使用多協定、多頻段無線 SoC 簡化 IIoT 網路的部署

技術不斷創新，導致物聯網 (IoT) 應用有多種彼此不相容的無線連線選項。雖然選擇多是件好事，但也會增加無線網路部署的複雜度，特別是在已裝有舊型工業物聯網 (IIoT) 設備的情況下。此時可能已部署了多種無線網路，而現在又需要在多個設施中加裝數百或數千個感測器。

為了解決這個問題，IoT 收發器製造商開發出低成本、低功率的系統單晶片 (SoC) 解決方案，可在單一裝置中跨多個 RF 頻段支援多重協定。

本文簡要探討在廣泛使用短程無線通訊標準與規範時所面臨的設計挑戰。接著介紹 NXP、Texas Instruments、Silicon Labs 和 Analog Devices 的系統單晶片產品。這些產品可讓設計人員靈活地因應多種 RF 介面，並探索相關功能及所支援的無線協定。

無線選項挑戰

數年前，市面上只有少量的 IoT 收發器或微控制器 SoC 可以支援超過一種的無線協定，所以邊緣設備的製造商會選擇一種，然後用於整個產品線。以家庭自動化為例。在這個首款真正意義的 IoT 應用中，一家「智慧」照明產品製造商可能採用 Zigbee 協定，而另一家採用 Z-Wave，還有一家則是 Wi-Fi；對於一項已經相當複雜的新技術，這種情形只會讓消費者感到更困惑。

IIoT 市場現在面臨同樣的挑戰，只不過規模更大而已。與地理區域已明確定義的家庭不同，大型製造商可能在全球各地都有廠房，需要支援各種不同的設備及法規要求。多協定、多頻段收發器與微控制器 SoC 的出現，使得工程師可以更輕鬆部署此類裝置，以及相關系統和網路架構。隨著這些 SoC 越來越常用於邊緣設備中，使用來自單一廠商的 SoC，在邊緣配置採用多種無線協定的網路漸漸成為可能。

典型的 IoT SoC 功能

典型的 IoT SoC 包括基頻區塊以及以 IEEE 802.15.4 實體層 (PHY) 無線介面為架構的 RF 區塊，可用於建立低速無線個人區域網路 (LR-WPAN)；此外，還包括 Arm 主機處理器與輔助處理器、AES-128 等加密區塊，以及真實亂數產生器 (TRNG)。另外，還有電源與感測器管理電路、多個時脈與計時器以及若干 I/O 選項 (圖 1)。由於 Zigbee 已成為非常受歡迎的工業應用協定，因此前述裝置幾乎普遍支援該協定，以及類似的低數據傳輸率協定，如 Thread。

圖 1：如此方塊圖所示，Texas Instruments 的 CC26xx 系列 SimpleLink SoC 是具代表性的無線物聯網 SoC。其主機處理器是 Arm Cortex-M3，並受到 Arm Cortex-M0 輔助處理器的支援。(圖片來源：Texas Instruments)

本實例還包含低功耗藍牙 (第 4 版)，也支援逐漸增加藍牙 5 (第 5.1 版)。第 5.1 版採用網狀網路，讓藍牙成為另一種可適用大規模 IoT 且相當有競爭力的協定。然而，並非所有 SoC 都可支援此版本，因此請務必確認您考慮使用的 IIoT 裝置是否支援 5.1 版。

有些裝置還支援使用 IPv6 建立低功率無線個人區域網路 (6LoWPAN)，這是網際網路工程任務推動小組 (IETF) 依據 802.15.4 PHY 而定義的開放式標準。6LoWPAN 包含實作 IPv6 所需的 IP 標頭壓縮 (IPHC)，以及可在 802.15.4 PHY 層及媒體存取控制 (MAC) 層上實現的標準 TCP/UDP 層；此外，6LoWPAN 也可在 900 MHz (或更低) 頻率以及 2.45 GHz 頻率下運作。

連至網際網路的上行鏈路將由 IPv6 邊緣路由器處理，而此路由器還連接多台 PC 及伺服器 (圖 2)。6LoWPAN 網路本身會使用自己的邊緣路由器連至 IPv6 網路路由器。

圖 2：具備 6LoWPAN 網狀網路的 IPv6 網路。連至網際網路的上行鏈路將由充當 IPv6 路由器的存取點處理，並連至 IPv6 邊緣路由器，而此路由器還可能連接多台 PC 及伺服器。6LoWPAN 網路使用邊緣路由器連至 IPv6 網路。(圖片來源：Texas Instruments)

6LoWPAN 具有與眾不同的特性，其中一項是能夠使用標準的網際網路協定，將端對端封包提供至任何地點，這使設計人員可在所有應用中使用 MQTT、CoAP 及 HTTP 等高階訊息傳送協定。

與本文提到的其他協定一樣，此協定不僅可用於 2.4 GHz，還可在「低於 1 GHz」的無線電上運行，因而具有良好的傳播特性。例如，6LoWPAN 的相關展示表明，在 900 MHz 的頻率下，使用 RF 輸出功率為 +12 dBm 的收發器時，可涵蓋長達四英里的距離。較低的頻率在室內特別有用，因為其穿牆能力更佳。只要經過適當地配置並搭配合適的橋接器，6LoWPAN 便可和其他任何 IP 網路互通，包括乙太網路、Wi-Fi，甚至蜂巢數據網路。

基本協定

目前，尚無任何 SoC 能夠支援所有可在 IoT 中使用的無線協定。這對 IIoT 網路設計人員而言，不是特別要緊的事，其原因在於某些協定正廣泛用於消費性產品市場，如 Thread 和 Z-Wave。這種趨勢會減少 Zigbee 以及 6LoWPAN 與藍牙協定的競爭者。前者是目前最流行的工業 IoT 協定。也就是說，任何支援 802.15.4 標準的 SoC，都應能搭載 Zigbee、LPWAN、Thread，以及可能的自行研發解決方案，當然前提是這些解決方案可以在相同的頻段內運作。

由於 Wi-Fi 的功耗相對較高，對於小型電池供電的低功率邊緣設備應用，多協定 SoC 中通常不會包含 Wi-Fi。在 IoT 中，WiFi 主要用於功耗並非關鍵衡量指標的回程及閘道至網際網路的存取。然而，由於 Wi-Fi 的數據傳輸率高且幾乎無處不在，因此在城市升級照明、監視及其他基礎設施中，Wi-Fi 相當必要。

針對這些應用，Wi-Fi 單晶片 SoC 已經上市達數年之久，隨著許多要求極高數據傳輸率的 IoT 應用的相繼採用，其應用也持續成長。Texas Instruments 的 CC3100R11MRGCR Wi-Fi 網路處理器，便是其中一個僅提供 Wi-Fi 選項的 SoC，其具有 2.4 GHz Wi-Fi 無線電和網路處理器以及晶片上 Web 伺服器和 TCP/IP 堆疊。搭配 TI 或任何製造商的微控制器後，此產品即可在兩個小型裝置間形成完整的 Wi-Fi 解決方案。

不過，市面上也有許多合併 Wi-Fi 與藍牙功能的 SoC，因為這兩種協定非常流行和互補。例如，Texas Instruments 的 WL1831MODGBMOCR 是該公司 WiLink 8 Wi-Fi／藍牙組合式模組系列中的產品，可同時支援藍牙與低功耗藍牙。在 Wi-Fi 方面，此產品支援 IEEE 802.11b/g/n 協定以及 Wi-Fi Direct，最大數據傳輸率可達 100 Mbits/s。其具有 2 x 2 MIMO 能力，涵蓋範圍是使用單一天線裝置的 1.4 倍，而且在 Wi-Fi 模式下，消耗的電流不到 800 µA。在藍牙功能方面，此產品符合藍牙 4.2 安全連線標準，可透過主機控制器介面在 UART 上實現藍牙傳輸，同時提供音訊處理器，支援藍牙進階播音設定檔 (A2DP) 的子頻段編解碼器。

此產品採用 13.3 × 13.4 × 2 mm 的封裝，具有 RF 功率放大器、RF 開關、濾波器以及其他被動元件，還包括電源管理和其他資源，如 4 位元 SDIO 主機介面。

Silicon Labs 的 Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D 多協定 SoC 採用非常有趣的作法，將微控制器與在 169 MHz 和 2.450 GHz 之間的關鍵頻率下工作的收發器整合在一起。因此，可與低功耗藍牙、藍牙 5.1、Zigbee、Thread 甚至 802.15g 相容。802.15g 是針對智慧電網網路中超大型公用事業應用設計的變化版標準，而智慧電網網路可能在極為分散的區域內具有數百萬個固定端點。

在 Mighty Gecko 系列中，有些裝置支援在低於 1 GHz 下工作的網路，因此可針對特定應用進行定制並支援各種不同的調變機制，如 OOK、整形 FSK、整形 OQPSK 及 DSSS 調變。

Texas Instruments 的 SimpleLink 平台包含相關硬體，可支援低功耗藍牙、藍牙 5.1、Thread、W-Fi、Zigbee，以及 6LoWPAN 等「低於 1 GHz」解決方案，以及乙太網路、CAN 和 USB 等有線標準。這些裝置可支援二或三種無線協定，具體視相關型號而定。系列內的每個型號都由單個軟體開發環境支援。

例如，CC2650F128RHBR SimpleLink 多標準無線 MCU 可支援藍牙、Zigbee、6LoWPAN 以及遠端控制應用，如適用於消費性電子產品的 Zigbee 射頻 (RF4CE) 等。後項協定是 IEEE 802.15.4 的加強版，且具有網路層與應用層，可打造多廠商互通的解決方案。CC2650 使用 32 位元 Arm Cortex-M3 作為主機控制器，可搭配自主運作的功率感測器控制器，即使整體系統在睡眠模式下也都沒問題。藍牙控制器和 802.15.4 MAC 使用不同的 Arm Cortex-M0 處理器，可釋放記憶體來支援應用。

NXP Semiconductors 的 MKW40Z160VHT4 SoC 符合低功耗藍牙和 802.15.4 標準 (支援 Zigbee 和 Thread 協定)。此產品可在 2.36 GHz 和 2.48 GHz 之間運作並使用 Arm Cortex-M0+ CPU、藍牙鏈路層硬體以及 802.15.4 封包處理器。除了主要用作完整的子系統外，此產品還可以充當數據機，為現有嵌入式控制器增添藍牙或 802.15.4 連線功能；或者在不需主機控制器的嵌入式應用中充當獨立的無線感測器。

Analog Devices 的 LTC5800IWR-IPMA#PBF 多協定 SoC 不僅支援前述的 802.15.4 型協定，還支援另一個發展歷史頗為有趣的 SmartMesh 協定。此協定由美國加州大學柏克萊分校電氣工程和電腦科學系教授 Kris Pister，於 1990 年代晚期開發，開發經費來自 DARPA 的 Smart Dust 計畫。此計畫的目標是發明一種高度可靠且可由電池或能源採集供電的小型無線電裝置。主要客戶是基礎設施分佈廣泛的管線公用事業商，這些設施通常會在相當惡劣的環境中運作。

為了將這項技術商業化，Pister 找人聯合創辦了 Dust Networks，開始建立稱為 SmartMesh 的網狀無線感測器網路。2011 年，該公司被 Linear Technology 併購，後者本身又被 Analog Devices 於 2017 年併購。SmartMesh 便在這裡存續下來，一直到現在用於 IIoT 中。

SmartMesh 由一個自我形成的多躍點節點網狀網路 (稱為 Mote) 以及一個網路管理器構成，前者用於蒐集並傳遞數據，後者則用於協調效能和安全性，並與主機應用交換數據 (圖 3)。由於可靠性是 DARPA 計畫的核心要求之一，因此 SmartMesh 具備這一能力，即使在嚴苛的環境條件下，運行時間也可達到 99%。SmartMesh 的通訊協定是一種展頻變體，稱為時隙通道跳頻 (TSCH)，可將網路中的所有 Mote 同步至幾微秒內。

圖 3：在 SmartMesh 網路中，每個節點都可充當路由器，因此可在任意點連接新的節點。此技術最多可支援 50,000 個節點。(圖片來源：Analog Devices)

該網路中的所有 Mote 都能同步至不到 1 ms 內，電池續航力超過 10 年。只需要電源供應器解耦裝置、晶體和天線，即可建立完整的無線節點。當使用全向性 2 dBi 增益天線時，LTC5800-IPM 在戶外的典型工作距離可達 300 m；室內則為 100 m。

結論

由於無線協定有多個變化版本，再加上還有一些舊系統可能需要支援，因此很難選出正確的無線介面及協定用於 IIoT 部署。如前面所述，跨多個 RF 頻段支援多個短程無線協定的 IoT SoC，可為設計人員提供更大的靈活性，從而極大簡化 IIoT 網路的部署。