廣泛應用于物聯網 (IoT) 中的無線協議具有許多共同的屬性。多協議 SoC 可以運行所有的協議，簡化了多種無線設計。我們希望控制生活中無數的設備和系統。例如當我進入家里或辦公室的房間時，希望能夠用開關控制燈。當我離開家時，我希望設置我的安全警報并鎖上門。許多這樣的系統已經被安裝，并且成為一套完善的基礎設施的一部分。

物聯網的技術演變

物聯網正在改變我們的期望。現在，我希望通過智能手機遠程監測和控制我家的溫度;希望我的辦公樓在沒有人的時候關掉燈來節約能源;希望建筑物知道我什么時間在那里，并確保我周圍的環境舒適安全。

為了實現我們日益連通的世界，無數的物聯網設備和系統已經在我們幾乎沒有注意到的情況下被部署。我們的家庭、辦公室、工廠乃至城市基礎設施中有許多的無線安全系統、通行卡、占用傳感器、遠程溫度傳感器和其它連網設備。

支撐物聯網的有線和無線傳感器的復雜網絡已經開發和部署了數十年。替換這些傳感器網絡的代價將是昂貴的。物聯網的成功正在提高目標。隨著多協議技術的出現，新的無線傳感器節點的部署現在變得更加容易了。該技術包括硬件和軟件，可使單個片上系統(SoC)設備支持多種無線協議，如低功耗藍牙(Bluetooth low energy，BLE)、Zigbee和Thread。并且它橫跨從Sub-GHz到2.4GHz的多個頻率。

然而，由于物聯網基礎設施建立在傳統系統的基礎上，我們還必須考慮將新的802.15.4無線技術添加到物聯網早期部署的已有基礎設施上所帶來的挑戰。傳統系統的支持并不是唯一的挑戰，還要考慮常用于解決類似連接性挑戰的競爭性協議標準所帶來的復雜性。

典型的物聯網節點

關于我們周圍的大量傳感器網絡，首先需要了解的是它們基于的微控制器(MCU)技術以及某種傳感元件。它們一起將模擬環境轉換為數字數據包，一旦量化，數據往往必須進入云以進一步處理。在許多情況下，選擇的傳輸方式是無線傳輸。無線傳感器數據包通常很小，無線節點本身必須有效地利用大小、成本和功耗。

圖說：交換多協議方案

過去為了實現這一連接過程，許多供應商使用了Sub-GHz射頻，以及針對電池壽命進行了優化的輕量級無線協議。他們被迫自行制定自己的協議，因為既有的選擇太耗電或者無法覆蓋期望的范圍。然而，現在開發者有很多強大的、高效的、基于標準的選擇可用，包括Zigbee，Thread和低功耗藍牙(BLE)。

物聯網設備的設計人員往往面臨一種困境，即設計的單一產品既要能夠與所有無線標準一起工作，同時要最小化BOM(物料清單)成本和復雜性。只有少量的設備制造商有資源或時間來創建特殊設計，以支持每種有可能用于物聯網的無線標準。

多協議、多頻段SoC通過在一個高度集成的SoC 芯片中支持Sub-GHz專有頻率以及2.4GHz頻段基于標準的協議，將開發人員從這種困境中解放出來。理想情況下，多協議、多頻段SoC的無線收發器具有兩個無線路徑：一個用于Sub-GHz傳輸，一個用于2.4 GHz傳輸。這種集成的無線架構給予物聯網開發人員很大的靈活性來應對多種應用場合。

考慮一下集成到無線SoC中的典型多頻帶收發器的信號鏈。無線收發器的一些部件是共享的，一些是分開的。例如，RF部分必須具有單獨的部件來處理不同的頻率要求。但調制解調器(由調制器、解調器和一些加密硬件組成)可以在兩個無線前端共享。

這種無線架構為多協議、多頻段SoC設計創建了高度優化、一致和經濟的方法。不同的協議棧可以共享調制解調器來實現各種通信標準。調制解調器也在RF部分之間進行復用以接收和發送包。這種共享架構也非常適合軟件開發，因為它提供了射頻功能的通用接口。因此，它允許開發人員創建可以在不同協議棧之間共享的無線配置層。

圖說：動態多協議連接

實現多協議、多頻段系統所需的軟件很復雜。無線協議棧必須是高效的，并且必須適用于廣泛的硬件產品。它們還必須在多線程環境中與實時操作系統(RTOS)一起工作。在多協議應用程序中，多協議棧必須無縫地一起工作或獨立工作，從而不會導致臃腫或降低效率。當兩個協議棧在具有共享硬件的同一個SoC上運行時，必須以保持網絡完整性的方式來實現。這是一個復雜的任務。

多協議/多頻段系統被證明可用于各種各樣的用途。可編程多協議連接很容易解釋和實現。當單個器件可以橫跨多個最終產品部署時，工程管理人員將認識到大量的代碼可被重用，以提高效率。工程師可以指定單一型號的器件以運行Zigbee、Thread、BLE 或者專有協議。然后，他們可以在生產時決定產品是否運行藍牙或作為Sub-GHz產品運行。這種方法使制造商能夠最大限度地降低財務風險，同時保持最大的生產靈活性。

當設備已經部署在現場時，交換多協議方案(如圖2)允許連網設備通過引導加載新的固件映像來更改它們運行的無線協議。例如，這種技術可能會使用智能手機連接從低功耗藍牙切換到Zigbee、Thread或其它無線網絡。

交換多協議對終端消費者具有很大的意義。例如，這項技術使安裝人員能夠通過智能手機應用程序來配置和校準產品。這項功能在部署Thread 或Zigbee節點時特別有用。

圖說：多協議應用案例比較

在各種網絡中的配置可能很困難。交換多協議技術簡化了這項工作，它使物聯網產品在一開始就能夠使用BLE，之后再將其配置并切換到其它網狀網絡協議。與動態多協議相比，交換多協議的優點在于需要更少的設備資源，因為不需要在多個無線設備之間物理存儲和運行多個協議。

在單個無線芯片上運行三種通信協議棧的動態多協議連接如圖3所示。通過時間分片機制，實現了在協議之間共享無線。這種動態方法允許使用低功耗藍牙與其它無線協議。在這個簡單的示例中，通常在Zigbee上運行的設備周期性地使用藍牙信標功能。

使用動態多協議，可以通過分時共享物理資源來支持一個SoC的兩種協議(或更多)。動態多協議通常使用更多的設備資源，如閃存，并具有更復雜的軟件架構。它還需要細致的射頻設計以在不同協議之間動態共享無線資源。

圖說：IoT覆蓋與數據率的關系

雖然動態多協議方案使用更多的硬件資源，但考慮到這種方法帶來的價值，這種選擇是值得的。在許多情況下，動態多協議技術將設計復雜性和整體系統成本降低了至少50%。這些節省來自于僅使用一個SoC設備，而不是使用兩個或更多個芯片以及分布式規則引擎和不同的協議棧架構。單個多協議SoC與強大的RTOS、精心設計的無線協議棧和本地應用程序相結合，可以輕松實現需要多種連接模式的物聯網設計。

并發多協議在部署Thread和Zigbee網絡的網關設計中特別有用。在這里，由于協議和無線配置之間的相似性，許多軟件和硬件資源可以按原樣重用。例如，Thread和Zigbee共享相同的PHY和MAC層，最大限度地減少了重新配置收發器的需要。此外，Thread和Zigbee在通信協議棧中共享一些更高的共同元素，這使資源共享更加高效。結果是設備可以使用更小的內存占用，這有助于降低最終產品的成本。

總結

目前只有少數SoC供應商可提供基于高度集成的SoC和優化軟件的多協議產品。更少的供應商可提供必要的開發工具，以簡化多協議無線設計的復雜性。成功地實現系統中多協議棧無縫工作是一項挑戰。

使事情變得困難的是，有時無線設計團隊遍布世界各地，有不同的設計目標，或者可能是不同業務部門的一部分。當多個協議棧來自不同的公司或社區資源時，設計一個功耗和內存受限的可靠系統將變得非常困難。

協議必須在受限系統中有效地使用硬件，以避免浪費CPU周期和內存資源。特別重要的是要有效地處理協議棧之間的切換，否則會產生沖突和/或浪費能量。浪費CPU周期可能會對電池壽命產生破壞性影響。協議棧的低效還可能導致需要更多的內存，從而增加系統成本。為了確保開發出成功的應用程序，開發人員必須仔細考慮每個組件，如設備硬件(SoC或模塊)、無線電調度程序、協議棧和RTOS。

多協議、多頻段解決方案的需求將繼續增長，因為對于所有物聯網應用而言，沒有哪一種無線協議是完美的。在一個更互聯的世界中，我們將繼續看到連網設備和嵌入式軟件變得越來越復雜，以滿足物聯網的多樣化需求。