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广域无线平台使能新一代物联网系统

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来源: 集微网   发布者:CEVA
热度34票   时间:2018年2月12日 17:42
by Emmanuel Gresset, CEVA

通过智能手机和平板电脑,移动无线通信已经彻底改变了人们的工作方式。

广域无线连接可以从任何地方访问互联网服务器。而下一步是把无线通信的力量传播到机器类型通信上(MTC)。这将在跨越行业的制造、城市管理、交通和能源服务中掀起一场变革。

沿着道路的传感器将交通流量信息传达给往来的车辆,让他们自由地移动。相同的数据可以通知客户货物预计到达的时间。附近其它传感器会跟踪水分和空气污染水平,确保空气是新鲜健康的,并且植物获得了足够的水分和营养物质。所有这些传感器将使用无线通信技术与云端服务器保持联系,同时他们将使用其它无线服务,如全球导航卫星系统(GNSS)网络跟踪其位置。

位置识别不仅对移动传感器(如安装在运输卡车上的)是至关重要的,对于那些在使用周期里固定位置的环境传感器也很帮助。位置识别可以降低传感器部署成本,让他们准确地报告所在位置而无需操作员干预,并且在无意或者有意移动后发出信号。
 
LPWAN的必要性

广泛分布的传感器和物联网节点对于支持低功耗广域网络(LPWAN)应用来说是必要的。现有的许多物联网应用程序都建立在短程协议如6Lowpan,蓝牙和Zigbee之上,受到几百米范围的局限,不足以支撑新一代大规模的MTC系统。

为LPWAN应用设计的协议提供的通信能力可以覆盖一公里之间的节点,或者通过最近的网关和节点扩大距离。这样的通信范围大大降低了部署成本,包括农业所需的环境传感器等设备,用于监控公路、铁路和河流的物联网节点,以及家用的智能电表。此外LPWAN的典型频率可以直接到达埋在地下或者放置在地下室的设备,而无需额外部署昂贵的网关。

MTC实现有很多可选项,包括访问未经授权和授权的频段。LoRA 标注工作在未经授权的频段,数据速率高达12.5kbit/s。未经授权的频段似乎可以提供更低的运营成本,但在实际操作中,用户仍然需要部署自己的网关或租用第三方提供的设备。依赖未经授权的频段也会导致更高的风险,受到来自同频段其他用户的干扰。此外,LoRA 技术授权的方式会限制芯片供应商的数量,防止被集成到定制化的低成本单芯片物联网控制器中。

蜂窝通信增加了选项

另一方面蜂窝通讯由于使用授权频段,可以防止很多干扰,为芯片集成商提供了更多的整体灵活性和自由度。3GPP标准组织定义了一系列IoT-ready的协议,最新定义的是窄带IoT(NB-IoT)。它能够支持穿透地下的信号,这类似于GSM的增强覆盖形式。NB-IoT将数据速率从10kbit/s 提高到50kbit/s,增强的功能不仅可以改善系统性能,还可以节约能源。

3GPP对于数据吞吐量的标准化进程重点关注能源效率,不断改进以继续提高性能。例如NB-IoT标准Release 14中,3GPP委员会专家发现在传输过程中保持相对较高的吞吐量是比限制比特率更好的办法,这使得物联网节点更快地完成传输并且快速进入节电休眠模式。这样一来消耗在传输过程中的功耗就减少了(它主要由功率放大器(PA)实现)。运营商致力于尽快部署Release 14,确保现在开始开发的设备能够支持现实世界的网络。

NB-IoT的架构

要完成对NB-IoT的支持,就需要一个高效的计算架构来处理,在一个特有的处理器上完成高峰值数据速率所需的信号处理,modem 协议栈和运行传感器应用程序代码。如果这三个任务可以在同一个处理器子系统上完成,相较于双核处理器实现就节省了硅成本和功耗。CEVA分析了移动物联网标准,发现在严格的功耗预算下,采用专用指令处理高数据吞吐流水线比外挂硬件加速器的整体性能更优。

 
CEVA-X1处理器结合了NB-IoT专用指令和超长指令字(VLIW)以及单指令多数据(SIMD)架构提供,有效支持了LPWAN兼容的物联网节点。处理器使用多达10级的流水线设计支持DSP密集型代码,并添加了许多增强设计支持跳转分支密集型代码,不仅适用于NB-IoT协议,也适用于嵌入式控制。这样的设计保证一个处理器就可以支持NB-IoT的全部需求,而不需要添加额外的协处理器。

如果芯片实现上处理器运行在150MHz,其中一半的处理器性能可以运行应用程序,同时,DSP核正在NB-IoT通道上传送或接收数据。

完整的NB-IoT平台

更进一步,CEVA的Dragonfly NB平台包括CEVA-X1处理器和合作伙伴ASTRI提供的软件支持,再加上针对物联网节点进行节能设计的外设。因为许多LPWAN兼容的物联网节点应用程序需要识别位置,射频收发器同时支持蜂窝移动和GNSS信号。这种低中频架构完成RF到基带数据的转换,可以集成和直接连接一个数字前端单元(DFE)。收发器提供了一个片上数字振荡器,以避免使用一个更昂贵的片外压控温度补偿装置。
 
 
DFE提供下采样滤波器,保持基站和数据进出处理器内存空间的同步,自动最小化软件干预,进一步节约能耗。

一个完整的软件栈为NB-IoT和GNSS提供了端到端支持,通过RTOS操作系统管理数据通信和用户应用程序任务。所以说这是一个为新一代大规模MTC系统而设计的平台,可以支持快速开发物联网的应用程序。




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