NB-IoT:连通物联网与ARM

一个万物互连互通的世界。数十亿个传感器与基于云的服务无缝连接,使效率达到前所未有的水平,同时还能带来新的业务和新的机会;在这一愿景中,物联网 (IoT) 将改变我们的生活方式、 工作方式和与周围世界互动的方式。

将连接能力扩展至数十亿台设备,这会带来诸多挑战。所谓的“5G”互联世界预期会为已然倍受压力的无线网络带来永远在线的全域覆盖、无限带宽和更高容量。据爱立信移动报告,到 2022 年, 预计会有超过 180 亿台物联网互联设备,远远超过智能手机连接的数量,二者的比例超过 2:1。

无线网络在实现物联网方面发挥着关键的作用。传统上,在 2G 服务网络中,无线网络是为语音而建,后来在 3G 和 4G 网络中,则是为移动宽带而建;现在,我们面临的挑战是构建具备规模适应能力、突破原有覆盖范围、超高效低功耗的无线网络。连接传感器意味着面临与连接智能手机截然不同的挑战。要克服这些挑战,我们需要低功耗宽域网络 (LPWAN) 来提供必要的连接能力。相关标准仍在演进,但这一过程的关键是一项近期获批的技术,即窄带物联网 (NB-IoT) 技术;此项技术是由主导 3G 和 4G 标准的全球电信标准机构 3GPP 批准的。

任何标准要取得成功,就必须采用开放模式,允许设备供应商定制构建、进行互操作,从而促进市场发展,形成多供应商的市场格局。NB-IoT 正是这样一种标准,有望实现种类繁多的连网设备,从智能城市、农业、医疗、汽车到更传统的消费类设备和可穿戴式设备,应用场景十分广泛。为了推动实现如此广泛的应用,需要在内核中嵌入 NB-IoT 连接能力的多种半导体解决方案。

蜂窝网络运营商也有用武之地。从以智能手机为中心的商业模式转向以物联网为中心的商业模式并非易事。关键是要优化物联网设备的认证、准予其接入网络,从而降低准入门槛,增进多样性和选择性。对运营商来说,一个挑战是构建能为各式各样的物联网应用场景提供宽域覆盖的超高效网络,确保从一开始就在网络中充分考虑安全性问题。

在物联网中,信任必不可少,有了信任就有了机会。将 ARM® TrustZone® 技术嵌入互连设备和 LPWAN 网络内核中,可以确保数据安全、设备可信、网络能正常运行并高效扩展。

NB-IoT:为 5G 物联网铺路

5G 旨在从三个关键方面增强现有无线网络。一是提供海量移动宽带或 mMBB 的能力。推动网络发展以实现全域千兆连接能力是推动新型移动应用场景发展的必要条件,包括增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR),这些应用都需要引人入胜的高分辨率用户界面 (UI) 来丰富用户体验。二是海量机器类通信 (mMTC)。增强海量机器类通信是为物联网提供通道,使网络具备海量扩展能力, 能将数十亿个传感器接入云服务。最后,在 mMTC 的基础上,我们拥有了超可靠机器类通信 (uMTC),其目的是实现工业控制、汽车和远程医疗等新型超低延迟应用。

NB-IoT 是 3GPP 开发的一种“净纸”技术,因而从一开始就针对 mMTC 进行了优化,为 5G 物联网连接能力奠定了基础。今后两三年,随着标准的不断演进,我们会看到 NB-IoT 得到进一步增强,进一步实现 5G 海量机器类通信愿景。

物联网互联 MCU

如前所述,物联网连接带来的挑战体现在连接、覆盖范围和功效的海量规模方面。设计师面临的另一个挑战是最终应用场景的多样性本身。与集中于核心需求并以此推动底层片上系统 (SoC) 发展的智能手机市场不同,物联网面临的挑战要广泛得多——不存在普适的标准。

为物联网构建底层 SoC 的设计师必须考虑广泛的需求,涉及从智能街灯、智能电表、来自农村农业应用的远程传感器反馈到医疗、汽车等众多的最终应用场景。这些市场中的每个市场都有一套独特的需求,还有一些基本的共通属性。

SoC 设计师能否将连接功能构建成 IP 模块,并将其集成到特定应用设备中,这一点至关重要。 随着市场规模的扩大,设计师将越来越多地寻求采用通用型底层构建模块,将其快速地集成到定制设计当中,从而实现物联网应用。

在物联网发展初期,我们看到,部署的是通用性较强的设备,与通用微控制器市场相似。“互联 MCU”的概念对于在初期实现多种物联网应用特别适用,该概念由一个底层安全和通信子系统和一个面向最终应用场景应用的通用型控制器构成。

以 ARM 在微控制器领域的深厚传承为基础,将 ARM Cortex® 处理器与通信和安全功能集成起来,这种能力将把开发人员和合作伙伴聚集起来,打造最为广泛的生态系统,发挥出物联网巨大的广度和多样性优势。

集成连接和安全功能的通用型控制器有望成为在今后五年实现物联网的基石。随着市场不断成熟,我们将开始看到,在这些通用设备的基础上会衍生出因应用而异的变体。

将内嵌式 Trustzone 信任根、嵌入式 ARM Cordio® 物联网连接功能和超低功耗 ARM Cortex 内核结合起来,即具备了全部要素,可借以加快多种多样、可扩展、安全、高效的物联网设备的部署。

Cortex-M:超低功耗实现 NB-IoT

ARM Cortex-M33 处理器是 Cortex-M 系列产品中的一员,采用 ARMv8-M 架构。其设计侧重于以低功耗实现高计算性能,从而提高能效。该处理器支持多种可配置选项,可轻松地部署于广泛的应用之中,尤其适合用于实现完备的 NB-IoT 调制解调器。

Cortex-M33 是新一代 Cortex-M4 处理器,采用全新的流水线设计,性能更加出色,能效表现优异。

单个 Cortex-M33 可以运行整个 NB-IoT 调制解调器、物联网平台(如 ARM mbedTM)和物联网应用本身——均不需要采用独立的 DSP 处理器。

Cortex-M33 处理器在软件和工具方面继承了 Cortex-M 处理器现有的大型生态系统,并在此基础上进行开发。Cortex-M 系列是众多软件工程师熟知的处理器系列,这些工程师遍布世界各地, 他们拥有丰富的经验,开发过数以千以的、基于 Cortex-M 的微控制器。这样,NB-IoT 产品就能被快速开发出来并投向市场。

用于 ARMv8-M 的 TrustZone

Cortex-M33 采用面向 ARMv8-M 的 TrustZone,如此,即可将调制解调器作为安全代码进行开发,隔离式设计使其可免受任何用户应用的影响。基于这种设计,可以通过现场验收 (FTA) 模式对调制解调器软件进行认证,即使增加了运行于同一处理器上的更多用户应用,该认证也可得到有效保护。 另外,调制解调器代码对用户隐藏,有利于保护好珍贵的 IP 投资——只有 API 对应用可见。

配备安全扩展的 Cortex-M33 处理器有两种安全状态:安全状态和非安全状态。高价值专有固件可通过安全状态交付,在系统中使用时可以获得全面的保护。非安全端则可供目前在为 Cortex-M 开发软件的数百万开发人员使用。

强大的 DSP 单指令多数据指令

单指令多数据 (SIMD) 指令可在与控制代码相同的处理器流水线中提供众多强大的 DSP 功能。 借助这些指令,可以在软件中开发 NB-IoT 调制解调器的许多功能。这意味着,基于 Cortex-M33 的 NB-IoT 调制解调器不要求另外采用 DSP 处理器。这可以带来巨大的好处,整个调制解调器, 甚至物联网应用都可以在单个处理器设计的基础上进行开发。

将控制和 SIMD/DSP 处理功能集成起来的好处包括:

• 以单个处理器简化调制解调器设计
• 调制解调器开发速度大幅提高,缩短上市时间
• 无需专门的 DSP 软件工程师
• 统一的调试系统,CPU 调试和 DSP 调试不独立
• 功耗低于 DSP + CPU 解决方案

减小 NB-IoT 调制解调器解决方案的占用面积,从而降低成本。

DSP 扩展增加了大约 80 种饱和算法和 SIMD 运算。在许多情况下,运用这些 DSP 指令都能 开发出低功耗的 NB-IoT 调制解调器,还能将以信号处理为核心的物联网应用集成到同一处理器 上。Cortex-M33 还提供 CMSIS-DSP 库,后者有超过 60 个经优化的函数,包括调制解调器中 常用的通用滤波器、变换和插值函数。

相反,如果基于 DSP 开发完整的 NB-IoT 解决方案,不采用独立的控制处理器,并且没有 Cortex-M 强大的软件和工具生态系统,没有众多经验丰富的 Cortex-M 软件工程师的支持,集成任何物联网平台软件和物联网应用软件要复杂得多。

协处理器硬件加速接口

在强大的 SIMD 能力以外,Cortex-M33 处理器还包括一个 64 位总线接口,用于集成紧密耦合的加速度计硬件。该接口包括控 制和数据通道,最多支持 8 个协处理器。这些协处理器将获知处理器的特权和安全状态,以及指令类型、相关的寄存器和操作字段。增加硬件协处理器来执行一些计算密集型 NB-IoT 调制解调器函数,结果可以进一步降低功耗,从而打造出最佳的 NB-IoT 解决方案。

Cortex-M33 特点小结

基于 Cortex-M33 的 NB-IoT 调制解调器可以用作受保护的独立调制解调器,耦合至独立的应用处理器,用于复杂的物联网应用或是作为完备的 NB-IoT 平台,包括运行于同一处理器上的应用。 有些应用可能要利用 Cortex-M33 的全部性能,只有在发送或接收数据时,才会切换到受保护的调制解调器任务以执行通信功能。

Cortex-M33 具有首屈一指的能效和软件效率,为全面确保嵌入式物联网应用系统安全奠定了基础。它拥有必要的性能,支持完备的 NB-IoT 解决方案安全地运行在单个处理器中,无需采用独立的 DSP。这使得 ARM 的合作伙伴们可以充分挖掘物联网的巨大潜力,快速开发、认证并大量部署安全、功效超高、成本超低的物联网产品。

NB-IoT 的处理需求

NB-IoT 解决方案的处理需求主要取决于其在设计/部署时所针对的应用场景,同时也要满足标准规定的实时需求。

NB-IoT 协议栈的处理需求可以基于以下条件分类:

峰值使用场景

普通/典型使用场景

峰值和普通使用情况大相径庭,取决于部署 NB-IoT 调制解调器时针对的应用场景。作为本白皮书的一部分,我们以基于传感器的 NB-IoT 解决方案为例,这是标准规定下部署最多的应用场景。 在这种典型的部署场景下,设备端的应用客户端由云端(服务器)进行配置,定期报告测量读数 (如一天一次)。这意味着,NB-IoT 调制解调器要从“深度休眠”状态恢复过来,以通过 NB-IoT 内核在运行应用的终端设备与云之间进行小规模的数据传输交换。

当上行线路 (UL) 和下行线路 (DL) 数据传输发生在用户设备连接至网络时,就需要进行协议栈峰值使用处理,以满足与混合自动重传请求 (HARQ) 和物理数据传输相关的所有实时信令需求。 在 HARQ UL 和 DL 重传信令由 MAC 层控制的设计中,协议栈可能存在额外的峰值使用处理需求,尤其是在覆盖条件较差的条件下,因为此时重传次数会增加。

在多数其他场景下,协议栈使用可能是最低的,得益于 eDRX、PSM 等节能优化算法,协议栈主要处于长时间的非活动状态。也可以为客户端应用配置测量读数的报告周期。每个“P”周期一次 (基于 PSM/eDRX 确定的周期和应用配置报告期之间较小者),NB-IoT 调制解调器从深度/轻度休眠恢复,触发通过 NB-IoT 协议栈和 PHY 到核心网络的小规模数据交换操作。作为这些应用场景的一部分,应用可以在触发协议栈和 PHY 以执行定期 UL 数据传输操作之前执行其主体操作,从而降低在运行调制解调器软件(包括应用)的内核上所需要的峰值处理能力。

在典型的数据传输过程中,NB-IoT 标准允许只将一个 HARQ 进程用于 UL,一个 HARQ 进程 用于 DL,从而在 MAC/PHY 层以自己的序列进行 UL 和 DL 数据传输。NB-IoT 在 DL 下支 持的最大传输块 (TB) 大小为 680 比特,UL 下为 1000 比特。将 DL 下的最大传输块大小设为 680 比特,持续时间设为 3 毫秒,UL 下设为 1000 比特和 4 毫秒,可以在物理层实现峰值数据速率。最佳无线电条件(无重传)下的 UL 和 DL 最低实时需求详见下面的示意图。另外,通道调度可能因预定义的 NPSS、NSSS、MIB/SIB 和 SI 传输而发生延迟。

UL 下,通过 DCI N0 在 NPDCCH 上收到许可后,协议栈端将进行处理,具体涉及基于许可准备 UL PDU,并在 PHY UL 处理通过网络调度的正确 UL 插槽上的空中接口发送 PDU 所需最短时间之前,将 UL PDU 提供给 PHY。

DL 下,一旦 DCI N1 或传呼/直接指示信号通过 DCI N2 调度 DL 数据,PHY 就会基于 DCI 中的网络调度的 DL 子帧对数据解码,并将 MAC PDU 提供给协议栈。然后由协议栈负责在 PHY UL 处理发送网络调度的正确 UL 插槽中的 ACK/NACK 信息所需最短时间之前返回 HARQ 反馈。

由于 NB-IoT 的实时需求比 LTE 宽松,并且只有一个 HARQ 进程在运行,所以,数据传输的协议和 PHY 处理几乎可以按顺序进行,从而降低了整个调制解调器的处理需求,并为在同一个物联网内核(如 ARM Cortex-M4/M33)上运行应用、协议栈软件和 PHY 软件提供了可能。

Cordio-N NB-IoT IP

在本白皮书所述主题的基础上,ARM 近日宣布推出 Cordio-N NB-IoT IP。Cordio-N 为 NB-IoT 带来了一种完整的 IP 参考设计,可以快速集成到 IoT SoC 中。 Cordio-N IP 依赖的基础是 ARM Cortex-M33 处理器,可帮助嵌入式物联网应用实现安全、可信的执行能力以及超高功效的部署等全部优势。在基带元件以外,Cordio-N 还集成了一直到 RF 的完整 L1、L2 和 L3 协议软件。通过与领先的蜂窝运营商和测试设备供应商预先验证,缩短上市时间。借助 Cordio-N,供应商可以快速、轻松地将 NB-IoT 整合到其产品当中,从而将 LPWAN 连接能力拓展到范围最为广泛的最终应用场景。

小结

开放无线技术被视为一个关键的促成因素。这种模式使得成熟型和非传统型无线市场参与者都能开发出互联型物联网解决方案,推动新型规模经济和机会经济的发展。凭借市场领先的 Cordio 无线电 IP,ARM 将物联网互联子系统应用于极为广泛的产品中。ARM Cordio IP 支持蓝牙、 802.15.4 等短距离技术,还有最近宣布推出的面向 NB-IoT 的 Cordio-N,使得设备供应商可以快速地在其设备中集成物联网连接能力。

只有 ARM 及其合作伙伴能够提供如此广泛、如此多样的 LPWAN 解决方案,满足迫切的物联网连接需求。从最小的传感器到可扩展、高效、安全网络和部署的实现,ARM 横跨整个行业, 矢志实现 5G 物联网互联愿景。