一個萬物互連互通的世界。數(shù)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(yè)務和新的機會;在這一愿景中,物聯(lián)網(wǎng) (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(shù)十億臺設備,這會帶來諸多挑戰(zhàn)。所謂的“5G”互聯(lián)世界預期會為已然倍受壓力的無線網(wǎng)絡帶來永遠在線的全域覆蓋、無限帶寬和更高容量。據(jù)愛立信移動報告,到 2022 年, 預計會有超過 180 億臺物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備,遠遠超過智能手機連接的數(shù)量,二者的比例超過 2:1。

無線網(wǎng)絡在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)方面發(fā)揮著關鍵的作用。傳統(tǒng)上,在 2G 服務網(wǎng)絡中,無線網(wǎng)絡是為語音而建,后來在 3G 和 4G 網(wǎng)絡中,則是為移動寬帶而建;現(xiàn)在,我們面臨的挑戰(zhàn)是構建具備規(guī)模適應能力、突破原有覆蓋范圍、超高效低功耗的無線網(wǎng)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(zhàn)。要克服這些挑戰(zhàn),我們需要低功耗寬域網(wǎng)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(lián)網(wǎng) (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(fā)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(xiàn)種類繁多的連網(wǎng)設備,從智能城市、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、汽車到更傳統(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)絡運營商也有用武之地。從以智能手機為中心的商業(yè)模式轉向以物聯(lián)網(wǎng)為中心的商業(yè)模式并非易事。關鍵是要優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設備的認證、準予其接入網(wǎng)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(zhàn)是構建能為各式各樣的物聯(lián)網(wǎng)應用場景提供寬域覆蓋的超高效網(wǎng)絡,確保從一開始就在網(wǎng)絡中充分考慮安全性問題。

在物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡內核中,可以確保數(shù)據(jù)安全、設備可信、網(wǎng)絡能正常運行并高效擴展。

NB-IoT:為 5G 物聯(lián)網(wǎng)鋪路

5G 旨在從三個關鍵方面增強現(xiàn)有無線網(wǎng)絡。一是提供海量移動寬帶或 mMBB 的能力。推動網(wǎng)絡發(fā)展以實現(xiàn)全域千兆連接能力是推動新型移動應用場景發(fā)展的必要條件,包括增強現(xiàn)實 (AR) 和虛擬現(xiàn)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(lián)網(wǎng)提供通道,使網(wǎng)絡具備海量擴展能力, 能將數(shù)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(xiàn)工業(yè)控制、汽車和遠程醫(yī)療等新型超低延遲應用。

NB-IoT 是 3GPP 開發(fā)的一種“凈紙”技術,因而從一開始就針對 mMTC 進行了優(yōu)化,為 5G 物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn) 5G 海量機器類通信愿景。

物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián) MCU

如前所述,物聯(lián)網(wǎng)連接帶來的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在連接、覆蓋范圍和功效的海量規(guī)模方面。設計師面臨的另一個挑戰(zhàn)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(tǒng) (SoC) 發(fā)展的智能手機市場不同,物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)要廣泛得多——不存在普適的標準。

為物聯(lián)網(wǎng)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(nóng)村農(nóng)業(yè)應用的遠程傳感器反饋到醫(yī)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(guī)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(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用。

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)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?！盎ヂ?lián) MCU”的概念對于在初期實現(xiàn)多種物聯(lián)網(wǎng)應用特別適用,該概念由一個底層安全和通信子系統(tǒng)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(fā)人員和合作伙伴聚集起來,打造最為廣泛的生態(tài)系統(tǒng),發(fā)揮出物聯(lián)網(wǎng)巨大的廣度和多樣性優(yōu)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(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)設備的部署。

Cortex-M:超低功耗實現(xiàn) NB-IoT

ARM Cortex-M33 處理器是 Cortex-M 系列產(chǎn)品中的一員,采用 ARMv8-M 架構。其設計側重于以低功耗實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)優(yōu)異。

單個 Cortex-M33 可以運行整個 NB-IoT 調制解調器、物聯(lián)網(wǎng)平臺(如 ARM mbedTM)和物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)有的大型生態(tài)系統(tǒng),并在此基礎上進行開發(fā)。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(jīng)驗,開發(fā)過數(shù)以千以的、基于 Cortex-M 的微控制器。這樣,NB-IoT 產(chǎn)品就能被快速開發(fā)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(fā),隔離式設計使其可免受任何用戶應用的影響?；谶@種設計,可以通過現(xiàn)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(tài):安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)。高價值專有固件可通過安全狀態(tài)交付,在系統(tǒng)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(fā)軟件的數(shù)百萬開發(fā)人員使用。

強大的 DSP 單指令多數(shù)據(jù)指令

單指令多數(shù)據(jù) (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(fā) 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(lián)網(wǎng)應用都可以在單個處理器設計的基礎上進行開發(fā)。

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(fā)速度大幅提高,縮短上市時間 無需專門的 DSP 軟件工程師 統(tǒng)一的調試系統(tǒng),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(fā)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(lián)網(wǎng)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(jīng)優(yōu)化的函數(shù),包括調制解調器中 常用的通用濾波器、變換和插值函數(shù)。

相反,如果基于 DSP 開發(fā)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(tài)系統(tǒng),沒有眾多經(jīng)驗豐富的 Cortex-M 軟件工程師的支持,集成任何物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件和物聯(lián)網(wǎng)應用軟件要復雜得多。

協(xié)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(shù)據(jù)通道,最多支持 8 個協(xié)處理器。這些協(xié)處理器將獲知處理器的特權和安全狀態(tài),以及指令類型、相關的寄存器和操作字段。增加硬件協(xié)處理器來執(zhí)行一些計算密集型 NB-IoT 調制解調器函數(shù),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(lián)網(wǎng)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(fā)送或接收數(shù)據(jù)時,才會切換到受保護的調制解調器任務以執(zhí)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(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)的巨大潛力,快速開發(fā)、認證并大量部署安全、功效超高、成本超低的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(guī)定的實時需求。

NB-IoT 協(xié)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(guī)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(shù) (如一天一次)。這意味著,NB-IoT 調制解調器要從“深度休眠”狀態(tài)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(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸交換。

當上行線路 (UL) 和下行線路 (DL) 數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在用戶設備連接至網(wǎng)絡時,就需要進行協(xié)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(shù)據(jù)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(xié)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(shù)會增加。

在多數(shù)其他場景下,協(xié)議棧使用可能是最低的,得益于 eDRX、PSM 等節(jié)能優(yōu)化算法,協(xié)議棧主要處于長時間的非活動狀態(tài)。也可以為客戶端應用配置測量讀數(shù)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(fā)通過 NB-IoT 協(xié)議棧和 PHY 到核心網(wǎng)絡的小規(guī)模數(shù)據(jù)交換操作。作為這些應用場景的一部分,應用可以在觸發(fā)協(xié)議棧和 PHY 以執(zhí)行定期 UL 數(shù)據(jù)傳輸操作之前執(zhí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xù)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(xiàn)峰值數(shù)據(jù)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(fā)生延遲。

UL 下,通過 DCI N0 在 NPDCCH 上收到許可后,協(xié)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(wǎng)絡調度的正確 UL 插槽上的空中接口發(fā)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(shù)據(jù),PHY 就會基于 DCI 中的網(wǎng)絡調度的 DL 子幀對數(shù)據(jù)解碼,并將 MAC PDU 提供給協(xié)議棧。然后由協(xié)議棧負責在 PHY UL 處理發(fā)送網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)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(lián)網(wǎng)內核(如 ARM Cortex-M4/M33)上運行應用、協(xié)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(lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)安全、可信的執(zhí)行能力以及超高功效的部署等全部優(yōu)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(xié)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(chǎn)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(tǒng)型無線市場參與者都能開發(fā)出互聯(lián)型物聯(lián)網(wǎng)解決方案,推動新型規(guī)模經(jīng)濟和機會經(jīng)濟的發(fā)展。憑借市場領先的 Cordio 無線電 IP,ARM 將物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)子系統(tǒng)應用于極為廣泛的產(chǎn)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)連接需求。從最小的傳感器到可擴展、高效、安全網(wǎng)絡和部署的實現(xiàn),ARM 橫跨整個行業(yè), 矢志實現(xiàn) 5G 物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)愿景。