當今世界大大小小的角落，需要聯網的遠程設備不斷增加。雖然各大公司一直在強調以高速爲賣點的4G/5G技術的普及度，但是這類技術的實施成本通常非常高昂，更加適用於高能耗的終端產品。對於那些不需要高量、高數據速率，但仍需要一定程度的連接性和可靠性，同時還要能夠滿足低成本、低功耗和低復雜性要求的應用，部署此類技術是不切實際的。

爲了滿足此類應用的需求，並且仍能夠受益於傳統標准，3GPP 定義了窄帶物聯網 (NB-IoT) 無线電接口，在傳統蜂窩技術無法輕易覆蓋的位置採用廣域蜂窩網絡提供IoT服務。

NB-IoT成爲蜂窩IoT連接的首選技術

根據愛立信移動市場報告，通過NB-IoT和 LTE-M 技術連接的IoT設備數量預計在不久的將來會超過2G/3G連接的IoT設備，並在2027年超過寬帶IoT，屆時，將會有51%以上的蜂窩 IoT 連接是通過 NB-IoT 和 LTE-M 技術實現的（圖 1）。

圖1：蜂窩IoT連接——按細分市場和技術顯示

（單位：十億）

隨着許多移動網絡運營商 (MNO) 對其現有基礎架構進行改造以支持新版本的功能， NB-IoT 協議的推廣速度得以加快。此外，新增的一項網絡功能通過頻譜共享使得 4G/5G 和 NB-IoT 技術可以共存於 FDD 頻段中，也大大促進了IoT 通信技術（例如 NB-IoT）的發展。預計到 2030 年，全球 NB-IoT 芯片組市場規模將達到 221 億美元，2021 年到 2030 年期間的復合年增長率預計爲 52.1%。

從區域數據來看，如圖 2 所示，大規模 IoT 技術（NB-IoT 和 LTE-M）的全球部署主要由美國和歐洲的移動網絡運營商領跑。亞洲和東歐主要部署 NB-IoT（Cat-NB1、Cat-NB2）。總的來說，超過 124 個服務提供商在市面上推出了 NB-IoT 網絡，有 55 個服務提供商推出了 Cat-M 技術，約有 40 個服務提供商同時推出了這兩種技術。

圖2：大規模 IoT 通信部署

集成NB-IoT子系統解決方案，擴展IoT蜂窩應用

大規模 IoT通信（尤其是 NB-IoT）獲得了移動網絡運營商、芯片組制造商和模塊制造商的支持，而且能夠與 2G、3G、4G 甚至 5G 移動網絡共存，使得面向個人和行業的各種應用和服務成爲可能。業界在探索將IoT蜂窩應用擴展各個領域，例如：

消費品：智能家居、智能電器、智能鎖、可穿戴設備

智慧城市：智能停車、智能儀表

智能農業：土壤溼度監測、空氣質量監測

智能工業：車隊和資產管理、智能托盤、監控和資產跟蹤

企業：智能訪問、管理和儲存容器、开/關按鈕

由於 NB-IoT 是現有 LTE 技術的演變，模塊制造商已开始研究如何把現有的基於LTE的模塊應用於 NB-IoT。但是由於NB-IoT適用的場景特點是低成本設備、低功耗和簡單性的需求，加上並不需要在用戶設備 (UE) 和基帶之間進行連續的數據傳輸，而是要從不同的傳感器收集數據、處理數據，並根據特定的事件或定時器傳輸處理後的結果，因此上述方法並不非常適用。

比較適合現代化NB-IoT 調制解調器的組合方式是：一個小型高效的CPU/DSP處理器，再輔以一些有針對性的硬件加速器，以此來滿足低成本設備（主要取決於硅面積）這一主要要求以及對電池供電系統的低功耗需求。

在這方面，新思科技 DSP增強型ARC EMxD 處理器非常適合構建 NB-IoT 調制解調器。這款處理器有高效的 3 級流水线，並且在指令集架構 (ISA) 中加入了 DSP 指令，能夠執行控制和 DSP 代碼，無需使用單獨的 RISC 和 DSP 處理器來執行控制應用和 NB-IoT 協議棧。

其中，ARC EM11D處理器提供了具有高級地址生成單元的XY內存，可高效實現 NB-IoT。這種架構提供多達三個可供處理器同時訪問的邏輯內存，使許多 NB-IoT 調制解調器功能可以高效執行，而無需額外的硬件加速器。

新思科技 ARC EM處理器能夠通過自定義指令擴展處理器，從而大幅加快某些功能的執行。新思科技還提供集成 ARC IoT 通信子系統，該系統利用 ARC EM11D 處理器和 APEX 指令來簡化 NB-IoT 調制解調器的开發。這種 APEX 技術可高效實現維特比解碼器和三角函數，這兩者都是 NB-IoT 協議棧中需要考慮的重要步驟，以便在接收器中執行前向糾錯（圖 3）。

除了這些功能之外，ARC IoT通信子系統還提供集成外設（實現廣泛的SoC連接）、數字前端 (DFE)（實現與標准NB-IoT射頻收發器的無縫集成）以及高效的電源管理單元（將在下一部分講述）。

圖 3：新思科技 DesignWare IoT通信IP子系統

如何應對NB-IoT系統的低功耗挑战？

如前所述，低功耗是 NB-IoT 調制解調器开發工作的關鍵要求和重大挑战，因爲這種調制解調器既需要高效低功耗處理器/DSP，又需要允許時鐘切換以及所有 I/O 功能和處理器本身可以獨立關閉。

新思科技的ARC IoT通信子系統的集成電源管理單元 (PMU) 和時鐘控制單元 (CCU) 可爲設備提供關鍵支持，使設備達到 3GPP 針對電池壽命提出的嚴格要求。這些電池供電系統大多用於人機交互和設備訪問可能受限的“一次設定永久有效”的應用。3GPP 標准根據通信頻率（每 2 小時/每天一次）和數據帶寬（50 字節/200 字節）定義了幾種用例。對於所有用例組合，使用 5Wh 電池的預期電池壽命均爲 10 年。

爲了幫助 SoC 設計人員實現這些目標，子系統在 ARC EM11D 處理器內以及 IoT 通信子系統邏輯的其余部分提供了多個可編程電源域。除了數據保持、時鐘和電源管理等功能所需的永遠在线邏輯 (AON) 之外，可以根據需要控制其余的域，以滿足電源需求，這使得 ARC IoT 通信子系統在待機電源域的功耗低於 1uW，從而確保終端設備的電池壽命超過 10 年。圖 4 顯示了子系統電源域。

圖4：IoT 通信子系統電源域

在表 1 中可以看到電源管理的用例，表中突出強調了在活躍模式、休眠模式（存儲器保持、射頻闲置）和待機模式（射頻電源關閉，僅 AON 邏輯活躍）下，爲了盡量降低功耗，推薦 ARC EM11D 處理器、射頻收發器和子系統邏輯所處的狀態。

表1：IoT 通信子系統的電源模式和電源域

提供支持軟件的集成解決方案

在軟件方面，除了軟件堆棧的高效實現之外，處理器還需要具有出色的代碼密度，以盡可能減少對 DRAM 的需求，從而進一步降低系統成本。ARC IoT 通信子系統通過代碼密度高效處理器、基礎通信庫、經過優化的 NB-IoT 第 1 層軟件許可選項，以及針對低內存進行了優化的符合 3GPP 第 14 版的軟件堆棧，精確地滿足這些要求。

新思科技的基礎通信軟件庫支持所有基礎 NB-IoT 功能，例如內插、FFTS 和調制，還支持 DFE、主機 IF、USIM 和 UART 接口的所有低級驅動程序。另一方面，NB-IoT 第 1 層 (PHY) 許可選項提供了所有原生低級 L1 API，可實現與多個協議棧 (L2/L3) 和多個射頻前端 (RFE) 的集成（圖 5）。集成指南和應用示例（即 NB-IoT 同步、數據通道處理）作爲文檔的一部分，以方便用戶使用和輕松實現。

圖5：NB-IoT 通信第 1 層軟件

總結

現在各種新興智能應用要求嵌入式 IoT 設備必須能夠支持低成本、低功耗的廣域通信，NB-IoT系統憑借低功耗、簡單易用、成本效益高等特點，非常適合長距離應用，而且向後兼容2G/3G 並支持4G/5G，有望成爲該領域要實施的關鍵產品之一。預估，該協議以及實施該協議的系統將在計量、工業領域、停車、可穿戴設備、農業設備和工業生產线等不同類型的應用中普遍存在。

在這一發展機遇和需求之下，新思科技的ARC IoT通信IP子系統能提供完整的IoT解決方案，利用經過預先驗證並由關鍵合作夥伴進行了檢驗的集成軟硬件解決方案，幫助客戶更輕松地將解決方案實施到自己的SoC 中，滿足嚴格的設計要求，降低風險，確保易用性，並縮短上市時間。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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