中國 5G 新基建系列：微控制器與短距離無線通訊
Posted: 30 Apr 2020, 16:45
作者：新唐科技 微控制器技術經理 淩立民 (Robert Ling)
物聯網世界的通訊標準介紹
物聯網的通訊技術依照訊號傳輸範圍，可分為短距離與長距離兩大類，其中短距離傳輸技術依照主要的技術包括 Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、Wi-SUN 等，其主要應用於現行的行動裝置如手機、平板與穿戴式裝置，或是智慧家庭、智慧工廠與智慧照明等領域。而長距離通訊技術過去主要為 2G、3G、4G 等行動通訊技術，然因應物聯網應用不同於行動通訊對於大頻寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯網應用對於資料封包需求小、對於延遲容忍程度較大，同時需要覆蓋更為廣泛或是深入地表等遮罩較嚴重的區域，針對上述應用，發展出具備長距離低功耗的通訊技術，統稱為低功耗廣域網路技術 (Low Power Wide Area Network，LPWAN)，其中使用授權頻譜通訊技術主要為 NB-IoT。下圖是一個簡單的物聯網系統架構圖。
短距離無線通訊技術：物聯網世界的最後一哩路
若是根據長短距離無線通訊技術的特性進行採用選擇，短距離通訊搭配一般微控制器扮演在終端裝置上特別是帶感測器進行收集資料的重要角色，我們以下表分析幾個重要的技術採用因素：
*1: Low-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如: LoRA, SigFox, NB-IoT
*2: Short Range < 100m, 例如: ZigBee, Thread, Z-Wave or Bluetooth
而在眾多短距離的通訊技術領域裡，又以 IEEE 802.15.x 族群為代表而有許多不同的分支，茲將重要的代表技術整理如下：
資料來源：各聯盟網站，新唐整理
統合先前的整理，我們認為提供一套便於開發且具備資料通訊安全考慮特性的短距離參考設計模組是對業界非常有幫助的。而就以符合 IEEE 802.15.4 的標準中的許多標準如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我們發現 Thread 的發展最有潛力，其原因包括了以下幾點：(1)受到大廠的支持如Google、Arm、三星等，Apple 也在 2018 年加入 Thread 陣營。(2)基於 IP 為基礎的協定，對於軟體通訊協定的整合非常容易達成。(3)高度標準化、高度互通性、高安全性且適合電池供電方式的裝置。下圖是一個市場發展的預測統計表。
簡單由上圖來看，基於 IEEE 802.15.4 為基礎相關協議的應用預期仍是成長的，主要是集中在 ZigBee 和 Thread，特別是 Thread。而在應用方面，根據市調資料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 為主要的應用領域。
NuMicro M2351的 Thread 參考設計方案
新唐跟位於英國的 Cascoda 公司合作推出了微控制器加上 802.15.4 內含 MAC(Media Access Control) layer 的 Transceiver 的參考設計。由於 M2351 可以提供 TrustZone® 加上 XOM 功能，所以通訊協定層可以依據程式開發的規劃放在安全區或 XOM (eXecute-Only Memory) 內部，又由於 Cascoda 的 Transceiver ICs (CA8210, CA8211) 都有內含 MAC 層的先期處理 (ROM-based MAC firmware 與 MAC Co-processor)，所以 M2351 這一端負責 MAC 層後期處理與其上 IP 層以上包含應用層的處理遊刃有餘。如此包含 MAC 前期處理方案 (Low-MAC Transceiver) 有以下好處：
1. 通訊協定的 API 受 Timing 的影響較小，反應時間快，比較符合標準
2. 對於特定微控制器與 OS 的依存度較小
3. 純軟體處理 MAC 層的作法較沒有風險，協定不容易遭竄改，比較安全
由上述的結構圖可以實現基於 Cascoda 在無線傳輸收發器的創新專利達成約 3 倍的無線傳輸功率提升，比其一般的解決方案可以增加一倍的收發距離同時兼顧超低功耗的表現，換言之對於裝配電池的裝置有更長的電池使用時間。更甚者，不需要加另一顆專注處理無線通訊協定的微控制器，整個參考設計模組內含的兩顆主要晶片就可以完全應付通訊與終端產品的設計需求，例如無線抄表、遠距監控、智慧家庭、智慧工廠與智慧大樓等物聯網應用。
新唐 802.15.4 Thread 參考設計方案的細部特點與帶來的市場機會
新唐 M2351 微控制器由於有充足的資源，除了可利用 TrustZone® 區域放置 OpenThread 通訊協定，仍有剩餘記憶體空間跑上層應用，甚或 RTOS，這些上層應用或 RTOS 可以放到 TrustZone® 外的非安全區以充分利用 Armv8-M 的特性做到對外連結網路通訊時的軟體安全保障。這樣的方案可以帶來以下的市場機會：
1. 倍增的收訊距離解決了服務範圍的穩定問題。
2. 符合標準的參考設計平臺。完全相容于現有的 802.15.4 Thread 標準，Cascoda 跟新唐更提供免費的 OpenThread Stack 參考設計，方便通訊軟體協定開發人員做整合。
3. 通訊/監控區域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。
4. 快速跟進市場上的主流應用。802.15.4 已經存在於 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，Cascoda 和新唐提供的是一個開放通用平臺，非常便於各類需要類短距離通訊的產品開發設計，是一個創新、安全又兼具高效能的 802.15.4 Thread 終端產品參考設計範例。
物聯網世界的通訊標準介紹
物聯網的通訊技術依照訊號傳輸範圍，可分為短距離與長距離兩大類，其中短距離傳輸技術依照主要的技術包括 Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、Wi-SUN 等，其主要應用於現行的行動裝置如手機、平板與穿戴式裝置，或是智慧家庭、智慧工廠與智慧照明等領域。而長距離通訊技術過去主要為 2G、3G、4G 等行動通訊技術，然因應物聯網應用不同於行動通訊對於大頻寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯網應用對於資料封包需求小、對於延遲容忍程度較大，同時需要覆蓋更為廣泛或是深入地表等遮罩較嚴重的區域，針對上述應用，發展出具備長距離低功耗的通訊技術，統稱為低功耗廣域網路技術 (Low Power Wide Area Network，LPWAN)，其中使用授權頻譜通訊技術主要為 NB-IoT。下圖是一個簡單的物聯網系統架構圖。
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短距離無線通訊技術：物聯網世界的最後一哩路
若是根據長短距離無線通訊技術的特性進行採用選擇，短距離通訊搭配一般微控制器扮演在終端裝置上特別是帶感測器進行收集資料的重要角色，我們以下表分析幾個重要的技術採用因素：
- IoT communication distance.png (13.06 KiB) Viewed 1999 times
*2: Short Range < 100m, 例如: ZigBee, Thread, Z-Wave or Bluetooth
而在眾多短距離的通訊技術領域裡，又以 IEEE 802.15.x 族群為代表而有許多不同的分支，茲將重要的代表技術整理如下：
- short distance communication.png (26 KiB) Viewed 1999 times
統合先前的整理，我們認為提供一套便於開發且具備資料通訊安全考慮特性的短距離參考設計模組是對業界非常有幫助的。而就以符合 IEEE 802.15.4 的標準中的許多標準如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我們發現 Thread 的發展最有潛力，其原因包括了以下幾點：(1)受到大廠的支持如Google、Arm、三星等，Apple 也在 2018 年加入 Thread 陣營。(2)基於 IP 為基礎的協定，對於軟體通訊協定的整合非常容易達成。(3)高度標準化、高度互通性、高安全性且適合電池供電方式的裝置。下圖是一個市場發展的預測統計表。
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簡單由上圖來看，基於 IEEE 802.15.4 為基礎相關協議的應用預期仍是成長的，主要是集中在 ZigBee 和 Thread，特別是 Thread。而在應用方面，根據市調資料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 為主要的應用領域。
- IoT applications stat.png (33.33 KiB) Viewed 1999 times
NuMicro M2351的 Thread 參考設計方案
新唐跟位於英國的 Cascoda 公司合作推出了微控制器加上 802.15.4 內含 MAC(Media Access Control) layer 的 Transceiver 的參考設計。由於 M2351 可以提供 TrustZone® 加上 XOM 功能，所以通訊協定層可以依據程式開發的規劃放在安全區或 XOM (eXecute-Only Memory) 內部，又由於 Cascoda 的 Transceiver ICs (CA8210, CA8211) 都有內含 MAC 層的先期處理 (ROM-based MAC firmware 與 MAC Co-processor)，所以 M2351 這一端負責 MAC 層後期處理與其上 IP 層以上包含應用層的處理遊刃有餘。如此包含 MAC 前期處理方案 (Low-MAC Transceiver) 有以下好處：
1. 通訊協定的 API 受 Timing 的影響較小，反應時間快，比較符合標準
2. 對於特定微控制器與 OS 的依存度較小
3. 純軟體處理 MAC 層的作法較沒有風險，協定不容易遭竄改，比較安全
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新唐 802.15.4 Thread 參考設計方案的細部特點與帶來的市場機會
新唐 M2351 微控制器由於有充足的資源，除了可利用 TrustZone® 區域放置 OpenThread 通訊協定，仍有剩餘記憶體空間跑上層應用，甚或 RTOS，這些上層應用或 RTOS 可以放到 TrustZone® 外的非安全區以充分利用 Armv8-M 的特性做到對外連結網路通訊時的軟體安全保障。這樣的方案可以帶來以下的市場機會：
1. 倍增的收訊距離解決了服務範圍的穩定問題。
2. 符合標準的參考設計平臺。完全相容于現有的 802.15.4 Thread 標準，Cascoda 跟新唐更提供免費的 OpenThread Stack 參考設計，方便通訊軟體協定開發人員做整合。
3. 通訊/監控區域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。
4. 快速跟進市場上的主流應用。802.15.4 已經存在於 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，Cascoda 和新唐提供的是一個開放通用平臺，非常便於各類需要類短距離通訊的產品開發設計，是一個創新、安全又兼具高效能的 802.15.4 Thread 終端產品參考設計範例。