軟件定義物聯(lián)網(wǎng)芯片，縱行科技以技術(shù)融合推動(dòng)LPWAN2.0泛在物聯(lián)

作為數(shù)字化產(chǎn)業(yè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，物聯(lián)網(wǎng)迎來了黃金發(fā)展期。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)通過數(shù)據(jù)的采集、分析、輸出，從淺層次的互聯(lián)工具和產(chǎn)品深化，到成為重塑生產(chǎn)組織方式的基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵要素，正深刻地改變著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)形態(tài)和人們的生活方式，泛在物聯(lián)的時(shí)代已然到來。

由于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的復(fù)雜化、碎片化，使得市場(chǎng)上缺失高效靈活的物聯(lián)網(wǎng)方案，行業(yè)發(fā)展受限，天花板亟待進(jìn)一步打開，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及生態(tài)融合是產(chǎn)業(yè)需求也是大勢(shì)所趨。市場(chǎng)上有眾多的物聯(lián)網(wǎng)IoT技術(shù)解決方案，例如ZETA、LoRa、Sigfox、Zigbee、藍(lán)牙、RFID、WiSun以及基于授權(quán)頻譜的NB-IoT等技術(shù)。

但這些技術(shù)并不能相通，每種協(xié)議的終端只能與其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)通信，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)IoT終端成為一個(gè)個(gè)孤島。比如資產(chǎn)的盤點(diǎn)以及流轉(zhuǎn)跟蹤在不同場(chǎng)景需要用到不同的協(xié)議，如物件在倉庫內(nèi)基于ZETA等主動(dòng)上報(bào)的物聯(lián)技術(shù)；而出倉庫時(shí)的掃描記錄、快遞點(diǎn)位的跟蹤以RFID、二維碼等技術(shù)為主；在高速公路上的可視化跟蹤需要用4G、ZETA等技術(shù)，而在沙漠、公海等通信覆蓋有限的場(chǎng)景又采用衛(wèi)星通信，這樣導(dǎo)致各個(gè)環(huán)節(jié)需要不同的物聯(lián)技術(shù)方案以及線上化管理并不能完全打通，極大地增加了運(yùn)營(yíng)成本。

除不同協(xié)議之外，由于物聯(lián)網(wǎng)的碎片化應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)終端即使采用同一協(xié)議，在不同場(chǎng)景也會(huì)用到不同參數(shù)。比如在工業(yè)、電力行業(yè)，設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一般要求較高速率的傳輸。針對(duì)站點(diǎn)獲取困難、容量要求較低和傳輸速率低的場(chǎng)景，則對(duì)接收靈敏度要求比較高。下表列出兩種典型Advanced M-FSK兩種速率：

因?yàn)樗俾什煌?，兩者?duì)同步靈敏度要求都完全不一樣，對(duì)相應(yīng)發(fā)射端導(dǎo)頻長(zhǎng)度和接收機(jī)算法要求就不一樣。如果使用一套高靈敏度接收同步算法覆蓋所有速率，則在使用高速率場(chǎng)景時(shí)，同步算法就會(huì)顯得冗余，意味著功耗較大，資源浪費(fèi)。

如果把現(xiàn)有技術(shù)關(guān)注局部連接，技術(shù)多而不通，數(shù)據(jù)難以融合，歸納為L(zhǎng)PWAN1.0時(shí)代，那么我們急需一個(gè)讓各種技術(shù)融合貫通，讓物理世界極低成本、無感、低碳連接的“LPWAN2.0時(shí)代”。

如果說LPWAN 1.0技術(shù)是為了連接，那么LPWAN 2.0的技術(shù)演進(jìn)方向?qū)?huì)是從場(chǎng)景中來到場(chǎng)景中去，其中非常重要的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)便是“軟件定義物聯(lián)網(wǎng)芯片”。

綜上，縱行科技在繼自主創(chuàng)新研發(fā)“Advanced M-FSK”物理調(diào)制技術(shù)上又提出“軟件定義芯片（DSP + ASIC）”架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念，讓一顆物聯(lián)網(wǎng)芯片能支持多種通信協(xié)議以及同一種協(xié)議不同速率得以實(shí)現(xiàn)。而其中核心技術(shù)之一是DSP技術(shù)，即如何通過DSP來定義物聯(lián)網(wǎng)的物理層調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。下面將著重介紹一下DSP的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

隨著大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）的發(fā)展，依托于數(shù)字信號(hào)處理理論的進(jìn)步，數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。DSP的應(yīng)用，使多模歸一成為可能，典型的DSP結(jié)構(gòu)如下圖所示：

DSP處理的核心是三個(gè)運(yùn)算單元Scalar ALU，Vector ALU和MAC。它們?cè)趥鹘y(tǒng)Scalar ALU的基礎(chǔ)上，增加了矢量運(yùn)算單元Vector ALU以及DSP特有的乘加運(yùn)算單元MAC。Program Fetch Unit從Program Memory System中取出指令，在Program Control Unit單元中進(jìn)行譯指并分發(fā)給三個(gè)運(yùn)算單元。

三個(gè)運(yùn)算單元根據(jù)指令需要，調(diào)用Scalar Load/Store Unit和Vector Load/Store Unit 與 Data Memory System 獲取需要的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算，并把運(yùn)算結(jié)果寫回 Data Memory System。

DSP主要特點(diǎn)如下：

1.超長(zhǎng)指令字（Very Long Instruction Word ，VLIW）和可變長(zhǎng)度指令集（Variable-Length Instruction Set， VLIS）

超長(zhǎng)指令字，結(jié)合可變長(zhǎng)度指令集，使處理器在一次執(zhí)行多個(gè)指令的同時(shí)，又保證了指令存儲(chǔ)單元的高效使用。編譯器根據(jù)當(dāng)前處理的具體需求，在確保數(shù)據(jù)處理順序，保證正確的前提下，智能地進(jìn)行多指令的組合。從而使處理器在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，完成盡可能多的運(yùn)算。

2.單指令多數(shù)據(jù)（Single Instruction Multiple Data ，SIMD)并發(fā)

數(shù)字信號(hào)處理，往往伴隨著大量的數(shù)據(jù)操作。SIMD加大了數(shù)據(jù)的并行度，從而突破了大量數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)景下，取數(shù)存數(shù)的瓶頸。

3.定制乘加單元（MAC）

DSP的典型運(yùn)算是實(shí)數(shù)的乘加運(yùn)算，以及運(yùn)算更復(fù)雜的復(fù)數(shù)乘加運(yùn)算。因此，針對(duì)性地提高乘加運(yùn)算的效率是提高系統(tǒng)容量的有效手段。

4.多級(jí)流水（Pipeline）

為了提高指令執(zhí)行的各個(gè)模塊（示意圖中的：Program Fetch Unit、Program Control Unit、運(yùn)算單元Scalar ALU/Vector ALU與MAC、Scalar/Vector Load/Store Unit等）的工作效率，DSP把一條指令分解為與串行模塊個(gè)數(shù)相當(dāng)?shù)牧魉?jí)數(shù)，從而使各個(gè)模塊都并行地工作，進(jìn)而提高了數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)行效率。

5.實(shí)時(shí)處理的優(yōu)化

為了支持實(shí)時(shí)快速的信號(hào)處理運(yùn)算，在硬件上對(duì)處理流程進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化。如：分支預(yù)測(cè)（Branch predictor）、零開銷循環(huán)（zero overhead loop）等技術(shù)，逐漸得到應(yīng)用。

在IoT領(lǐng)域，DSP又包含了如下特征：

1.低功耗

由于IoT領(lǐng)域?qū)p便的需求，往往選用輕便的供電解決方案（紐扣電池，紙電池等）。因此，低功耗性能便成為決定續(xù)航能力的關(guān)鍵因素。隨著低功耗技術(shù)的發(fā)展，在處理器中對(duì)各個(gè)模塊的運(yùn)行進(jìn)行了周密的配置，遵循“非用即關(guān)”的策略，以節(jié)約功耗。同時(shí)，極力降低睡眠功耗，數(shù)字信號(hào)處理器的睡眠低功耗通常達(dá)到微安級(jí)別。

2.支持無線通信算法

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域包含很多移動(dòng)場(chǎng)景，信號(hào)的傳輸需要通過無線來實(shí)現(xiàn)。因此，包含無線信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，便成了標(biāo)準(zhǔn)配置。其中，無線通信算法的先進(jìn)與否，決定了產(chǎn)品解決方案的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

縱行科技根據(jù)DSP的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新一代LPWAN2.0物聯(lián)網(wǎng)芯片，實(shí)現(xiàn)軟件定義芯片：

1、射頻通道共用，多模時(shí)分終端，即多種協(xié)議不能同時(shí)發(fā)送或接收，在不同時(shí)刻接收和發(fā)送協(xié)議；

2、MCU共用，支持在芯片的MCU核里開發(fā)一種或多種協(xié)議；

3、物理層一些通用技術(shù)，如FFT運(yùn)算，采樣硬化即用ASIC實(shí)現(xiàn)，可變部分如調(diào)制和解調(diào)才用DSP實(shí)現(xiàn)。

該芯片針對(duì)SubG頻段，專門為極低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，休眠功耗低于1uA。同時(shí)，內(nèi)置兩個(gè)PA，支持線性和非線性功放，即可以支持傳統(tǒng)LPWAN信號(hào)發(fā)送，也在必要時(shí)支持其他對(duì)線性要求較高的信號(hào)發(fā)送。

軟件定義芯片使客戶用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持同一個(gè)資產(chǎn)的跟蹤成為可能，即一顆芯片或者一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端就能支持該資產(chǎn)的庫內(nèi)盤點(diǎn)、出庫及快遞點(diǎn)位跟蹤、公路等物流流轉(zhuǎn)可視化跟蹤、以及沙漠海洋等地區(qū)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)跟蹤。

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，物聯(lián)網(wǎng)通信可以根據(jù)用戶的需求特點(diǎn)（例如車載用戶）、業(yè)務(wù)特點(diǎn)（例如實(shí)時(shí)性要求高）基于功耗和成本等，智能化地為用戶選擇最合適的通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)，從而提供更好的QoS。