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图 1：全球 NB-IoT 市场增长

低功耗的广域网协议（例如 LoRa 和 SigFox）在过去几年中得到了应用部署，但是被获得采用应用的程度各不相同。 最近，3GPP 标准组织为宽带 IoT 网络定义了一种称为窄带 IoT (NB-IoT) 的蜂窝标准。该标准已针对机器到机器类型的通信进行了优化。初始版本称为 Cat -NB1，被纳入 3GPP 第 13 版标准。名为 Cat-NB2 的增强版本被纳入 3GPP 第 14 版标准，并增加了定位和多播等新功能。

由于许多移动网络运营商 (MNO) 对其现有基础架构进行改造以支持新版本的功能，因此将 NB-IoT 协议捆绑到标准移动 3GPP 推广方案中，可以加速采用。这项加速部署还将导致支持 NB-IoT 采用率所需的硅芯片组使用量迅速增多。增长估值可能会有变动，但在未来十年中，每年 40% 以上的复合年增长率不失为合理的估值。

如图 2 所示，全球部署主要由中国、美国和欧洲的移动网络运营商领跑。中国和欧洲大多运营商都是单独部署 NB-IoT（Cat-NB1、Cat-NB2），而美国运营商都在同时部署 NB-IoT 和 LTE-M（一种更高带宽、支持语音和数据的协议）。

图 2：全球蜂窝 IoT 通信部署

图 3：集成 IoT 通信解决方案（包括 iSIM）

图 4：草榴社区 DesignWare IoT 通信 IP 子系统

完全可配置的 IP 子系统围绕 草榴社区 的 ARC EM11D 处理器构建，非常适合同时运行必要的控制代码和 DSP 代码，以实现 IoT 应用和 NB-IoT 协议栈的同步运行。EM11D 内核的许多架构功能有助于高效执行 NB-IoT 调制解调器功能，这些架构功能有零开销循环、16 + 16 复杂算术和蝶形支持、宽累加器，以及对定点算术（通过饱和和四舍五入得出）的支持。EM11D 处理器的 XY 存储器带有高级地址生成 (AGU) 功能，提供了处理器可以同步访问的三个逻辑存储器，从而使内核能够在每个周期执行一次乘积累加 (MAC)，这是通信堆栈的一项重要指标。

NB-IoT 调制解调器中计算量最大的一个部分就是下行链路数据的解码。这种解码利用了 Viterbi 算法，通常也是调制解调器设计会遇到的瓶颈。在通用 CPU/DSP 处理器上利用 Viterbi 算法部署软件实现，获得的性能改进是非常有限的。IoT 通信 IP 子系统使用 ARC 处理器扩展 (APEX) 指令实现硬件加速，可大幅降低 Viterbi 解码的 MHz 要求，并能简化 API，从而可以直接替换软件实现。

该子系统还包括一个集成的数字射频前端 (DFE)，在协议栈和射频收发器之间实现 I/Q 数据连接。许多第三方都提供的射频收发器本身相对简单，可以和其他基带处理实现片上集成。 图 5 展示了 草榴社区 合作伙伴 Palma Ceia SemiDesign 提供的这种射频收发器。 PHY 协议层软件和简化的接口共同降低了复杂性，方便了射频/子系统集成工作。

图 5：Palma Ceia 的 NB-IoT 射频收发器

集成电源管理和时钟控制单元 (PMU) 为设备提供关键支持，使设备达到 3GPP 针对电池寿命提出的严格要求。这些电池供电的设备大多用于人机交互有限的“一次设定永久有效”的应用。3GPP 标准根据通信频率（每 2 小时/每天一次）和数据带宽（50 字节/200 字节）定义了几种用例。对于所有用例组合，使用 5Wh 电池的预期电池寿命均为 10 年。为了帮助 SoC 设计团队实现这一目标，子系统在 ARC EM11D 处理器以及 IoT 通信子系统逻辑的其余部分提供了多个可编程电源域。除了数据保持、时钟和电源管理等功能所需的永远在线逻辑 (AON) 之外，可以根据需要控制其余的域，以满足电源需求。图 6 显示了子系统电源域。

图 6：IoT 通信子系统电源域

在表 1 中可以看到电源管理的用例，表中突出强调了在活跃模式、休眠模式（存储器保持、射频闲置）和待机模式（射频电源关闭，仅 AON 逻辑活跃）下，为了尽量降低功耗，推荐 ARC EM11D 处理器、射频收发器和子系统逻辑所处的状态。