1 概述

TurMass? 是全球首創(chuàng)的將大規(guī)模多天線技術(shù)用于窄帶無(wú)線傳輸并實(shí)現(xiàn)高并發(fā)海量接入性能的系統(tǒng)，基于免許可隨機(jī)接入大規(guī)模 MIMO 技術(shù)(mGFRA)，通過空分復(fù)用和波束成形極大地提升系統(tǒng)的接入容量、信號(hào)增益、抗干擾能力、覆蓋能力以及頻譜效率。

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)

2 高性能調(diào)制技術(shù)

針對(duì)窄帶無(wú)線傳輸對(duì)于抗頻偏、低功耗、高Eb / N0性能的需求，TurMass? 基帶采用獨(dú)創(chuàng)的恒包絡(luò)差分相頻二維調(diào)制技術(shù)（CP-DPFSK），每個(gè)調(diào)制符號(hào)包含相位及頻率二維信息。與傳統(tǒng)的窄帶通信調(diào)制方式相比，CP-DPFSK 調(diào)制的優(yōu)勢(shì)如下：

2.1 抗頻偏

CP-DPFSK 融合差分相位及頻率調(diào)制，兩種調(diào)制方式均具備較強(qiáng)的抗頻偏能力，能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)終端低成本晶振（典型：30ppm）及衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

2.2 恒包絡(luò)

CP-DPFSK 采用恒包絡(luò)技術(shù)，終端芯片射頻可采用非線性 PA，功耗顯著降低。

2.3 高Eb/N0性能

CP-DPFSK 具備接近 BPSK 的 Eb / N0 性能，優(yōu)于 LoRa 所采用的 CSS 調(diào)制。

CP-DPFSK 與不同窄帶調(diào)制的 Eb / N0 性能對(duì)比如下，其中BPSK+Polar1/2 ML bound 代表 1 / 2 碼率下趨近香農(nóng)極限的性能，可以看到 DPFSK 的性能優(yōu)于 LoRa 的 CSS 調(diào)制，也優(yōu)于傳統(tǒng)小無(wú)線采用的 FSK 調(diào)制。

圖1.CP-DPFSK?與不同窄帶調(diào)制的 Eb / N0 性能對(duì)比

3高效時(shí)隙雙工

圖2.TurMass? 物理幀時(shí)隙示意圖

TurMass? 采用 TDD 時(shí)隙雙工方式，時(shí)隙是物理幀最小單位，表示一個(gè)時(shí)間分片，分片長(zhǎng)度可以調(diào)整。圖 2 是一種典型的物理幀結(jié)構(gòu)，由1 個(gè) BCN 時(shí)隙和 2 個(gè) Data 時(shí)隙組成，Data 時(shí)隙可以用于數(shù)據(jù)接收或發(fā)送。終端在 BCN 時(shí)隙完成同步后，在 Data 時(shí)隙發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖 3 是一個(gè)典型的 2 個(gè)設(shè)備的收發(fā)示例，每個(gè) slot 可以配置，語(yǔ)音一般是 20ms 的數(shù)據(jù)包，每個(gè) slot 可以配置成所需的語(yǔ)音包長(zhǎng)度大小，非常符合 TDD 模式的語(yǔ)音通訊功能。根據(jù)這些 slot 的配置，可以做到全雙工語(yǔ)音通訊及多人語(yǔ)音通訊對(duì)講方案

圖3.TurMass? 語(yǔ)音通訊應(yīng)用時(shí)隙示意圖

TurMass? 高效時(shí)隙雙工優(yōu)勢(shì)如下：

3.1 頻譜利用靈活

支持非對(duì)稱頻段分配，可高效利用零散頻段資源。

3.2 非對(duì)稱業(yè)務(wù)支持

通過調(diào)整上下行時(shí)隙比例，可動(dòng)態(tài)適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)等上下行流量差異大的業(yè)務(wù)需求。

3.3 設(shè)備復(fù)雜度與成本低

上下行共用射頻單元，無(wú)需收發(fā)隔離器，簡(jiǎn)化網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)。

3.4 信道互異性優(yōu)勢(shì)

上下行信道特性一致，在 TurMass? 多天線網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)時(shí)，便于采用大規(guī)模 MIMO 等技術(shù)，提升網(wǎng)關(guān)信號(hào)處理效率。

4大容量多址接入

TurMass? 多址接入采用 mGFRA 技術(shù)，利用頻分和空分復(fù)用以支持大量用戶的并行隨機(jī)接入。

圖4.TurMass? 多址接入與傳統(tǒng) LPWAN 技術(shù)對(duì)比

圖 4 從時(shí)間，空間及頻率的三個(gè)維度展示了 TurMass? 與傳統(tǒng)擴(kuò)頻 LPWAN技術(shù)在數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)的區(qū)別?？梢燥@著看到，在同一時(shí)間同一頻率（信道）TurMass? 支持多個(gè)數(shù)據(jù)包并行發(fā)送，而傳統(tǒng)擴(kuò)頻 LPWAN 技術(shù)在同一時(shí)間同一頻率（信道）僅支持一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送。此外，在 MGFRA 技術(shù)的加持下，TurMass? 擁有更高的接收機(jī)靈敏度和數(shù)據(jù)速率，終端數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)長(zhǎng)更短。因此，高并發(fā)與數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間短，使得 TurMass? 與傳統(tǒng)擴(kuò)頻 LPWAN 技術(shù)相比擁有巨大的容量?jī)?yōu)勢(shì)。

TurMass? 采用的 mGFRA 多址接入技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

4.1 接入容量大

TurMass? 網(wǎng)關(guān)利用頻分和空分復(fù)用大幅提升接入容量，以典型 125kHz 帶寬為例，TurMass? 網(wǎng)關(guān)可支持 32 個(gè) 4kHz 帶寬終端同時(shí)隨機(jī)選擇頻率接入。若分配頻點(diǎn)，則可支持近百個(gè) 4kHz 帶寬終端同時(shí)接入。

4.2 信令交互少

TurMass? 終端無(wú)需過多信令交互，完成信標(biāo)同步后，即可發(fā)起隨機(jī)接入，發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

4.3 接入碰撞低

TurMass? 網(wǎng)關(guān)能夠利用波束成形對(duì)頻率重疊在一起的用戶數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和數(shù)據(jù)恢復(fù)，大幅降低接入碰撞。

以實(shí)際應(yīng)用為例，設(shè)定業(yè)務(wù)模型為終端單次發(fā)送數(shù)據(jù)量為 40bytes，通信速率為 2kbps，PER 不高于 5%，高頻業(yè)務(wù)終端 5 分鐘發(fā)射一次，中頻業(yè)務(wù)終端每 1 小時(shí)發(fā)射一次，低頻業(yè)務(wù)終端每 12 小時(shí)發(fā)射一次。

表2.TurMass? 與其他 LPWAN 技術(shù)容量對(duì)比表

5低功耗

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，低功耗主要取決于三個(gè)方面：第一是數(shù)據(jù)傳輸開銷；第二是芯片低功耗設(shè)計(jì)及收發(fā)電流性能；第三是低功耗喚醒設(shè)計(jì)。下面將從以上三個(gè)方面，說明 TurMass? 技術(shù)在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)。

5.1 數(shù)據(jù)傳輸開銷

信令交互少：TurMass? 終端采用 mGFRA 技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需多余數(shù)據(jù)交互，減少功耗；

通信速率高：TurMass? 網(wǎng)關(guān)采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)提升接收信號(hào)增益，在相同傳輸距離下，終端傳輸速率約是 LoRa 的6 倍，終端發(fā)射時(shí)間短，減少功耗。

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。

5.2 低功耗 IC 設(shè)計(jì)

TurMass? 終端芯片采用低功耗 ScC 及 PMU 設(shè)計(jì)，支持不同工作模式下的供電，并保證各個(gè)模式下最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，從而降低功耗。

5.3低功耗喚醒

TurMass? 終端支持多種低功耗喚醒模式：無(wú)線喚醒、I/O 喚醒和定時(shí)喚醒。

圖5.無(wú)線喚醒低功耗模式示意圖

無(wú)線喚醒模式的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如網(wǎng)關(guān)、Mesh 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)等）可發(fā)送特定喚醒信號(hào)，讓遠(yuǎn)端休眠節(jié)點(diǎn)在接收到喚醒信號(hào)后執(zhí)行喚醒流程，隨后開始數(shù)據(jù)收發(fā)流程。

得益于其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短、交互少的特點(diǎn)，結(jié)合低功耗 IC 設(shè)計(jì)和靈活的喚醒機(jī)制，TurMass? 技術(shù)在低功耗方面具備顯著綜合優(yōu)勢(shì)。

6抗干擾

6.1 干擾抑制

TurMass? TKG-800 網(wǎng)關(guān)能夠?qū)ぷ餍诺纼?nèi)的頻譜進(jìn)行感知，8 天線提供更高的空間分辨率，可區(qū)分更多用戶和干擾源，基于波束成形對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，可使信干噪比（SINR）提升約10-15 dB。

圖6.TurMass? 信號(hào)增強(qiáng)和干擾抑制示意圖?

6.2 自學(xué)習(xí)跳頻

TurMass? 終端支持?jǐn)?shù)據(jù)包間跳頻，并能夠基于信道質(zhì)量自學(xué)習(xí)，收斂到信道質(zhì)量最好的頻帶通信，跳頻可用信道數(shù)量超300個(gè)，可提供超24dB抗干擾容限。

圖7.TurMass? 自學(xué)習(xí)跳頻示意圖?

6.3 載波偵聽及避讓

TurMass?Link 協(xié)議支持終端可配置沖突避免 CSMA/CA 策略，進(jìn)一步避免數(shù)據(jù)包沖突以及干擾。

圖8.TurMass? CSMA/CA 示意圖?

7組網(wǎng)

TurMass? Link 的組網(wǎng)架構(gòu)包括以下三種：

7.1 星型網(wǎng)絡(luò)

中心（網(wǎng)關(guān)）式組網(wǎng)，所有設(shè)備直接與中心節(jié)點(diǎn)通信；

支持單網(wǎng)關(guān)和多網(wǎng)關(guān)部署；

支持多通道網(wǎng)關(guān)和多天線網(wǎng)關(guān)。

圖9.TurMass? Link 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

7.2 樹型網(wǎng)絡(luò)

以根節(jié)點(diǎn)為核心，設(shè)備按照父子關(guān)系層次化組織；

支持中繼，子節(jié)點(diǎn)通過父節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)通信。

圖10.TurMass? Link 樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

7.3 Mesh 網(wǎng)絡(luò)

支持樹型拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)浜突旌闲屯負(fù)洌?/p>

支持多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信。

圖11.TurMass? Link Mesh 網(wǎng)絡(luò)（混合型）拓?fù)涫疽鈭D

8TurMass?產(chǎn)品組成

圖12.TurMass? 產(chǎn)品組網(wǎng)典型架構(gòu)

TurMass? 產(chǎn)品組網(wǎng)典型架構(gòu)如圖 14 所示，其中 TurMass? 系統(tǒng)產(chǎn)品主要包含終端芯片、中繼、無(wú)線網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

表4.TK8620、TK8622 無(wú)線終端 SoC

表5.TKG-800 多天線網(wǎng)關(guān)

9結(jié)語(yǔ)

TurMass? 技術(shù)憑借其在大規(guī)模多天線技術(shù)、高性能調(diào)制技術(shù)、高效時(shí)隙雙工、大容量多址接入、低功耗設(shè)計(jì)以及強(qiáng)大的抗干擾能力等多方面的卓越表現(xiàn)，為窄帶無(wú)線傳輸領(lǐng)域帶來了革命性的變革。

從星型網(wǎng)絡(luò)到樹型網(wǎng)絡(luò)，再到靈活的 Mesh 網(wǎng)絡(luò)，TurMass? Link 組網(wǎng)架構(gòu)的多樣性使其能夠滿足各種復(fù)雜場(chǎng)景下的通信需求。而終端芯片、中繼、無(wú)線網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等產(chǎn)品組成的完整系統(tǒng)，更是為 TurMass? 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，TurMass? 技術(shù)無(wú)疑將在智慧園區(qū)、智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、語(yǔ)音對(duì)講等眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的未來貢獻(xiàn)關(guān)鍵力量。