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簡介

未來蜂窩技術（5G 新無線，或簡稱“NR”）的大部分關注點都是增加帶寬，將移動設備上的流視頻等應用的帶寬從 100 kbps 擴展到 100 Mbps。許多應用對于低成本廣域通信的需求不斷增長。對這一需求尤其突出的是預計會在未來十年內激增到“數十億的 IoT 設備”（圖 1）。智慧城市基礎設施、智慧農業、智慧能源和工業自動化等應用，不僅要求設備的功耗要低（可電池供電），還要求可以大規模部署，并且更加注重成本因素。

蜂窩 IoT 快速增長

圖1：全球 NB-IoT 市場增長

低功耗的廣域網協議（例如 LoRa 和 SigFox）在過去幾年中得到了應用部署，但是被獲得采用和應用的程度各不相同。最近，3GPP 標準組織為寬帶 IoT 網絡定義了一種稱為窄帶 IoT (NB-IoT) 的蜂窩標準。該標準已針對機器到機器類型的通信進行了優化。初始版本稱為 Cat -NB1，被納入 3GPP 第 13 版標準。名為 Cat-NB2 的增強版本被納入 3GPP 第 14 版標準，并增加了定位和多播等新功能。

由于許多移動網絡運營商 (MNO) 對其現有基礎架構進行改造以支持新版本的功能，因此將 NB-IoT 協議捆綁到標準移動 3GPP 推廣方案中，可以加速采用。這項加速部署還將會影響支持 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，增長估值會有變動，推測估會有每年 40% 以上的復合年增長率估值。

如圖 2 所示，全球部署主要由中國、美國和歐洲的移動網絡運營商領跑。中國和歐洲大多運營商都是單獨部署 NB-IoT（Cat-NB1、Cat-NB2），而美國運營商都在同時部署 NB-IoT 和 LTE-M（一種更高帶寬、支持語音和數據的協議）。

圖2：全球蜂窩 IoT 通信部署

低功耗、低成本實現了集成度更高的設計

與許多利用通信設備的片上系統 (SoC) 和 MCU 相比，傳統的蜂窩實現通常消耗更多的功率并且都是針對不同的硅工藝技術節點提供的。這在很大程度上使通信 IC 與應用設備分離，在涉及射頻收發器實現時尤其如此。

傳統的 LTE 調制解調器軟硬件架構包含多個 DSP、多個硬件加速器、RISC 內核、多個操作系統、堆棧等，旨在達到寬帶 LTE 調制解調器的計算密集型協議和高數據速率要求。單靠嘗試縮減這種類型的實現以支持 NB-IoT，并不會產生可以節約功耗和縮減面積的解決方案。功能組合的簡化和帶寬要求的顯著降低促進了新方法的出現。

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器之間的緊密集成，創建靈活的 NB-IoT 調制解調器（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現，才能縮小存儲器尺寸。這樣就可以避免使用片外 DRAM，這可幫助降低系統成本。同時縮短代碼長度，對于實現低功耗也很重要，通過減少訪問指令內存的方法尤其有效。

圖3：集成 IoT 通信解決方案（包括 iSIM）

更優化的 IoT 通信子系統解決方案

Synopsys 運用在其他基于 DesignWare ARC 處理器的子系統中使用的類似概念，開發了 IP 子系統，致力于為低帶寬通信實現高效處理。ARC IoT 通信 IP 子系統（圖 4）經過專門設計，旨在為嵌入式設計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) 技術支持。

圖4：Synopsys DesignWare IoT 通信 IP 子系統

完全可配置的 IP 子系統圍繞 Synopsys 的 ARC EM11D 處理器構建，非常適合同時運行必要的控制代碼和 DSP 代碼，以實現 IoT 應用和 NB-IoT 協議棧的同步運行。EM11D 內核的許多架構功能有助于高效執行 NB-IoT 調制解調器功能，這些架構功能有零開銷循環，16 + 16 復雜算術和蝶形支持，寬累加器，以及對定點算術（通過飽和和四舍五入得出）的支持。EM11D 處理器的 XY 存儲器帶有高級地址生成 (AGU) 功能，提供了處理器可以同步訪問的三個邏輯存儲器，從而使內核能夠在每個周期執行一次乘積累加 (MAC)，這是通信堆棧的一項重要指標。

NB-IoT 調制解調器中計算量最大的一個部分就是下行鏈路數據的解碼。這種解碼利用了 Viterbi 算法，通常也是調制解調器設計會遇到的瓶頸。在通用 CPU/DSP 處理器上利用 Viterbi 算法部署軟件實現，獲得的性能改進是非常有限的。IoT 通信 IP 子系統使用 ARC 處理器擴展 (APEX) 指令實現硬件加速，可大幅降低 Viterbi 解碼的 MHz 要求，并能簡化 API，從而可以直接替換軟件實現。

該子系統還包括一個集成的數字射頻前端 (DFE)，在協議棧和射頻收發器之間實現 I/Q 數據連接。許多第三方都提供的射頻收發器本身相對簡單，可以和其他基帶處理實現片上集成。圖 5 展示了 Synopsys 合作伙伴 Palma Ceia SemiDesign 提供的這種射頻收發器。PHY 協議層軟件和簡化的接口共同降低了復雜性，方便了射頻/子系統集成工作。

圖5：Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發器

集成電源管理和時鐘控制單元 (PMU) 為設備提供關鍵支持，使設備達到 3GPP 針對電池壽命提出的嚴格要求。這些電池供電的設備大多用于人機交互有限的“一次設定永久有效”的應用。3GPP 標準根據通信頻率（每 2 小時/每天一次）和數據帶寬（50 字節/200 字節）定義了幾種用例。對于所有用例組合，使用 5Wh 電池的預期電池壽命均為 10 年。為了幫助 SoC 設計團隊實現這一目標，子系統在 ARC EM11D 處理器以及 IoT 通信子系統邏輯的其余部分提供了多個可編程電源域。除了數據保持、時鐘和電源管理等功能所需的永遠在線邏輯 (AON) 之外，可以根據需要控制其余的域，以滿足電源需求。圖 6 顯示了子系統電源域。

圖6：IoT 通信子系統電源域

在表 1 中可以看到電源管理的用例，表中突出強調了在活躍模式、休眠模式（存儲器保持、射頻閑置）和待機模式（射頻電源關閉，僅 AON 邏輯活躍）下，為了盡量降低功耗，推薦 ARC EM11D 處理器、射頻收發器和子系統邏輯所處的狀態。

表1：IoT 通信子系統的電源模式和電源域

總結

各種新興智能應用的嵌入式 IoT 設備必須能夠滿足并支持低成本、低功耗的廣域通信。與傳統 LTE 協議相比，由 3GPP 定義的 NB-IoT 標準支持更加有限的數據速率和功能組合，并降低了實現起來的復雜性。這種標準可以利用簡化的軟硬件架構來搭建和部署耗電很少的低成本電池供電設備。

DesignWare ARC IoT 通信 IP 子系統的集成軟硬件功能為傳感器融合，語音觸發，面部和手勢識別，以及將 IoT 處理連接到云端的關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。

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原文標題：利用低功耗 IoT 通信解決方案應對 IoT 連接挑戰

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