5G 新基建系列：微控制器与短距离无线通信

作者：新唐科技微控制器应用事业群技术经理 – 凌立民 (Robert Ling)

物联网世界的通讯标准介绍

物联网的通讯技术依照讯号传输范围，可分为短距离与长距离两大类，其中短距离传输技术依照主要的技术包括Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、Wi-SUN 等，其主要应用于现行的行动装置如手机、平板与穿戴式装置，或是智能家庭、智能工厂与智能照明等领域。而长距离通讯技术过去主要为2G、3G、4G 等行动通讯技术，然因应物联网应用不同于行动通讯对于大带宽、低延迟等传输要求，许多物联网应用对于数据封包需求小、对于延迟容忍程度较大，同时需要覆盖更为广泛或是深入地表等屏蔽较严重的区域，针对上述应用，发展出具备长距离低功耗的通讯技术，统称为低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network，LPWAN)，其中用户许可证频谱通讯技术主要为NB-IoT。下图是一个简单的物联网系统架构图。

短距离无线通信技术：物联网世界的最后一哩路

若是根据长短距离无线通信技术的特性进行采用选择，短距离通讯搭配一般微控制器扮演在终端装置上特别是带传感器进行收集数据的重要角色，我们以下表分析几个重要的技术采用因素：

*1ow-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如: LoRA, SigFox, NB-IoT

*2: ShortRange < 100m, 例如: ZigBee, Thread, Z-Wave or Bluetooth

而在众多短距离的通讯技术领域里，又以IEEE 802.15.x 族群为代表而有许多不同的分支，兹将重要的代表技术整理如下：

短距离通讯技术
	Wi-Fi	ZigBee	Z-Wave	Thread	Bluetooth®	Wi-SUN
标准	IEEE 802.11	IEEE 802.15.4	IEEE 802.15.4	IEEE 802.15.4	Bluetooth SIG、IEEE 802.15.1	IEEE    802.15.4
频谱	2.4GHz/ 5GHz/ 60GHz	868MHz/ 915MHz/ 2.4GHz	868MHz/ 908MHz	868MHz/ 915MHz/ 2.4GHz	2.4GHz	868MHz/ 915MHz/ 2.4GHz
最远传输距离	250m (802.11n)	10~100m	40~200m	10m~100m	10~100m	1000m
最大传输速度	6,757Mb/s (802.11ad)	250Kb/s	40Kb/s	250KB/s	1Mb/s	50Kb/s~    300Kb/s

数据源：各联盟网站，新唐整理

统合先前的整理，我们认为提供一套便于开发且具备数据通讯安全考虑特性的短距离参考设计模块是对业界非常有帮助的。而就以符合 IEEE 802.15.4 的标准中的许多标准如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我们发现 Thread 的发展最有潜力，其原因包括了以下几点：(1)受到大厂的支持如Google、Arm、三星等，Apple 也在 2018 年加入 Thread 阵营。(2)基于 IP 为基础的协议，对于软件通讯协议的整合非常容易达成。(3)高度标准化、高度互操作性、高安全性且适合电池供电方式的装置。下图是一个市场发展的预测统计表。

简单由上图来看，基于 IEEE 802.15.4 为基础相关协议的应用预期仍是成长的，主要是集中在 ZigBee 和 Thread，特别是 Thread。而在应用方面，根据市调资料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 为主要的应用领域。

NuMicro M2351的 Thread 参考设计方案

新唐跟位于英国的 Cascoda 公司合作推出了微控制器加上 802.15.4 内含 MAC(Media Access Control) layer 的 Transceiver 的参考设计。由于 M2351 可以提供 TrustZone® 加上 XOM 功能，所以通讯协议层可以依据程序开发的规划放在安全区或 XOM (eXecute-Only Memory) 内部，又由于 Cascoda 的 Transceiver ICs (CA8210, CA8211) 都有内含 MAC 层的先期处理 (ROM-based MAC firmware 与 MAC Co-processor)，所以 M2351 这一端负责 MAC 层后期处理与其上 IP 层以上包含应用层的处理游刃有余。如此包含 MAC 前期处理方案 (Low-MAC Transceiver) 有以下好处：

1.         通讯协议的 API 受 Timing 的影响较小，反应时间快，比较符合标准

2.         对于特定微控制器与 OS 的依存度较小

3.         纯软件处理 MAC 层的作法较没有风险，协定不容易遭窜改，比较安全

我们整理 M2351 端的软件应用架构图如下：

由上述的结构图可以实现基于 Cascoda 在无线传输收发器的创新专利达成约 3 倍的无线传输功率提升，比其一般的解决方案可以增加一倍的收发距离同时兼顾超低功耗的表现，换言之对于装配电池的装置有更长的电池使用时间。更甚者，不需要加另一颗专注处理无线通信协议的微控制器，整个参考设计模块内含的两颗主要芯片就可以完全应付通讯与终端产品的设计需求，例如无线抄表、远距监控、智慧家庭、智能工厂与智能大楼等物联网应用。

新唐 802.15.4 Thread 参考设计方案的细部特点与带来的市场机会

新唐 M2351 微控制器由于有充足的资源，除了可利用 TrustZone® 区域放置 OpenThread 通讯协议，仍有剩余内存空间跑上层应用，甚或 RTOS，这些上层应用或 RTOS 可以放到 TrustZone® 外的非安全区以充分利用 Armv8-M 的特性做到对外链接网络通讯时的软件安全保障。这样的方案可以带来以下的市场机会：

(A)  倍增的收讯距离解决了服务范围的稳定问题。

(B)  符合标准的参考设计平台。完全兼容于现有的 802.15.4 Thread 标准，Cascoda 跟新唐更提供免费的 OpenThread Stack 参考设计，方便通讯软件协议开发人员做整合。

(C)  通讯/监控区域的宽广覆盖且兼顾低功耗。

(D) 快速跟进市场上的主流应用。802.15.4 已经存在于 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，Cascoda 和新唐提供的是一个开放通用平台，非常便于各类需要类短距离通讯的产品开发设计，是一个创新、安全又兼具高效能的 802.15.4 Thread 终端产品参考设计范例。