要具有出色的代碼密度，以盡可能減少對 DRAM 的需求，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。ARC IoT 通信子系統(tǒng)通過代碼密度高效處理器、基礎(chǔ)通信庫、經(jīng)過優(yōu)化的 NB-IoT 第 1 層軟件許可選項(xiàng)，以及針對低內(nèi)存進(jìn)行了優(yōu)化的符合 3GPP 第 14 版的軟件堆棧，精確地滿足這些要求。

新思科技的基礎(chǔ)通信軟件庫支持所有基礎(chǔ) NB-IoT 功能，例如內(nèi)插、FFTS 和調(diào)制，還支持 DFE、主機(jī) IF、USIM 和 UART 接口的所有低級驅(qū)動(dòng)程序。另一方面，NB-IoT 第 1 層 (PHY) 許可選項(xiàng)提供了所有原生低級 L1 API，可實(shí)現(xiàn)與多個(gè)協(xié)議棧 (L2/L3) 和多個(gè)射頻前端 (RFE) 的集成（圖 5）。集成指南和應(yīng)用示例（即 NB-IoT 同步、數(shù)據(jù)通道處理）作為文檔的一部分，以方便用戶使用和輕松實(shí)現(xiàn)。

圖5：NB-IoT 通信第 1 層軟件

總結(jié)

現(xiàn)在各種新興智能應(yīng)用要求嵌入式 IoT 設(shè)備必須能夠支持低成本、低功耗的廣域通信，NB-IoT系統(tǒng)憑借低功耗、簡單易用、成本效益高等特點(diǎn)，非常適合長距離應(yīng)用，而且向后兼容2G/3G 并支持4G/5G，有望成為該領(lǐng)域要實(shí)施的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。預(yù)估，該協(xié)議以及實(shí)施該協(xié)議的系統(tǒng)將在計(jì)量、工業(yè)領(lǐng)域、停車、可穿戴設(shè)備、農(nóng)業(yè)設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)線等不同類型的應(yīng)用中普遍存在。

在這一發(fā)展機(jī)遇和需求之下，新思科技的ARC IoT通信IP子系統(tǒng)能提供完整的IoT解決方案，利用經(jīng)過預(yù)先驗(yàn)證并由關(guān)鍵合作伙伴進(jìn)行了檢驗(yàn)的集成軟硬件解決方案，幫助客戶更輕松地將解決方案實(shí)施到自己的SoC 中，滿足嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，降低風(fēng)險(xiǎn)，確保易用性，并縮短上市時(shí)間。

編輯：黃飛

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