聯網微控制器技術相挺    NB-IoT萬物互聯榮景可期

無線數據網路則是讓物聯網成真的關鍵角色。從2G網路的語音通訊，到3G與4G網路的行動寬頻，如今面臨的挑戰則是規模、覆蓋率以及超低功耗的需求。串聯感測器連線所面對的挑戰，與連結智慧型手機面臨的問題截然不同。在這方面瞄準的目標是運用低功耗廣域網路(LPWAN)來提供聯網服務。相關技術標還在規劃當中，其中的關鍵是新興的窄頻物聯網Narrow Band Internet of Thing, NB-IoT)，目前已通過全球電信標準機構的審核，該機構正是負責制定3G與4G標準的第三代合作夥伴計畫(3GPP)。 

任何標準要成功推行，一定要採取開放策略，讓裝置廠商能自行開發產品，且各家廠商的產品之間能夠互通，如此才能發展出廣納百川的興盛市場。NB-IoT完全展現了這樣的精神，NB-IoT將帶來種類極為眾多的聯網裝置，使用情境遍及智慧城市、農耕、醫療、汽車，以及較為典型的消費型裝置與穿戴裝置。要發展如此多元的環境，必須有眾多半導體解決方案，將NB-IoT聯網功能嵌入到產品的核心中。 

電信網路業者也有自己的角色。從以智慧型手機為主的經營模式轉換到物聯網，這絕非一蹴可幾的過程。讓各種物聯網裝置連結到自家網路時，精簡其驗證與放行的流程，將是關鍵要務，不僅能降低入門障礙，還能增進產品多元化與選項。高效率的網路帶來廣泛的訊號覆蓋率，支援各式各樣的物聯網使用情境，不僅是電信業者面臨的一大挑戰，還攸關行動裝置聯網的安全性。 

安全性對物聯網至關重要，因為安全性會帶來機會。藉由將安謀國際(ARM) TrustZone技術整合到聯網裝置的核心以及LPWAN網路，確保資料安全無虞、使裝置能獲得信任、網路能有效率地運行與擴充。 

NB-IoT為邁向5G物聯網鋪路 

5G將以三種關鍵方式提升現有的無線網路，帶來全新的願景。第一，能提供大規模行動寬頻(mMBB)通訊。這樣的網路能提供無所不在的Gigabit等級聯網速度，對於像擴增實境(AR)與虛擬實境(VR)這類新型行動應用來說至為重要，這類應用需要高解析度的使用者介面(UI)以提供更為豐富的使用者體驗。第二則是巨量機器類型通訊(mMTC)。這方面的改良將為物聯網提供傳輸管道，讓網路能大規模擴充，讓數十億感測器連到各種雲端服務。最後，在mMTC基礎上，能建立超高可靠度機器類型通訊(uMTC)，目標是要支援各種新型態的超低延遲應用，包括像是工業控制、汽車以及遠端醫療等。 

NB-IoT早在開發初期即被定位為「白紙」(Clean Sheet)技術，納入在3GPP規範中，設計之初即針對mMTC巨量型通訊進行最佳化，為5G物聯網連接性奠定基礎。隨著相關標準在未來幾年持續發展，將看到NB-IoT進一步改良，以實現5G巨量機器類型通訊的願景。 

建構IoT生態　聯網微控制器火紅 

正如一般所見，要連上物聯網勢必將面臨到數量龐大的連線裝置、訊號覆蓋率以及功耗等方面的諸多挑戰。而研發廠商面臨到的其他挑戰，則是極為多元的終端使用情境。不同於智慧型手機市場，底層的系統單晶片(SoC)只須應付少數核心需求，與物聯網面對挑戰的多樣化相比，兩者根本是天壤之別，因此光用一種方案絕對無法滿足所有需求。 

以物聯網專屬系統單晶片研發而成的產品，必須滿足各式各樣的要求，從各種終端使用情境，像是智慧街燈、智慧儀表、智慧農業應用的遠端感測器、一直涵蓋到醫療與汽車等領域。這些市場都各自有獨特的需求，並具有一些底層共通的屬性。 

讓系統單晶片設計者能把聯網功能IP當成一個IP模組，整合到自己的應用專屬裝置裡，已成為關鍵的功能特色。隨著市場規模持續擴增，研發業者將目光放在可通用的底層模組，以及把這些資源快速運用在物聯網的客製化設計上。 

在物聯網的早期階段，市場出現越來越多通用型元件，類似通用型微控制器(MCU)市場的趨勢。聯網微控制器(Connected MCU)的概念特別適合早期實作各種物聯網應用，這類產品包含底層的安全防護、通訊子系統，連結泛用型控制器，用來支援各種終端應用(圖1)。

圖1 IoT聯網微控制器

納入聯網與安全功能的通用型控制器，預料將成為未來5年物聯網的發展基石。隨著市場逐漸成熟，開始看到各種採用這類通用型裝置的產品。 

結合開發中的TrustZone作為信任根(Root of Trust)、嵌入ARM Cordio IoT聯網能力，以及超低功耗ARM Cortex運算核心，將加快各種可擴充、安全、高效率物聯網裝置的部署。 

超低功耗核心處理器催生NB-IoT 

ARM Cortex- M33處理器是Cortex-M產品家族的一員，本身採用ARMv8-M架構。透過達成高運算效能與低功耗的特色，Cortex-M33處理器特別專注於省電效率的設計。它支援多種組態選項，讓客戶建置各種應用，其中尤其適合用處理器建置一個完整的NB-IoT數據機。 

Cortex-M33是Cortex-M4的下一代成員，除了具備全新的管線設計，還帶來更高的效能與卓越的省電效率。 

單一Cortex-M33就能運行整個NB-IoT數據機、物聯網平台(如ARM mbed)，以及物聯網應用本身，完全不須用到其他數位訊號處理器(DSP)。 

Cortex-M33處理器承襲既有Cortex-M處理器的龐大生態系統，包括軟體與各種工具。眾多軟體工程師都已熟悉Cortex-M系列，全球各地廠商開發數千種採用Cortex-M為基礎的微控制器，累積豐富的經驗。這使得NB-IoT產品不僅能快速研發完成，還能加快問市的速度。 

具TrustZone安全功能　ARMv8- M架構看俏 

Cortex-M33是基於內建TrustZone安全技術的ARMv8-M架構(圖2)，讓廠商能像安全程式碼一般來研發數據機，在任何使用情境下都能將資料完全隔絕並受到嚴密防護。這樣的作法不僅讓數據機軟體能通過實地型式認證(FTA)，而且即使處理器額外再多執行其他程式，這樣的認證依然維持有效。由於使用者不會接觸到數據機程式碼，因此能保護重要的IP投資--從應用程式層只能看到應用程式介面(API)。

圖2 Cortex-M33功能方塊圖

Cortex-M33搭配Security Extension的組合，擁有兩種安全狀態，包括安全狀態與非安全狀態。像是高價值的專有韌體，可用安全狀態搭載於系統中出貨，讓韌體受到完全保護。而非安全部分的資源，則開放給數百萬開發者社群，讓他們為Cortex-M開發專屬軟體。 

借助DSP SIMD指令　加快NB-IoT數據機開發 

單指令多重資料(SIMD)指令提供眾多強大的DSP功能，以控制碼的型態在同一個處理器管線中運行。這些指令讓業者以撰寫程式的方式開發眾多NB-IoT數據機功能。這意謂著以Cortex-M33開發的NB-IoT數據機不需要額外的DSP處理器。這不僅帶來重大的優勢，更讓整個數據機甚至物聯網應用只須用一個處理器就能開發完成。 

整合式控制與SIMD/DSP處理功能的好處包括：使用單一處理器能簡化數據機設計工作；數據機的研發流程大幅加快，讓產品能更快問市；不需要專業DSP軟體工程師；單一除錯系統，不必用到中央處理器(CPU)除錯與DSP除錯兩種系統；比DSP加上CPU的解決方案更為省電；NB-IoT數據機解決方案的體積縮小，進而降低成本。 

DSP延伸指令集加入大約80個飽和演算法與SIMD算法。在許多實例中，這些DSP指令讓業者不僅能開發出低功耗NB-IoT數據機，還能整合各種物聯網應用，把訊號處理功能整合到同一個處理器。此外，Cortex-M33還提供Cortex微控制器軟體介面標準(CMSIS)DSP函式庫，帶來超過60項最佳化函式，包括通用濾波器、轉換以及內插等數據機常用到的函式。 

相較之下，如果一個完整的NB-IoT解決方案只用一個DSP建構而成，沒有用到另外的控制處理器，那麼要整合任何物聯網平台軟體與應用程式，其過程會複雜得多，因為少了Cortex-M軟體與工具的生態系統，以及眾多經驗豐富的Cortex-M軟體工程師提供協助。 

善用協同處理器介面　建構硬體加速機制 

除了強大的SIMD功能外，Cortex-M33處理器還內含一個64位元匯流排介面，讓用戶能藉由此介面整合各種緊密耦合的加速器硬體。此介面包含控制與資料通道，最多能連結8個協同處理器。 

系統會向協同處理器提供各種訊息，包括處理器的優先權限與安全狀態、指令類型，以及相關的暫存器與運算欄位。加入硬體協同處理器來執行某些運算密集的NB-IoT數據機功能，能進一步降低耗電，進而提供最佳化的NB-IoT解決方案(圖3)。 

圖3 協同處理器介面建構硬體加速機制

除此之外，一部搭載Cortex-M33的NB-IoT數據機可用來作為受保護的獨立數據機，連結一個分立式應用處理器，用來執行各種複雜物聯網應用，或作為一個完整的NB-IoT平台，在同一個處理器上運行應用。某些應用能夠完全發揮Cortex-M33的效能，系統只有在傳送或接收資料時才會切換到受保護的數據機作業以進行通訊(圖4)。

圖4 單一處理器NB-IoT平台與NB-IoT獨立數據機對照

Cortex-M33不僅提供最佳的能源效率與軟體生產力，還能為各種嵌入式物聯網應用提供全系統安全的基礎。它提供完整NB-IoT解決方案所需的效能，只須一顆處理器就能執行防護功能，無須用到其他數位訊號處理器。這讓廠商能夠提供安全無虞、超省電、成本極為低廉的物聯網產品，除了研發與認證的時程極短，產品也能大量部署。 

分析NB-IoT運算需求　採用適當解決方案 

NB-IoT解決方案的運算需求主要源自應用情境，解決方案除了針對該情境進行設計與部署，同時也符合相關標準所規範的即時處理要求。NB-IoT協定堆疊的處理需求根據尖峰使用情境以及一般/典型使用情境兩項標準進行分類。 

尖峰與一般使用情境會因NB-IoT數據機部署的使用情境而有極大的差異。以感測器型NB-IoT解決方案為例，就技術標準而言，這是其中一種最常布建的使用情境。 

在各種典型情境中，裝置端的應用客戶端由雲端(一部伺服器)進行設定，讓它定時通報量測到的數據(例如每天回報1次)。這意謂NB-IoT數據機會從深層睡眠模式被喚醒，然後透過NB-IoT核心在運行該應用的終端裝置及雲端之間傳送小量的資料。 

當連至網路的用戶端設備進行上行(UL)與下行(DL)資料傳輸，就需要通訊協定堆疊尖峰值使用情境的處理作業，而且須符合混合式自動重送請求(HARQ)以及實體層資料傳輸的所有即時傳訊要求。 

在許多設計中，UL與DL的HARQ傳訊是由媒體存取控制層(MAC Layer)負責控制，而通訊協定堆疊則會有額外的尖峰使用處理需求，尤其在訊號覆蓋率不良的狀況，資料重傳的機率通常會高出許多。 

其他大多數情境，通訊協定堆疊的使用率會少得多，主要是在像加強型非連續接收(eDRX)與節能模式(PSM)這類長時間休眠的省電模式。客戶端應用也可設定成定時回報量測讀數。每當經過一個週期「P」(根據PSM/Edrx所定義的短週期以及應用設定回報週期)，NB-IoT數據機就會從休眠/輕度休眠模式復原，然後啟動小量資料交換程序，透過NB-IoT通訊協定堆疊與實體層連到核心網路。 

在這些情境中，應用會執行大多數的程序，接著再由通訊協定堆疊與實體層元件啟動傳輸，進行定期的上行資料傳輸，因此系統尖峰處理需求得以降低，負責執行軟體的核心元件其運算負荷也能減緩。 

在一般資料傳輸方面，NB-IoT標準允許在上傳時只使用一個HARQ程序，以及在下載時使用一個HARQ程序，從媒體存取控制/實體層(MAC/PHY)來看，上行與下行資料傳輸能各自按自己的順序執行。NB-IoT在下行部分支援最高的傳輸模組(TB)大小為680位元，上行則是1,000位元。實體層方面，尖峰資料傳輸率可用最大TB亦即680位元來達成，耗費時間為3毫秒(ms)，而以1,000位元進行上行則費時4毫秒。上行與下行的最小即時要求發生在最佳射頻(RF)條件(沒有重傳)下，如圖5所描述。此外，發生通道排程延遲的情況包括預定義窄頻主要同步訊號(NPSS)、窄頻次要同步訊號(NSSS)、主要資訊區塊(MIB)/系統資訊區塊(SIB)以及SI傳輸程序。

圖5 上行與下行的最小即時要求發生在最佳射頻條件(沒有重傳)下

在上行部分，用下行控制指標(DCI) N0對窄頻實體下行控制通道(NPDCCH)進行解調後收到許可訊息，就會開始通訊協定堆疊的處理作業，包括根據授權許可準備上行協定資料單元(PDU)，然後在處理實體層上行傳輸所需的最小時間之前，將資料傳到實體層元件，在網路排定的正確上行時程透過空中介面送出PDU。 

在下行部分，一旦當DCI N1排定DL資料傳輸，或透過DCI N2進行呼叫/直接指示，實體層就會對下行子訊框的資料進行解碼，按照DCI的順序處理資料，並將MAC PDU傳給通訊協定堆疊。接著通訊協定堆疊負責傳回HARQ回饋訊息，而且須預留足夠的時間，必須超過實體層上行處理所耗費的時間，以排定的上行時程傳送ACK/NACK訊息。 

由於NB-IoT對於即時處理的要求較長程演進計畫(LTE)來得低，加上過程中只涉及HARQ，因此在資料傳輸方面，通訊協定以及實體層處理幾乎都是循序式，對整體數據機的處理效能要求也因而降低，因此包括應用、通訊協定堆疊軟體以及實體層軟體，全部作業都能在同一顆物聯網核心處理完畢，例如ARM Cortex-M4/M33。 

Cordio-N NB-IoT IP加快產品開發腳步 

ARM最近發表Cordio-N NB-IoT IP，Cordio-N結合NB-IoT專屬的完整IP參考方案，能快速整合到各種物聯網系統單晶片(圖6)。為Cordio-N IP提供大力協助的ARM Cortex-M33處理器帶來安全、受信任執行環境，以及建置超省電嵌入式物聯網應用等所有優勢。 

圖6 ARM Cordio-N功能區塊圖

除了基頻(Baseband)元件外，Cordio-N還整合L1/L2/L3通訊協定軟體，並一路涵蓋到射頻功能。預驗證加上各大電信營運商與測試設備廠商的全力支持，讓產品能加快問市。推出Cordio-N讓廠商能快速輕易地將NB-IoT整合到自己產品，進而把LPWAN聯網功能推廣到各種終端使用情境。 

開放式無線技術當助力　聯網IoT解決方案紛出籠 

開放式的無線技術被各界視為是促成產業發展的關鍵因素，讓經營有成以及非傳統的無線網路廠商推出聯網IoT解決方案，將有助於建立規模經濟以及開發眾多商機。ARM Cordio射頻IP可將IoT聯網子系統推廣到種類可觀的產品。ARM Cordio IP支援多種短距通訊技術，包括低功耗藍牙(BLE)、802.15.4，以及最近新增的NB-IoT專用Cordio-N，讓裝置廠商能快速將IoT聯網功能整合到自家產品。 

(本文作者為安謀國際無線IP事業部產品策略總監)