低功耗 IoT 通信子系统的优化方案解析

未来蜂窝技术（5G 新无线，或简称“NR”）的大部分关注点都是增加带宽，将移动设备上的流视频等应用的带宽从 100 kbps 扩展到 100 Mbps。许多应用对于低成本广域通信的需求不断增长。对这一需求尤其突出的是预计会在未来十年内激增到“数十亿的 IoT 设备”（图 1）。智慧城市基础设施、智慧农业、智慧能源和工业自动化等应用，不仅要求设备的功耗要低（可电池供电），还要求可以大规模部署，并且更加注重成本因素。  

蜂窝 IoT 快速增长

图1：全球 NB-IoT 市场增长  

低功耗的广域网协议（例如 LoRa 和 SigFox）在过去几年中得到了应用部署，但是被获得采用和应用的程度各不相同。 最近，3GPP 标准组织为宽带 IoT 网络定义了一种称为窄带 IoT (NB-IoT) 的蜂窝标准。该标准已针对机器到机器类型的通信进行了优化。初始版本称为 Cat -NB1，被纳入 3GPP 第 13 版标准。名为 Cat-NB2 的增强版本被纳入 3GPP 第 14 版标准，并增加了定位和多播等新功能。

  由于许多移动网络运营商 (MNO) 对其现有基础架构进行改造以支持新版本的功能，因此将 NB-IoT 协议捆绑到标准移动 3GPP 推广方案中，可以加速采用。这项加速部署还将会影响支持 NB-IoT 采用率所需的硅芯片组使用量迅速增多。在未来十年中，增长估值会有变动，推测估会有每年 40% 以上的复合年增长率估值。   如图 2 所示，全球部署主要由中国、美国和欧洲的移动网络运营商领跑。中国和欧洲大多运营商都是单独部署 NB-IoT（Cat-NB1、Cat-NB2），而美国运营商都在同时部署 NB-IoT 和 LTE-M（一种更高带宽、支持语音和数据的协议）。  

图2：全球蜂窝 IoT 通信部署  

低功耗、低成本实现了集成度更高的设计

  与许多利用通信设备的片上系统 (SoC) 和 MCU 相比，传统的蜂窝实现通常消耗更多的功率并且都是针对不同的硅工艺技术节点提供的。这在很大程度上使通信 IC 与应用设备分离，在涉及射频收发器实现时尤其如此。   传统的 LTE 调制解调器软硬件架构包含多个 DSP、多个硬件加速器、RISC 内核、多个操作系统、堆栈等，旨在达到宽带 LTE 调制解调器的计算密集型协议和高数据速率要求。单靠尝试缩减这种类型的实现以支持 NB-IoT，并不会产生可以节约功耗和缩减面积的解决方案。功能组合的简化和带宽要求的显著降低促进了新方法的出现。   可以基于小型低功耗 CPU/DSP 处理器，一些专用硬件加速器，专用电源管理硬件，以及基带与射频收发器之间的紧密集成，创建灵活的 NB-IoT 调制解调器（图3）。   处理器必须提供理想的代码密度和高效的软件堆栈实现，才能缩小存储器尺寸。这样就可以避免使用片外 DRAM，这可帮助降低系统成本。同时缩短代码长度，对于实现低功耗也很重要，通过减少访问指令内存的方法尤其有效。  

图3：集成 IoT 通信解决方案（包括 iSIM）  

更优化的 IoT 通信子系统解决方案

  Synopsys 运用在其他基于 DesignWare ARC 处理器的子系统中使用的类似概念，开发了 IP 子系统，致力于为低带宽通信实现高效处理。ARC IoT 通信 IP 子系统（图 4）经过专门设计，旨在为嵌入式设计人员提供嵌入式软硬件基带解决方案，以轻松向其 SoC 追加提供 3GPP 第 14 版 (Cat-NB1 / NB2) 技术支持。    

图4：Synopsys DesignWare IoT 通信 IP 子系统  

完全可配置的 IP 子系统围绕 Synopsys 的 ARC EM11D 处理器构建，非常适合同时运行必要的控制代码和 DSP 代码，以实现 IoT 应用和 NB-IoT 协议栈的同步运行。EM11D 内核的许多架构功能有助于高效执行 NB-IoT 调制解调器功能，这些架构功能有零开销循环，16 + 16 复杂算术和蝶形支持，宽累加器，以及对定点算术（通过饱和和四舍五入得出）的支持。EM11D 处理器的 XY 存储器带有高级地址生成 (AGU) 功能，提供了处理器可以同步访问的三个逻辑存储器，从而使内核能够在每个周期执行一次乘积累加 (MAC)，这是通信堆栈的一项重要指标。  

NB-IoT 调制解调器中计算量最大的一个部分就是下行链路数据的解码。这种解码利用了 Viterbi 算法，通常也是调制解调器设计会遇到的瓶颈。在通用 CPU/DSP 处理器上利用 Viterbi 算法部署软件实现，获得的性能改进是非常有限的。IoT 通信 IP 子系统使用 ARC 处理器扩展 (APEX) 指令实现硬件加速，可大幅降低 Viterbi 解码的 MHz 要求，并能简化 API，从而可以直接替换软件实现。   该子系统还包括一个集成的数字射频前端 (DFE)，在协议栈和射频收发器之间实现 I/Q 数据连接。许多第三方都提供的射频收发器本身相对简单，可以和其他基带处理实现片上集成。 图 5 展示了 Synopsys 合作伙伴 Palma Ceia SemiDesign 提供的这种射频收发器。PHY 协议层软件和简化的接口共同降低了复杂性，方便了射频/子系统集成工作。  

图5：Palma Ceia 的 NB-IoT 射频收发器  

集成电源管理和时钟控制单元 (PMU) 为设备提供关键支持，使设备达到 3GPP 针对电池寿命提出的严格要求。这些电池供电的设备大多用于人机交互有限的“一次设定永久有效”的应用。3GPP 标准根据通信频率（每 2 小时/每天一次）和数据带宽（50 字节/200 字节）定义了几种用例。对于所有用例组合，使用 5Wh 电池的预期电池寿命均为 10 年。为了帮助 SoC 设计团队实现这一目标，子系统在 ARC EM11D 处理器以及 IoT 通信子系统逻辑的其余部分提供了多个可编程电源域。除了数据保持、时钟和电源管理等功能所需的永远在线逻辑 (AON) 之外，可以根据需要控制其余的域，以满足电源需求。图 6 显示了子系统电源域。  

图6：IoT 通信子系统电源域  

在表 1 中可以看到电源管理的用例，表中突出强调了在活跃模式、休眠模式（存储器保持、射频闲置）和待机模式（射频电源关闭，仅 AON 逻辑活跃）下，为了尽量降低功耗，推荐 ARC EM11D 处理器、射频收发器和子系统逻辑所处的状态。  

表1：IoT 通信子系统的电源模式和电源域  

总结

  各种新兴智能应用的嵌入式 IoT 设备必须能够满足并支持低成本、低功耗的广域通信。与传统 LTE 协议相比，由 3GPP 定义的 NB-IoT 标准支持更加有限的数据速率和功能组合，并降低了实现起来的复杂性。这种标准可以利用简化的软硬件架构来搭建和部署耗电很少的低成本电池供电设备。   DesignWare ARC IoT 通信 IP 子系统的集成软硬件功能为传感器融合，语音触发，面部和手势识别，以及将 IoT 处理连接到云端的关键窄带通信链路等一类“始终在线”的功能提供了完善的 IoT 解决方案。  

编辑：黄飞