TurMass? 是道生物聯(lián)開發(fā)的新一代國(guó)產(chǎn)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。它全球首創(chuàng)將大規(guī)模多天線技術(shù)應(yīng)用于窄帶傳輸，實(shí)現(xiàn)了高并發(fā)海量接入。該系統(tǒng)基于免許可隨機(jī)接入大規(guī)模MIMO技術(shù)( mGFRA )，通過(guò)空分復(fù)用和波束成形，顯著提升了系統(tǒng)的接入容量、信號(hào)增益、抗干擾能力、覆蓋范圍以及頻譜效率。

TurMass? 系統(tǒng)包含支持 mGFRA 技術(shù)的網(wǎng)關(guān)芯片、終端芯片以及 TurMass? Link 組網(wǎng)協(xié)議，可支持大容量、高并發(fā)的星型組網(wǎng)，還能擴(kuò)展支持中繼及 Mesh 網(wǎng)絡(luò)靈活拓展信號(hào)覆蓋。

TurMass? 系統(tǒng)主要參數(shù)如下。

表1. TurMass? 核心技術(shù)指標(biāo)

與 LoRa 技術(shù)單一追求擴(kuò)頻和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)低速率通信不同，TurMass? 技術(shù)遵循以下五個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)：

1 更高接收靈敏度速率

為滿足各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接需求，TurMass? 在相同接收靈敏度下，提供更高的通信速率能夠減少終端通信時(shí)間，從而降低通信能耗和延遲。

2 更大容量

為實(shí)現(xiàn)海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接的需求，TurMass? 單個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁有數(shù)萬(wàn)個(gè)連接容量，相對(duì)于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，該容量大大提升。

3 更廣覆蓋

相對(duì)于目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，TurMass? 單基站的覆蓋范圍提升數(shù)十倍，通過(guò)增強(qiáng)覆蓋，在很多惡劣的環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)穿透，增加終端通信的有效性。

4 更低功耗

除通信芯片低功耗設(shè)計(jì)外，TurMass? 網(wǎng)絡(luò)無(wú)需信令交互且在相同覆蓋下提供更高速率，大幅縮短終端數(shù)據(jù)包發(fā)送量及發(fā)送時(shí)長(zhǎng)，顯著降低功耗。

5 國(guó)產(chǎn)化芯片

TurMass? 終端 SoC 為全國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，芯片 modem 采用自主專利先進(jìn)體制波形，具備全國(guó)產(chǎn)化、高性能、低功耗、低成本優(yōu)勢(shì)。

圖1. TurMass? 與 LoRa 多維度對(duì)比

如圖 1 所示，TurMass? 在多個(gè)方面跟 LoRa 對(duì)比有較大優(yōu)勢(shì)；針對(duì)上述五個(gè)方面，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，下面將 TurMass? 與 LoRa 技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。

1 接收靈敏度

TurMass? 終端和 LoRa 終端的發(fā)射功率都設(shè)定為 17 dBm，在不同的路徑損耗下對(duì)比 TurMass? 終端和 LoRa 終端的通信速率，其中丟包率指標(biāo)都設(shè)定為 1%。

圖2. TurMass? 與 LoRa 通信速率對(duì)比

如圖 2 所示，在終端發(fā)射功率為 17 dBm、路徑損耗為 157 dB時(shí)，TurMass? 能夠提供的通信速率為 1.7 kbps，隨著路徑損耗每降低 3 dB，TurMass? 的通信速率能夠提升一倍。相較于 TurMass?，在路徑損耗為 157 dB 時(shí)，LoRa 可提供的通信速率僅為 0.3 kbps。

可以看到，在相同路徑損耗下，即 -140dBm 靈敏度時(shí)，TurMass? 網(wǎng)絡(luò)中的終端通信速率為 1.7 kbps@-140dBm，LoRa 的通信速率為 0.3 kbps@-140dBm，TurMass? 的通信速率約是 LoRa 的 5～6 倍。

2 網(wǎng)絡(luò)容量

單網(wǎng)關(guān)覆蓋評(píng)估模型如圖 3 所示，設(shè)定終端發(fā)射功率為 17 dBm、路徑損耗為 157 dB 以及丟包率小于1%，并進(jìn)一步限定信道帶寬為 125 kHz、用戶發(fā)射周期為 1 次/h、發(fā)射數(shù)據(jù)為 20 byte。在此評(píng)估條件下，本節(jié)對(duì) TurMass? 與 LoRa 的最大吞吐量及單網(wǎng)關(guān)可支持的最大用戶數(shù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

在上述評(píng)估條件下，TurMass? 能夠在 125 kHz帶寬上以 1.7 kbit/s 支持 30 個(gè)用戶并發(fā)，因此TurMassTM最大吞吐量為 30×1.7 kbit/s = 51 kbit/s。對(duì) TurMass? 而言，假如在每個(gè)周期時(shí)隙內(nèi)同步加下行應(yīng)答耗時(shí)占每個(gè)周期時(shí)隙時(shí)間的 50%，那么考慮 TurMass? 傳輸 20 byte 耗時(shí)為 94 ms，用戶發(fā)射周期為 1 次/h，TurMass? 單網(wǎng)關(guān)可支持用戶數(shù)為 1,800/0.094×30≈570,000。

在同等評(píng)估條件下，LoRa 需采用擴(kuò)頻因子 12 模式，即通信速率為 0.3 kbit/s 且信號(hào)帶寬為 125 kHz。LoRa WAN 中定義的 A 類終端可視為采用 ALOHA 協(xié)議隨機(jī)接入。由于 LoRa 在實(shí)際環(huán)境中較難支持多用戶在同一信道并發(fā)，因此采用 ALOHA 協(xié)議的最大吞吐率僅為0.18 kbit/s[9]，LoRa 的最大吞吐量為 0.3 kbit/s×0.18=0.054 kbit/s。根據(jù) ALOHA 協(xié)議的成功率定義

，其中 G 為一幀時(shí)間內(nèi)終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀的平均值，那么要保持 1% 的丟包率時(shí)，LoRa 一幀時(shí)間內(nèi)終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀的平均值為

?？紤] LoRa 傳輸 20 byte 耗時(shí)為 530 ms，用戶發(fā)射周期為 1 次/h，那么 LoRa 單網(wǎng)關(guān)可支持用戶數(shù)約為 3 600/0.53×0.005=34。即便進(jìn)一步放寬 1% 的丟包率到 10%，以提升 LoRa 單網(wǎng)關(guān)可支持的用戶數(shù)，此時(shí) LoRa 單網(wǎng)關(guān)最多可支持用戶數(shù)約為

TurMass? 與 LoRa 網(wǎng)路容量對(duì)比見(jiàn)下表。

表2. TurMass? 與 LoRa網(wǎng)路容量對(duì)比

可以看到，在單個(gè) 125kHz 信道終端隨機(jī)接入時(shí)，TurMass? 網(wǎng)關(guān)的接入容量是 LoRa 的 100 倍以上。

3 信號(hào)覆蓋

評(píng)估模型如圖 3 所示，以萊斯信道作為模型，其中直射路徑損耗設(shè)定為 157 dB（對(duì)應(yīng)城市覆蓋距離約為 1～2 km，郊區(qū)覆蓋距離約為 10～15 km），反射、散射、繞射路徑等總功率設(shè)定為直射路徑信號(hào)功率的 1/10。

圖3. 評(píng)估模型：萊斯信道

在終端側(cè)，TurMass? 終端和 LoRa 終端的發(fā)射功率都設(shè)定為 17 dBm。在網(wǎng)關(guān)側(cè)，等效路徑損耗為接收到的直射和非直射路徑信號(hào)功率之和減去發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)功率。因此，網(wǎng)關(guān)側(cè)的接收信號(hào)功率等于終端發(fā)射功率減去等效路徑損耗。設(shè)定網(wǎng)關(guān)接收靈敏度設(shè)定為 －140 dBm，即只有在網(wǎng)關(guān)接收到的信號(hào)功率大于等于 －140 dBm 時(shí)，才能保證高質(zhì)量通信（丟包率小于 1%）。

在上述設(shè)定條件下，對(duì)比 TurMass? 與 LoRa 的接收信號(hào)功率以體現(xiàn) TurMass? 和 LoRa 的信號(hào)覆蓋性能。

根據(jù)評(píng)估模型，網(wǎng)關(guān)側(cè)的接收信號(hào)功率等于終端發(fā)射功率減去等效路徑損耗。如圖 4 所示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，TurMass? 的平均等效路徑損耗為 148 dB，TurMass? 網(wǎng)關(guān)平均信號(hào)接收功率為 －131 dBm，TurMass? 的通信失敗概率為 0，且有 9 dB 的信噪比余量。對(duì) LoRa 而言，其平均等效路徑損耗為 157 dB，對(duì)應(yīng) LoRa 網(wǎng)關(guān)平均信號(hào)接收功率為 －140 dBm，LoRa 通信失敗概率約為 50%。

圖4.TurMass?與LoRa等效路徑損耗分布對(duì)比

可以看到，在城市典型多徑衰落環(huán)境下，TurMass? 網(wǎng)關(guān)的信號(hào)覆蓋能力優(yōu)于 LoRa 超 10dB，對(duì)應(yīng)覆蓋距離范圍超 3 倍，在戶外廣域直視環(huán)境下，TurMass? 網(wǎng)關(guān)的信號(hào)覆蓋能力優(yōu)于 LoRa 約 6dB，對(duì)應(yīng)覆蓋距離范圍約 2 倍。

4 傳輸能耗

在相同的信號(hào)覆蓋距離下，即設(shè)定終端發(fā)射功率為 17 dBm、路徑損耗為 157 dB 以及丟包率小于 1%，對(duì)比 TurMass? 和 LoRa 的信號(hào)傳輸能耗。

如下表所示，在相同信號(hào)覆蓋距離下，TurMass? 更高的速率帶來(lái)了更短的發(fā)射時(shí)長(zhǎng)，從而大幅降低了發(fā)射能耗，TurMass? 傳輸信息的能耗為 0.12 mJ/bit，而 LoRa 傳輸信息的能耗為 0.5 mJ/bit。

表3. TurMass? 與 LoRa功耗對(duì)比

可以看到，在相同的傳輸距離，傳輸相同的數(shù)據(jù)量時(shí)，TurMass? 網(wǎng)絡(luò)中終端的能耗開銷約是 LoRa 的 1/4。

5芯片方案

TK8620 和 TK8622 無(wú)線終端芯片是采用 TurMass? 技術(shù)，面向低成本、低功耗、中低速率的無(wú)線傳輸終端 SoC 芯片，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、控制等領(lǐng)域的無(wú)線傳輸。

圖5. TK8620 和 TK8622 芯片正面

TK8620、TK8622 與 SX1262 對(duì)比如下：

表4. TK8620與 SX1262芯片對(duì)比

綜上所述，TurMass? 與 LoRa 技術(shù)相比，在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。因此，TurMass? 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景，能夠更好地滿足各種復(fù)雜場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸需求。