低功耗 IoT 通信子系統(tǒng)的優(yōu)化方案解析

未來蜂窩技術(shù)（5G 新無線，或簡(jiǎn)稱“NR”）的大部分關(guān)注點(diǎn)都是增加帶寬，將移動(dòng)設(shè)備上的流視頻等應(yīng)用的帶寬從 100 kbps 擴(kuò)展到 100 Mbps。許多應(yīng)用對(duì)于低成本廣域通信的需求不斷增長(zhǎng)。對(duì)這一需求尤其突出的是預(yù)計(jì)會(huì)在未來十年內(nèi)激增到“數(shù)十億的 IoT 設(shè)備”（圖 1）。智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施、智慧農(nóng)業(yè)、智慧能源和工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用，不僅要求設(shè)備的功耗要低（可電池供電），還要求可以大規(guī)模部署，并且更加注重成本因素。 ?

蜂窩 IoT 快速增長(zhǎng)

圖1：全球 NB-IoT 市場(chǎng)增長(zhǎng) ?

低功耗的廣域網(wǎng)協(xié)議（例如 LoRa 和 SigFox）在過去幾年中得到了應(yīng)用部署，但是被獲得采用和應(yīng)用的程度各不相同。?最近，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組織為寬帶 IoT 網(wǎng)絡(luò)定義了一種稱為窄帶 IoT (NB-IoT) 的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)已針對(duì)機(jī)器到機(jī)器類型的通信進(jìn)行了優(yōu)化。初始版本稱為 Cat -NB1，被納入 3GPP 第 13 版標(biāo)準(zhǔn)。名為 Cat-NB2 的增強(qiáng)版本被納入 3GPP 第 14 版標(biāo)準(zhǔn)，并增加了定位和多播等新功能。

? 由于許多移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 (MNO) 對(duì)其現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行改造以支持新版本的功能，因此將 NB-IoT 協(xié)議捆綁到標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng) 3GPP 推廣方案中，可以加速采用。這項(xiàng)加速部署還將會(huì)影響支持 NB-IoT 采用率所需的硅芯片組使用量迅速增多。在未來十年中，增長(zhǎng)估值會(huì)有變動(dòng)，推測(cè)估會(huì)有每年 40% 以上的復(fù)合年增長(zhǎng)率估值。 ? 如圖 2 所示，全球部署主要由中國、美國和歐洲的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商領(lǐng)跑。中國和歐洲大多運(yùn)營商都是單獨(dú)部署 NB-IoT（Cat-NB1、Cat-NB2），而美國運(yùn)營商都在同時(shí)部署 NB-IoT 和 LTE-M（一種更高帶寬、支持語音和數(shù)據(jù)的協(xié)議）。 ?

圖2：全球蜂窩 IoT 通信部署 ?

低功耗、低成本實(shí)現(xiàn)了集成度更高的設(shè)計(jì)

? 與許多利用通信設(shè)備的片上系統(tǒng) (SoC) 和 MCU 相比，傳統(tǒng)的蜂窩實(shí)現(xiàn)通常消耗更多的功率并且都是針對(duì)不同的硅工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)提供的。這在很大程度上使通信 IC 與應(yīng)用設(shè)備分離，在涉及射頻收發(fā)器實(shí)現(xiàn)時(shí)尤其如此。 ? 傳統(tǒng)的 LTE 調(diào)制解調(diào)器軟硬件架構(gòu)包含多個(gè) DSP、多個(gè)硬件加速器、RISC 內(nèi)核、多個(gè)操作系統(tǒng)、堆棧等，旨在達(dá)到寬帶 LTE 調(diào)制解調(diào)器的計(jì)算密集型協(xié)議和高數(shù)據(jù)速率要求。單靠嘗試縮減這種類型的實(shí)現(xiàn)以支持 NB-IoT，并不會(huì)產(chǎn)生可以節(jié)約功耗和縮減面積的解決方案。功能組合的簡(jiǎn)化和帶寬要求的顯著降低促進(jìn)了新方法的出現(xiàn)。 ? 可以基于小型低功耗 CPU/DSP 處理器，一些專用硬件加速器，專用電源管理硬件，以及基帶與射頻收發(fā)器之間的緊密集成，創(chuàng)建靈活的 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器（圖3）。 ? 處理器必須提供理想的代碼密度和高效的軟件堆棧實(shí)現(xiàn)，才能縮小存儲(chǔ)器尺寸。這樣就可以避免使用片外 DRAM，這可幫助降低系統(tǒng)成本。同時(shí)縮短代碼長(zhǎng)度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低功耗也很重要，通過減少訪問指令內(nèi)存的方法尤其有效。 ?

圖3：集成 IoT 通信解決方案（包括 iSIM） ?

更優(yōu)化的 IoT 通信子系統(tǒng)解決方案

? Synopsys 運(yùn)用在其他基于 DesignWare ARC 處理器的子系統(tǒng)中使用的類似概念，開發(fā)了 IP 子系統(tǒng)，致力于為低帶寬通信實(shí)現(xiàn)高效處理。ARC IoT 通信 IP 子系統(tǒng)（圖 4）經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，旨在為嵌入式設(shè)計(jì)人員提供嵌入式軟硬件基帶解決方案，以輕松向其 SoC 追加提供 3GPP 第 14 版 (Cat-NB1 / NB2) 技術(shù)支持。 ? ?

圖4：Synopsys DesignWare IoT 通信 IP 子系統(tǒng) ?

完全可配置的 IP 子系統(tǒng)圍繞 Synopsys 的 ARC EM11D 處理器構(gòu)建，非常適合同時(shí)運(yùn)行必要的控制代碼和 DSP 代碼，以實(shí)現(xiàn) IoT 應(yīng)用和 NB-IoT 協(xié)議棧的同步運(yùn)行。EM11D 內(nèi)核的許多架構(gòu)功能有助于高效執(zhí)行 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器功能，這些架構(gòu)功能有零開銷循環(huán)，16 + 16 復(fù)雜算術(shù)和蝶形支持，寬累加器，以及對(duì)定點(diǎn)算術(shù)（通過飽和和四舍五入得出）的支持。EM11D 處理器的 XY 存儲(chǔ)器帶有高級(jí)地址生成 (AGU) 功能，提供了處理器可以同步訪問的三個(gè)邏輯存儲(chǔ)器，從而使內(nèi)核能夠在每個(gè)周期執(zhí)行一次乘積累加 (MAC)，這是通信堆棧的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 ?

NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器中計(jì)算量最大的一個(gè)部分就是下行鏈路數(shù)據(jù)的解碼。這種解碼利用了 Viterbi 算法，通常也是調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)會(huì)遇到的瓶頸。在通用 CPU/DSP 處理器上利用 Viterbi 算法部署軟件實(shí)現(xiàn)，獲得的性能改進(jìn)是非常有限的。IoT 通信 IP 子系統(tǒng)使用 ARC 處理器擴(kuò)展 (APEX) 指令實(shí)現(xiàn)硬件加速，可大幅降低 Viterbi 解碼的 MHz 要求，并能簡(jiǎn)化 API，從而可以直接替換軟件實(shí)現(xiàn)。 ? 該子系統(tǒng)還包括一個(gè)集成的數(shù)字射頻前端 (DFE)，在協(xié)議棧和射頻收發(fā)器之間實(shí)現(xiàn) I/Q 數(shù)據(jù)連接。許多第三方都提供的射頻收發(fā)器本身相對(duì)簡(jiǎn)單，可以和其他基帶處理實(shí)現(xiàn)片上集成。?圖 5 展示了 Synopsys 合作伙伴 Palma Ceia SemiDesign 提供的這種射頻收發(fā)器。PHY 協(xié)議層軟件和簡(jiǎn)化的接口共同降低了復(fù)雜性，方便了射頻/子系統(tǒng)集成工作。 ?

圖5：Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發(fā)器 ?

集成電源管理和時(shí)鐘控制單元 (PMU) 為設(shè)備提供關(guān)鍵支持，使設(shè)備達(dá)到 3GPP 針對(duì)電池壽命提出的嚴(yán)格要求。這些電池供電的設(shè)備大多用于人機(jī)交互有限的“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(duì)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)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，子系統(tǒng)在 ARC EM11D 處理器以及 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。圖 6 顯示了子系統(tǒng)電源域。 ?

圖6：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 ?

總結(jié)

? 各種新興智能應(yīng)用的嵌入式 IoT 設(shè)備必須能夠滿足并支持低成本、低功耗的廣域通信。與傳統(tǒng) LTE 協(xié)議相比，由 3GPP 定義的 NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)支持更加有限的數(shù)據(jù)速率和功能組合，并降低了實(shí)現(xiàn)起來的復(fù)雜性。這種標(biāo)準(zhǔn)可以利用簡(jiǎn)化的軟硬件架構(gòu)來搭建和部署耗電很少的低成本電池供電設(shè)備。 ? DesignWare ARC IoT 通信 IP 子系統(tǒng)的集成軟硬件功能為傳感器融合，語音觸發(fā)，面部和手勢(shì)識(shí)別，以及將 IoT 處理連接到云端的關(guān)鍵窄帶通信鏈路等一類“始終在線”的功能提供了完善的 IoT 解決方案。 ?

編輯：黃飛