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國產(chǎn)化低功耗低延時廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)無線通訊方案_LAKI芯片

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-23 18:25 ? 次閱讀
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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用LAKI

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用LAKI(Last Kilometer IoT Coverage)技術的原因可以歸結為以下幾個方面:

1、獨特的技術優(yōu)勢

廣覆蓋、低功耗、低時延:LAKI是目前唯一能夠同時實現(xiàn)廣覆蓋、低功耗和低時延的無線通訊技術。這種組合特性使得LAKI在物聯(lián)網(wǎng)應用中具有極高的靈活性和實用性,特別是在需要長距離通信、低功耗和實時響應的場景中。

高性能:LAKI的射頻SoC芯片在功耗、覆蓋和性能方面均達到了業(yè)界領先水平。例如,其已經(jīng)量產(chǎn)的芯片能夠以極低的電流實現(xiàn)1.5公里以上的通訊距離,遠超藍牙、ZigBee、LoRaNB-IoT等常用物聯(lián)網(wǎng)技術。

2、投資回報最大化

高投資回報率:物聯(lián)網(wǎng)的最大難題之一是投資回報普遍較低,甚至低于投資成本。LAKI通過其獨特的技術優(yōu)勢,最大限度地提升了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和解決方案的投資回報,能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)90%以上應用對投資回報的需求。

低成本部署:LAKI技術可以大幅降低物聯(lián)網(wǎng)基礎設施的部署成本。例如,建成一張覆蓋全上海的泛在物聯(lián)網(wǎng)僅需要硬件成本1000萬元,這大大降低了物聯(lián)網(wǎng)應用的門檻。

3、高效的數(shù)據(jù)處理和安全性

高數(shù)據(jù)速率:LAKI方案具有較高的數(shù)據(jù)速率,最高可達1000kbps,能夠滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用的數(shù)據(jù)速率要求。

大數(shù)據(jù)容量:LAKI具有很大的同時在線用戶容量,這對于終端高密度部署的環(huán)境里通訊的實時性有很大的影響,不會因為網(wǎng)絡碰撞而導致較大的時延和較高的功耗。

高安全性:LAKI在物聯(lián)網(wǎng)安全方面也做到了業(yè)界前列,設計了三重保障方式,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

4、創(chuàng)新的通信機制

雙向實時通訊:LAKI采用創(chuàng)新的方法,輕松實現(xiàn)雙向實時通訊,并且響應時間可調,最低可達數(shù)毫秒,最高可達1000秒。這種特性對于智慧物聯(lián)網(wǎng)來說至關重要,是實現(xiàn)智能化控制和決策的基礎。

靈活組網(wǎng)方式:LAKI的組網(wǎng)方式非常靈活,支持多種網(wǎng)絡拓撲,包括星型網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)狀網(wǎng)以及中繼組網(wǎng)方式。這使得LAKI能夠更好地適應各種復雜的物聯(lián)網(wǎng)應用場景。

5、廣泛的應用場景

多領域應用:LAKI已經(jīng)進入多個領域,包括智慧零售、倉儲物流、智慧農(nóng)業(yè)、智慧畜牧業(yè)、智慧鐵路、智慧煤礦、智能交通、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。在這些領域中,LAKI技術能夠大幅提升應用的投資回報,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

長距離低功耗語音解決方案:LAKI還是全球唯一基于2.4GHz頻段的長距離低功耗語音解決方案,可用于可穿戴設備、智能手機的語音對講應用,具有廣泛的應用前景。

LaKi射頻SoC芯片LK2400系列芯片,睡眠電流(可隨時被動喚醒)1.5微安,發(fā)射電流4.5mA@0dBm, 8mA@4dBm, 接收電流7.5mA(Max gain),接收靈敏度達-120dB@250kbps, 結合LaKi超低功耗實時廣域網(wǎng)協(xié)議,在芯片達到最大通訊距離(普通模組實測1.5km以上, 增強模組超過5km)時,如果監(jiān)聽周期設為1秒(即終端1秒響應),每天傳送30次200字節(jié)的數(shù)據(jù),則普通模組功耗不超過30mAh/年, 增強模組功耗不超過40mAh/年。 一顆小紐扣電池如CR2032就可以支持普通模組5年以上的續(xù)航使用。 考慮到即使在最大通訊距離時的數(shù)據(jù)速率也可達250kbps, LaKi網(wǎng)絡可以低成本地承載幾乎所有的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務,包括LPWAN、BLE、Zigbee等承載的那些業(yè)務以及對實時性有要求的其他業(yè)務, 可以說除了視頻等高帶寬業(yè)務外, 大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務都可用LaKi來承載。

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綜上所述,LAKI技術以其獨特的技術優(yōu)勢、高投資回報率、廣泛的應用場景、高效的數(shù)據(jù)處理和安全性以及創(chuàng)新的通信機制,在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應用和認可。

本文會再為大家詳解無線通信技術家族中的一員——LAKI及其射頻芯片。

LAKI的定義

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LaKi技術由千米電子歷經(jīng)多年研發(fā)而成,專注于物聯(lián)網(wǎng)最后一千米的大規(guī)模、低成本海量覆蓋。該技術包含了協(xié)議層(MAC)LaKiplus和物理層(PHY)射頻SoC芯片,是目前唯一能夠同時實現(xiàn)廣覆蓋、低功耗和低時延的無線技術。 LaKi無線通訊協(xié)議發(fā)明后,為了能夠充分發(fā)揮LaKi的優(yōu)勢,千米團隊自2016年開始開發(fā)自有射頻芯片,LK2400系列射頻SoC芯片由此誕生。

LAKI芯片的通信原理

LaKi采用CSMA/CA協(xié)議,信道利用率可以達到100%,與LoRa等采用Aloha網(wǎng)絡模型的技術相比,利用率高得多, Aloha模型的信道利用率最高只有18%。 CSMA/CA和Aloha網(wǎng)絡模型的具體原理見下圖:

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這也是為何LoRa的并發(fā)用戶數(shù)量比較低的原因所在。 某用戶實測數(shù)據(jù)為2000個點的LoRa網(wǎng)絡,需要37分鐘才可以盤點完畢。 就是因為信道利用率低導致嚴重的網(wǎng)絡擁塞,這不光大大降低了響應速度,也會造成終端耗電的急劇上升, 上述網(wǎng)絡的終端用20000mAh的電池供電, 兩個多月就要充一次電。

LAKI的優(yōu)勢

廣覆蓋:LaKi射頻SoC芯片接收靈敏度小于-120dBm@125kbps,系統(tǒng)通訊距離可達5千米以上。在發(fā)射電流僅5.9mA(5dBm功率)的條件下,LaKi能實現(xiàn)超過1.5公里的有效通信距離。

低時延:監(jiān)聽周期可設定為從數(shù)毫秒到1000秒,LaKi芯片在休眠時有8kbytes retention SRAM,可實時被動喚醒。

低功耗:最大接收電流7.5mA,發(fā)射電流4.5mA@0dBm,8mA@4dBm;在通訊距離1公里以上、1秒監(jiān)聽周期的情況下,平均電流小于3微安。

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LaKi在這些關鍵指標上都處于領先地位,重新定義了物聯(lián)網(wǎng)通信標準。相較于傳統(tǒng)的LoRa、藍牙(BLE)、NB-IoT以及ZigBee技術,LaKi在地理覆蓋范圍、設備續(xù)航能力以及實時數(shù)據(jù)處理等方面均展現(xiàn)出壓倒性的優(yōu)勢,為物聯(lián)網(wǎng)應用的部署和擴展提供了更為經(jīng)濟、高效、靈活的選擇。無論是對于遠程環(huán)境監(jiān)測、大規(guī)模資產(chǎn)跟蹤、智慧城市的基礎設施管理,還是對于需要實時交互和長距離通信的各類創(chuàng)新應用,LaKi都以其技術革新性推動著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)向更廣闊、更深入、更實時的維度發(fā)展,開啟了物聯(lián)網(wǎng)應用的新紀元。

LaKi設計之初就是要同時實現(xiàn)廣覆蓋(關鍵特性1)、低時延(關鍵特性2)和低功耗(關鍵特性3)的,這在很多業(yè)內人士眼里看起來像是不可能的任務,但LaKi無線通訊協(xié)議從MAC層的角度同時實現(xiàn)了這三個特性,而LaKi射頻SoC芯片則從PHY層的角度則使這個目標變成了現(xiàn)實。

LAKI網(wǎng)絡接入與速率

該看法是正確的,理論上講,支持的用戶數(shù)量取決于信道容量,同一信道的容量越大,傳輸速度越高,支持的用戶數(shù)越多;傳輸速度越高,同樣的信息傳輸?shù)臅r間越短,越節(jié)省能量。因此,覆蓋范圍、傳輸速率和功耗需在協(xié)議和芯片設計時要根據(jù)實際應用做權衡(tradeoff)。例如, 藍牙犧牲了覆蓋范圍和用戶容量, 保證了傳輸速度和功耗。

與其他主要的LPWAN協(xié)議(NB-IoT和LoRaWAN)相比, LaKi在保證了同類最高的傳輸速率的同時實現(xiàn)了較大覆蓋范圍( 實測優(yōu)于蜂窩4G網(wǎng)絡的覆蓋能力)、最大的用戶連接容量(650K靜態(tài)用戶連接數(shù), 2000個以上并發(fā)用戶容量),并通過獨有的方式實現(xiàn)了三個數(shù)量級以上的功耗優(yōu)勢,同時也實現(xiàn)了終端的快速響應,從而也能夠適應更多場景如快速移動場景下的物聯(lián)網(wǎng)通訊,大大拓寬了LPWAN的應用范圍。

LAKI組網(wǎng)方式及頻段

網(wǎng)關和終端都需要LaKi射頻SoC芯片。 一個網(wǎng)關,至少需要一顆LaKi射頻芯片,可分時作為接收(Rx)或者發(fā)送(Tx);但一般需要兩顆及以上,1Tx+1 Rx; 也可以根據(jù)需要配置1 Tx + N Rx,這種配置取決于需要的網(wǎng)絡容量與響應速度。

千米電子已經(jīng)為網(wǎng)關設計了一個最多有9個通道的轉接板,對于已有網(wǎng)關產(chǎn)品的合作伙伴,可以直接使用千米電子的轉接板(UART接口)和其網(wǎng)絡模組進行組合使用。從技術定位和組網(wǎng)方式看,該技術確實更適合用于廣域無線物聯(lián),但2.4G的ISM 頻段會影響到它的使用。頻率高,覆蓋范圍受限,而且會被大量WIFI 等ISM頻段的無線設備干擾。無線技術可以有很多種頻段選擇, LaKi技術的第一款射頻SoC產(chǎn)品選用2.4GHz頻段的原因如下:

主要是因為2.4GHz頻段在全球所有國家都是屬于免費的ISM頻段。 因此,這個頻段在全球各個地方都可以免費使用, 而其他頻段一般各個國家有不同的使用政策。 例如很多技術選用的sub-GHz頻段在各個國家中就不一樣,如在美國是915MHz頻段, 在歐洲是868MHz頻段, 在中國,國家無線委對1GHz以下頻段一直沒有明確免費頻段, 業(yè)內常用的是400多MHz頻段,這就造成了這種頻段適應性不如2.4GHz頻段,無法大范圍應用的。

正因為2.4GHz頻段這樣的優(yōu)勢,因此,很多種技術都采用2.4GHz頻段,如ZigBee、WiFI、藍牙等,因此,這個頻段的設備就應用比較多,就導致同頻干擾的問題,這導致了通訊性能的下降,對于LaKi來說,這種干擾的影響有限,LaKi的抗干擾能力很強,原因如下:

LaKi的物理層設計和其他該頻段常用技術都是不同的,信道、編碼等都不一樣,因此不同的無線技術對LaKi的影響比較小。證據(jù)有:a、我們做過簡單的實驗,把LaKi的通訊模組放在WiFI的AP附近, 在10厘米以內的距離會有10%-20%左右的接通率的下降 ; b、LaKi的性能參數(shù)都是在實際應用環(huán)境中測試而來, 測試都是在正常的工業(yè)區(qū)進行的,收發(fā)端距離地面1.5-2米, 反應的都是實際應用的性能表現(xiàn)。

干擾的影響在于會降低接收靈敏度,因此,接收靈敏度的高冗余度是實際應用中對抗干擾的最有效手段。 LaKi射頻SoC的接收靈敏度比2.4GHz頻段的技術如藍牙、WiFi、ZigBee等高出至少十幾個dBm,也就是通訊距離是數(shù)百倍的差距,因此, LaKi技術有足夠的接收靈敏度的冗余度來抗干擾。 如LaKi的2.4GHz的射頻SoC在5dBm的發(fā)射功率情況下可以實現(xiàn)有效通訊1.5公里以上,即使在干擾嚴重的地區(qū), 數(shù)百米的通訊距離是可以保證的。這往往也足夠了。

2.4GHz頻段的由于頻率高,因此空中損耗就大,比較難地做到低功耗長距離通訊,因此,基于這個頻段的技術一般都是短距離通訊技術, 如藍牙、ZigBee等, 通訊距離也就幾十米。影響范圍比較小,但LaKi技術做到了在這個頻段下的長距離通訊,通訊范圍非常大, 因此,影響范圍小的短距離技術很難對LaKi大范圍通訊造成大的影響。

LAKI傳輸速率,帶寬與功耗關系

傳輸速度與消耗帶寬是不同的概念,但兩者之間是有關聯(lián)的。傳輸速度肯定要小于信道帶寬,比如傳輸速度是1Mbps,那么信道帶寬肯定要大于1MHz才可能以1Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)??紤]到信道間的隔離,帶寬一般會選擇1.5MHz~2MHz。傳輸速度降低,相同的數(shù)據(jù)量的傳輸時間會相應拉長,也帶來了數(shù)據(jù)傳輸功耗的增加,這是必然的。但這不會對整體的通訊功耗產(chǎn)生實質性影響,這是因為:

首先,LaKi的速率更高。LaKi的信道容量1Mbps,遠大于采用sub-G頻段的LoRa的5.5kbps,即使LoRa最新的芯片SX1280/1281,采用2.4GHz的頻段以及1.625MHz帶寬的情況下,也才達到254Kbps(LaKi的四分之一)的傳輸速度,而且由于此時SF=5,擴頻增益的降低造成RX sensitivity=-99dbm,將大大縮短覆蓋范圍;SX1276在868MHz頻帶,SF=7,125KHz帶寬,Rx sensitivity=-123dbm,相差20db,覆蓋距離縮短1個數(shù)量級。而LaKi相對高的傳輸速度節(jié)省了能量消耗。 其次,在多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)的場景下,LaKi數(shù)據(jù)傳輸功耗在整體通訊功耗占比中非常低,可以忽略不計,詳細情況請參考問題7的計算結果。 因此,雖然速率變小引起傳輸數(shù)據(jù)時間拉長,但傳輸功耗的提升對整體的功耗表現(xiàn)影響甚微,不需要著重考慮。而要降低雙向實時/準實時物聯(lián)網(wǎng)通訊的功耗需要重點考慮的是降低功耗消耗的主要部分:監(jiān)聽功耗和睡眠功耗。

因此,我們在關注物聯(lián)網(wǎng)雙向實時/準實時的通訊時的功耗問題時,數(shù)據(jù)傳輸(Tx)功耗由于占比很小,對整體的通訊功耗的影響非常小,因此數(shù)據(jù)傳輸對于總體功耗的影響很小,不會有明顯的下降。

組網(wǎng)方式與覆蓋范圍

網(wǎng)關和終端都需要LaKi射頻SoC芯片。 一個網(wǎng)關,至少需要一顆LaKi射頻芯片,可分時作為接收(Rx)或者發(fā)送(Tx);但一般需要兩顆及以上,1Tx+1 Rx; 也可以根據(jù)需要配置1 Tx + N Rx,這種配置取決于需要的網(wǎng)絡容量與響應速度。

千米電子已經(jīng)為網(wǎng)關設計了一個最多有9個通道的轉接板,對于已有網(wǎng)關產(chǎn)品的合作伙伴,可以直接使用千米電子的轉接板(UART接口)和其網(wǎng)絡模組進行組合使用。

LAKI的功耗

LPWAN的三種主流技術NB-IoT、LoRa和Sigfox節(jié)電的機制類似, 都是通過大量的睡眠和少量的工作時間規(guī)劃來實現(xiàn)低功耗,而在終端睡眠時,網(wǎng)關是無法和終端進行任何通信的;NB-IoT和LoRa相比于Sigfox,帶寬增加了,而前兩者還能夠支持低時延通信,后者卻不能, 例如LoRa的Class C模式,NB-IoT的DRX模式,但在這樣的通訊模式下,終端的功耗非常高,需要接電源或者使用大容量電池。因此,LoRa和NB-IoT是無法同時實現(xiàn)低時延通訊和低功耗的, 決定了他們只能根據(jù)實際應用進行取舍。 可實際應用中,物聯(lián)網(wǎng)特別是智慧物聯(lián)網(wǎng)的多數(shù)應用是需要低時延的,也即雙向實時/準實時通訊,因此,NB-IoT和LoRa只能在少數(shù)對實時性沒有要求、數(shù)據(jù)量少且發(fā)送頻次低的應用場景里能夠有較低的總體成本??梢?,雖然他們的建網(wǎng)成本比較低,但由于只適應少量的應用場景,導致網(wǎng)絡能夠承載的業(yè)務少,從而網(wǎng)絡的價值并不高。這也是國內自2016年開始大力推廣NB-IoT以來,人們預期的爆發(fā)卻并沒有到來的根本原因。

雙向實時通訊的睡眠功耗、工作功耗(發(fā)射TX功耗)和監(jiān)聽功耗(RX功耗)的能耗比并不是固定的,因此在比較之前,我們需要首先設定一個數(shù)據(jù)通訊模型。

考慮到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的特點,在大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應用中,需要雙向實時通訊,一般來說,1秒內響應已經(jīng)能夠滿足多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用的實時要求;物聯(lián)網(wǎng)終端一般不需要頻繁傳輸數(shù)據(jù),每天三十次已經(jīng)是非常高的傳輸頻率。 因此我們設定如下的通訊模型: 一個終端每秒監(jiān)聽一次(監(jiān)聽RX),每天傳送三十次數(shù)據(jù)(發(fā)射TX)。

在這樣的模型下,LaKi可以做到一天中功耗消耗(根據(jù)LaKi模組的測試數(shù)據(jù)而來):

監(jiān)聽功耗:0.032mAh

發(fā)射功耗:0.00027mAh

睡眠功耗:0.024mAh

總功耗:0.05627mAh

監(jiān)聽功耗:睡眠功耗:發(fā)射功耗 ≈120:90:1

如果每天發(fā)送10次數(shù)據(jù)的話, 那么監(jiān)聽功耗:睡眠功耗:發(fā)射功耗 ≈360:270:1

如果每天發(fā)送3次數(shù)據(jù)的話, 那么監(jiān)聽功耗:睡眠功耗:發(fā)射功耗 ≈1200:900:1

可見,在物聯(lián)網(wǎng)雙向實時通訊的情況下,功耗主要在監(jiān)聽和睡眠功耗上,發(fā)射功耗(數(shù)據(jù)傳輸)占比非常小。

供應商A:LaKi

http://1000miot.com/cn/home

1、產(chǎn)品能力

主推型號1:LK2400A

對應的產(chǎn)品詳情介紹

LK2400A是由千米團隊根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)無線通訊特點和LaKi無線通訊協(xié)議而定制開發(fā)的一款高集成度的射頻SoC芯片,采用中芯國際(SMIC)成熟工藝,是LaKi解決方案的重要組成部分——物理層(PHY)。 LK2400A集成了射頻(RF)、基帶(BB)、功率放大(PA)、32位CPU、電源管理(PMU)、實時時鐘(RTC)、AES128等功能, 支持多種主流接口。 數(shù)據(jù)傳輸采用密文方式,并支持硬件AES128加密,增強了數(shù)據(jù)安全性。

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特性:

封裝尺寸:5mm*5mm(QFN封裝)

管腳數(shù)量:40pin

工作頻段:2.400GHz-2.528GHz

技術模型:GMSK、CSMA

接收靈敏度:<-118dBm@250kbps; <-102dBm@1Mbps

接收電流:<7.5mA

發(fā)射電流:<2.3mA@-10dBm ,<3.25mA@0dBm ,<4.5mA@4dBm ,<5.9mA@5.3dBm

睡眠電流: ~1μA(8kbytes retention SRAM,可快速喚醒)

靜態(tài)用戶容量:無限制

并發(fā)用戶容量:大于2000個(單信道)

支持接口:6組I2C、4組SPI、1組UART和32個GPIO

電池壽命:非實時響應——超過10年; 實時響應——超過10年

網(wǎng)絡拓撲:星形(Star)、網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)、中繼(Relay)

硬件參考設計

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2、支撐

(1)技術產(chǎn)品

技術資料

https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/XjijwB6NZixnBykjS0OcKPZfnjf?fromScene=spaceOverview

(如有侵權,聯(lián)系刪除)

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