《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電子元件 > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 低功耗 IoT 通信子系統(tǒng)的優(yōu)化方案解析

低功耗 IoT 通信子系統(tǒng)的優(yōu)化方案解析

2023-01-09
來源:電子工程技術(shù)
關(guān)鍵詞: NB-IOT IOT 射頻收發(fā)器

  未來蜂窩技術(shù)(5G 新無線,或簡稱“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。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

  100.JPG

  圖1:全球 NB-IoT 市場增長

  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,增長估值會(huì)有變動(dòng),,推測估會(huì)有每年 40% 以上的復(fù)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(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),。

99.JPG

  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,。

98.JPG

  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,。

97.JPG

  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,。

 96.JPG

  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。

95.JPG

  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),。

94.JPG

  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,。



 更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<< 

mmexport1621241704608.jpg

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)和其它問題,,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected],。