廣域無線連接可以從任何地方存取網際網路伺服器。而下一步是把無線通訊的力量傳播到機器類型通訊上(MTC)。這將在跨越產業的製造、城市管理、交通和能源服務中掀起一場變革。

沿著道路的感測器將交通流量資訊傳達給往來的車輛,讓他們自由地移動。相同的數據可以通知客戶貨物預計到達的時間。附近其他感測器會追蹤水份和空氣污染程度,確保空氣是新鮮健康的,並且讓植物獲得足夠的水份和營養物質。所有這些感測器將使用無線通訊技術與雲端伺服器保持聯繫,他們還將同時使用其他無線服務,如全球導航衛星系統(GNSS)網路追蹤其位置。

位置辨識不僅對行動感測器(如安裝在運輸卡車上的)是至關重要的,對於那些在使用週期中固定位置的環境感測器也很幫助。位置辨識可以降低感測器部署成本,讓他們準確地報告所在位置而無需操作員干預,並且在無意或者有意的動作後發出訊號。

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LPWAN的必要性

廣泛分佈的感測器和物聯網節點對於支持低功耗廣域網路(LPWAN)應用來說是必要的。現有的許多物聯網應用程式都建立在短程協議如6Lowpan、藍牙和Zigbee之上,受到幾百米範圍的局限,不足以支撐新一代大規模的MTC系統。

為LPWAN應用設計的協議所提供的通訊能力可以覆蓋一公里之間的節點,或者透過最近的閘道器和節點擴大距離。這樣的通訊範圍大幅降低了部署成本,包括農業所需的環境感測器等設備,用於監控公路、鐵路和河流的物聯網節點,以及家用的智慧電錶。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,而無需額外部署昂貴的閘道器。

建置MTC有很多選項,包括存取免授權和授權的頻段。LoRA標註工作在免授權的頻段,數據速率高12.5kbit/s。免授權的頻段似乎可以提供更低的營運成本,但在實際操作中,用戶仍然需要部署自己的閘道器或租用第三方提供的設備。依賴免授權的頻段也會導致更高的風險,受到來自同頻段其他用戶的干擾。此外,LoRA技術授權的方式會限制晶片供應商的數量,防止被整合到客製化的低成本單晶片物聯網控制器中。

蜂巢式通訊增加選擇

另一方面蜂巢式通訊由於使用授權頻段,可以防止很多干擾,為晶片整合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的協議,最新定義的是窄頻IoT(NB-IoT)。它能夠支援穿透地下的訊號,這類似於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對於數據吞吐量的標準化進程重點關注能源效率,不斷改進以繼續提高性能。例如NB-IoT標準Release 14中,3GPP委員會專家發現在傳輸過程中保持相對較高的吞吐量是比限制位元率更好的辦法,這使得物聯網節點更快地完成傳輸並且快速進入節電休眠模式。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。營運商致力於儘快部署Release 14,確保現在開始開發的設備能夠支援現實世界的網路。

NB-IoT的架構

要能支援NB-IoT,就需要一個高效的運算架構來處理,在一個專有的處理器上完成高峰值數據速率所需的訊號處理,數據機(modem)協議堆疊和執行感測器應用程式碼。如果這三個任務可以在同一個處理器子系統上完成,相較於雙核心處理器建置就節省了矽成本和功耗。例如,CEVA分析了蜂巢式物聯網標準,發現在嚴格的功耗預算下,採用專用指令處理高數據吞吐流水線比外掛硬體加速器的整體性能更優。

20171115_CEVA_TA41P2 CEVA-X1處理器結合了NB-IoT專用指令和超長指令字(VLIW)以及單指令多數據(SIMD)架構提供,有效支援LPWAN相容的物聯網節點。處理器使用多達10級的流水線設計支持DSP密集型代碼,並添加了許多增強設計支持跳轉分支密集型代碼,不僅適用於NB-IoT協議,也適用於嵌入式控制。這樣的設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處理器。

如果晶片建置時處理器執行於150MHz,其中一半的處理器性能可以執行應用程式,同時,DSP核心正在NB-IoT通道上傳送或接收數據。

完整的NB-IoT平台

更進一步,CEVA的Dragonfly NB平台包括CEVA-X1處理器和合作夥伴ASTRI提供的軟體支持,再加上針對物聯網節點進行節能設計的周裝置。因為許多LPWAN相容的物聯網節點應用程式需要辨識位置,射頻收發器同時支持蜂巢式行動和GNSS訊號。這種低中頻架構完成RF到基頻數據的轉換,可以整合和直接連接一個數位前端單元(DFE)。收發器提供了一個晶片上數位振盪器,因而無需再使用更昂貴的晶片外壓控溫度補償裝置。

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DFE提供次採樣濾波器,保持基地台和數據進出處理器記憶體空間的同步,自動最小化軟體干預,進一步節約能耗。

此外,一個完整的軟體堆疊為NB-IoT和GNSS提供了端到端支持,透過RTOS作業系統管理數據通訊和用戶應用程式任務。透過這個為新一代大規模MTC系統而設計的平台,可望支援快速開發物聯網的應用。