一個萬物互連互通的世界。數十億個傳感器與基于云的服務無縫連接,使效率達到前所未有的水平,同時還能帶來新的業務和新的機會;在這一愿景中,物聯網 (IoT) 將改變我們的生活方式、 工作方式和與周圍世界互動的方式。

將連接能力擴展至數十億臺設備,這會帶來諸多挑戰。所謂的“5G”互聯世界預期會為已然倍受壓力的無線網絡帶來永遠在線的全域覆蓋、無限帶寬和更高容量。據愛立信移動報告,到 2022 年, 預計會有超過 180 億臺物聯網互聯設備,遠遠超過智能手機連接的數量,二者的比例超過 2:1。

無線網絡在實現物聯網方面發揮著關鍵的作用。傳統上,在 2G 服務網絡中,無線網絡是為語音而建,后來在 3G 和 4G 網絡中,則是為移動寬帶而建;現在,我們面臨的挑戰是構建具備規模適應能力、突破原有覆蓋范圍、超高效低功耗的無線網絡。連接傳感器意味著面臨與連接智能手機截然不同的挑戰。要克服這些挑戰,我們需要低功耗寬域網絡 (LPWAN) 來提供必要的連接能力。相關標準仍在演進,但這一過程的關鍵是一項近期獲批的技術,即窄帶物聯網 (NB-IoT) 技術;此項技術是由主導 3G 和 4G 標準的全球電信標準機構 3GPP 批準的。

任何標準要取得成功,就必須采用開放模式,允許設備供應商定制構建、進行互操作,從而促進市場發展,形成多供應商的市場格局。NB-IoT 正是這樣一種標準,有望實現種類繁多的連網設備,從智能城市、農業、醫療、汽車到更傳統的消費類設備和可穿戴式設備,應用場景十分廣泛。為了推動實現如此廣泛的應用,需要在內核中嵌入 NB-IoT 連接能力的多種半導體解決方案。

蜂窩網絡運營商也有用武之地。從以智能手機為中心的商業模式轉向以物聯網為中心的商業模式并非易事。關鍵是要優化物聯網設備的認證、準予其接入網絡,從而降低準入門檻,增進多樣性和選擇性。對運營商來說,一個挑戰是構建能為各式各樣的物聯網應用場景提供寬域覆蓋的超高效網絡,確保從一開始就在網絡中充分考慮安全性問題。

在物聯網中,信任必不可少,有了信任就有了機會。將 ARM? TrustZone? 技術嵌入互連設備和 LPWAN 網絡內核中,可以確保數據安全、設備可信、網絡能正常運行并高效擴展。

NB-IoT:為 5G 物聯網鋪路

5G 旨在從三個關鍵方面增強現有無線網絡。一是提供海量移動寬帶或 mMBB 的能力。推動網絡發展以實現全域千兆連接能力是推動新型移動應用場景發展的必要條件,包括增強現實 (AR) 和虛擬現實 (VR),這些應用都需要引人入勝的高分辨率用戶界面 (UI) 來豐富用戶體驗。二是海量機器類通信 (mMTC)。增強海量機器類通信是為物聯網提供通道,使網絡具備海量擴展能力, 能將數十億個傳感器接入云服務。最后,在 mMTC 的基礎上,我們擁有了超可靠機器類通信 (uMTC),其目的是實現工業控制、汽車和遠程醫療等新型超低延遲應用。

NB-IoT 是 3GPP 開發的一種“凈紙”技術,因而從一開始就針對 mMTC 進行了優化,為 5G 物聯網連接能力奠定了基礎。今后兩三年,隨著標準的不斷演進,我們會看到 NB-IoT 得到進一步增強,進一步實現 5G 海量機器類通信愿景。

物聯網互聯 MCU

如前所述,物聯網連接帶來的挑戰體現在連接、覆蓋范圍和功效的海量規模方面。設計師面臨的另一個挑戰是最終應用場景的多樣性本身。與集中于核心需求并以此推動底層片上系統 (SoC) 發展的智能手機市場不同,物聯網面臨的挑戰要廣泛得多——不存在普適的標準。

為物聯網構建底層 SoC 的設計師必須考慮廣泛的需求,涉及從智能街燈、智能電表、來自農村農業應用的遠程傳感器反饋到醫療、汽車等眾多的最終應用場景。這些市場中的每個市場都有一套獨特的需求,還有一些基本的共通屬性。

SoC 設計師能否將連接功能構建成 IP 模塊,并將其集成到特定應用設備中,這一點至關重要。 隨著市場規模的擴大,設計師將越來越多地尋求采用通用型底層構建模塊,將其快速地集成到定制設計當中,從而實現物聯網應用。

在物聯網發展初期,我們看到,部署的是通用性較強的設備,與通用微控制器市場相似。“互聯 MCU”的概念對于在初期實現多種物聯網應用特別適用,該概念由一個底層安全和通信子系統和一個面向最終應用場景應用的通用型控制器構成。

以 ARM 在微控制器領域的深厚傳承為基礎,將 ARM Cortex? 處理器與通信和安全功能集成起來,這種能力將把開發人員和合作伙伴聚集起來,打造最為廣泛的生態系統,發揮出物聯網巨大的廣度和多樣性優勢。

集成連接和安全功能的通用型控制器有望成為在今后五年實現物聯網的基石。隨著市場不斷成熟,我們將開始看到,在這些通用設備的基礎上會衍生出因應用而異的變體。

將內嵌式 Trustzone 信任根、嵌入式 ARM Cordio? 物聯網連接功能和超低功耗 ARM Cortex 內核結合起來,即具備了全部要素,可借以加快多種多樣、可擴展、安全、高效的物聯網設備的部署。

Cortex-M:超低功耗實現 NB-IoT

ARM Cortex-M33 處理器是 Cortex-M 系列產品中的一員,采用 ARMv8-M 架構。其設計側重于以低功耗實現高計算性能,從而提高能效。該處理器支持多種可配置選項,可輕松地部署于廣泛的應用之中,尤其適合用于實現完備的 NB-IoT 調制解調器。

Cortex-M33 是新一代 Cortex-M4 處理器,采用全新的流水線設計,性能更加出色,能效表現優異。

單個 Cortex-M33 可以運行整個 NB-IoT 調制解調器、物聯網平臺(如 ARM mbedTM)和物聯網應用本身——均不需要采用獨立的 DSP 處理器。

Cortex-M33 處理器在軟件和工具方面繼承了 Cortex-M 處理器現有的大型生態系統,并在此基礎上進行開發。Cortex-M 系列是眾多軟件工程師熟知的處理器系列,這些工程師遍布世界各地, 他們擁有豐富的經驗,開發過數以千以的、基于 Cortex-M 的微控制器。這樣,NB-IoT 產品就能被快速開發出來并投向市場。

用于 ARMv8-M 的 TrustZone

Cortex-M33 采用面向 ARMv8-M 的 TrustZone,如此,即可將調制解調器作為安全代碼進行開發,隔離式設計使其可免受任何用戶應用的影響。基于這種設計,可以通過現場驗收 (FTA) 模式對調制解調器軟件進行認證,即使增加了運行于同一處理器上的更多用戶應用,該認證也可得到有效保護。 另外,調制解調器代碼對用戶隱藏,有利于保護好珍貴的 IP 投資——只有 API 對應用可見。

配備安全擴展的 Cortex-M33 處理器有兩種安全狀態:安全狀態和非安全狀態。高價值專有固件可通過安全狀態交付,在系統中使用時可以獲得全面的保護。非安全端則可供目前在為 Cortex-M 開發軟件的數百萬開發人員使用。

強大的 DSP 單指令多數據指令

單指令多數據 (SIMD) 指令可在與控制代碼相同的處理器流水線中提供眾多強大的 DSP 功能。 借助這些指令,可以在軟件中開發 NB-IoT 調制解調器的許多功能。這意味著,基于 Cortex-M33 的 NB-IoT 調制解調器不要求另外采用 DSP 處理器。這可以帶來巨大的好處,整個調制解調器, 甚至物聯網應用都可以在單個處理器設計的基礎上進行開發。

將控制和 SIMD/DSP 處理功能集成起來的好處包括:

• 以單個處理器簡化調制解調器設計
• 調制解調器開發速度大幅提高,縮短上市時間
• 無需專門的 DSP 軟件工程師
• 統一的調試系統,CPU 調試和 DSP 調試不獨立
• 功耗低于 DSP + CPU 解決方案

減小 NB-IoT 調制解調器解決方案的占用面積,從而降低成本。

DSP 擴展增加了大約 80 種飽和算法和 SIMD 運算。在許多情況下,運用這些 DSP 指令都能 開發出低功耗的 NB-IoT 調制解調器,還能將以信號處理為核心的物聯網應用集成到同一處理器 上。Cortex-M33 還提供 CMSIS-DSP 庫,后者有超過 60 個經優化的函數,包括調制解調器中 常用的通用濾波器、變換和插值函數。

相反,如果基于 DSP 開發完整的 NB-IoT 解決方案,不采用獨立的控制處理器,并且沒有 Cortex-M 強大的軟件和工具生態系統,沒有眾多經驗豐富的 Cortex-M 軟件工程師的支持,集成任何物聯網平臺軟件和物聯網應用軟件要復雜得多。

協處理器硬件加速接口

在強大的 SIMD 能力以外,Cortex-M33 處理器還包括一個 64 位總線接口,用于集成緊密耦合的加速度計硬件。該接口包括控 制和數據通道,最多支持 8 個協處理器。這些協處理器將獲知處理器的特權和安全狀態,以及指令類型、相關的寄存器和操作字段。增加硬件協處理器來執行一些計算密集型 NB-IoT 調制解調器函數,結果可以進一步降低功耗,從而打造出最佳的 NB-IoT 解決方案。

Cortex-M33 特點小結

基于 Cortex-M33 的 NB-IoT 調制解調器可以用作受保護的獨立調制解調器,耦合至獨立的應用處理器,用于復雜的物聯網應用或是作為完備的 NB-IoT 平臺,包括運行于同一處理器上的應用。 有些應用可能要利用 Cortex-M33 的全部性能,只有在發送或接收數據時,才會切換到受保護的調制解調器任務以執行通信功能。

Cortex-M33 具有首屈一指的能效和軟件效率,為全面確保嵌入式物聯網應用系統安全奠定了基礎。它擁有必要的性能,支持完備的 NB-IoT 解決方案安全地運行在單個處理器中,無需采用獨立的 DSP。這使得 ARM 的合作伙伴們可以充分挖掘物聯網的巨大潛力,快速開發、認證并大量部署安全、功效超高、成本超低的物聯網產品。

NB-IoT 的處理需求

NB-IoT 解決方案的處理需求主要取決于其在設計/部署時所針對的應用場景,同時也要滿足標準規定的實時需求。

NB-IoT 協議棧的處理需求可以基于以下條件分類:

峰值使用場景

普通/典型使用場景

峰值和普通使用情況大相徑庭,取決于部署 NB-IoT 調制解調器時針對的應用場景。作為本白皮書的一部分,我們以基于傳感器的 NB-IoT 解決方案為例,這是標準規定下部署最多的應用場景。 在這種典型的部署場景下,設備端的應用客戶端由云端(服務器)進行配置,定期報告測量讀數 (如一天一次)。這意味著,NB-IoT 調制解調器要從“深度休眠”狀態恢復過來,以通過 NB-IoT 內核在運行應用的終端設備與云之間進行小規模的數據傳輸交換。

當上行線路 (UL) 和下行線路 (DL) 數據傳輸發生在用戶設備連接至網絡時,就需要進行協議棧峰值使用處理,以滿足與混合自動重傳請求 (HARQ) 和物理數據傳輸相關的所有實時信令需求。 在 HARQ UL 和 DL 重傳信令由 MAC 層控制的設計中,協議棧可能存在額外的峰值使用處理需求,尤其是在覆蓋條件較差的條件下,因為此時重傳次數會增加。

在多數其他場景下,協議棧使用可能是最低的,得益于 eDRX、PSM 等節能優化算法,協議棧主要處于長時間的非活動狀態。也可以為客戶端應用配置測量讀數的報告周期。每個“P”周期一次 (基于 PSM/eDRX 確定的周期和應用配置報告期之間較小者),NB-IoT 調制解調器從深度/輕度休眠恢復,觸發通過 NB-IoT 協議棧和 PHY 到核心網絡的小規模數據交換操作。作為這些應用場景的一部分,應用可以在觸發協議棧和 PHY 以執行定期 UL 數據傳輸操作之前執行其主體操作,從而降低在運行調制解調器軟件(包括應用)的內核上所需要的峰值處理能力。

在典型的數據傳輸過程中,NB-IoT 標準允許只將一個 HARQ 進程用于 UL,一個 HARQ 進程 用于 DL,從而在 MAC/PHY 層以自己的序列進行 UL 和 DL 數據傳輸。NB-IoT 在 DL 下支 持的最大傳輸塊 (TB) 大小為 680 比特,UL 下為 1000 比特。將 DL 下的最大傳輸塊大小設為 680 比特,持續時間設為 3 毫秒,UL 下設為 1000 比特和 4 毫秒,可以在物理層實現峰值數據速率。最佳無線電條件(無重傳)下的 UL 和 DL 最低實時需求詳見下面的示意圖。另外,通道調度可能因預定義的 NPSS、NSSS、MIB/SIB 和 SI 傳輸而發生延遲。

UL 下,通過 DCI N0 在 NPDCCH 上收到許可后,協議棧端將進行處理,具體涉及基于許可準備 UL PDU,并在 PHY UL 處理通過網絡調度的正確 UL 插槽上的空中接口發送 PDU 所需最短時間之前,將 UL PDU 提供給 PHY。

DL 下,一旦 DCI N1 或傳呼/直接指示信號通過 DCI N2 調度 DL 數據,PHY 就會基于 DCI 中的網絡調度的 DL 子幀對數據解碼,并將 MAC PDU 提供給協議棧。然后由協議棧負責在 PHY UL 處理發送網絡調度的正確 UL 插槽中的 ACK/NACK 信息所需最短時間之前返回 HARQ 反饋。

由于 NB-IoT 的實時需求比 LTE 寬松,并且只有一個 HARQ 進程在運行,所以,數據傳輸的協議和 PHY 處理幾乎可以按順序進行,從而降低了整個調制解調器的處理需求,并為在同一個物聯網內核(如 ARM Cortex-M4/M33)上運行應用、協議棧軟件和 PHY 軟件提供了可能。

Cordio-N NB-IoT IP

在本白皮書所述主題的基礎上,ARM 近日宣布推出 Cordio-N NB-IoT IP。Cordio-N 為 NB-IoT 帶來了一種完整的 IP 參考設計,可以快速集成到 IoT SoC 中。 Cordio-N IP 依賴的基礎是 ARM Cortex-M33 處理器,可幫助嵌入式物聯網應用實現安全、可信的執行能力以及超高功效的部署等全部優勢。在基帶元件以外,Cordio-N 還集成了一直到 RF 的完整 L1、L2 和 L3 協議軟件。通過與領先的蜂窩運營商和測試設備供應商預先驗證,縮短上市時間。借助 Cordio-N,供應商可以快速、輕松地將 NB-IoT 整合到其產品當中,從而將 LPWAN 連接能力拓展到范圍最為廣泛的最終應用場景。

小結

開放無線技術被視為一個關鍵的促成因素。這種模式使得成熟型和非傳統型無線市場參與者都能開發出互聯型物聯網解決方案,推動新型規模經濟和機會經濟的發展。憑借市場領先的 Cordio 無線電 IP,ARM 將物聯網互聯子系統應用于極為廣泛的產品中。ARM Cordio IP 支持藍牙、 802.15.4 等短距離技術,還有最近宣布推出的面向 NB-IoT 的 Cordio-N,使得設備供應商可以快速地在其設備中集成物聯網連接能力。

只有 ARM 及其合作伙伴能夠提供如此廣泛、如此多樣的 LPWAN 解決方案,滿足迫切的物聯網連接需求。從最小的傳感器到可擴展、高效、安全網絡和部署的實現,ARM 橫跨整個行業, 矢志實現 5G 物聯網互聯愿景。