1背景

在目前西方國(guó)家全面加強(qiáng)對(duì)中國(guó)高科技領(lǐng)域的技術(shù)封鎖、通信協(xié)議和芯片輸出管制的背景下，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)下，可靠的國(guó)產(chǎn)化的LPWAN協(xié)議和芯片產(chǎn)品是國(guó)家擺脫國(guó)外掣肘所急需的重要戰(zhàn)略資源，也是關(guān)系到國(guó)情民生和國(guó)家安全的重要技術(shù)能力。在國(guó)家大力推動(dòng)5G+戰(zhàn)略的大背景下，也急需靈活的LPWAN無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議作為補(bǔ)充，來(lái)支持各行業(yè)不同的通信需求。

目前，國(guó)內(nèi)使用較為廣泛的LPWAN技術(shù)還多為美國(guó)Semtech公司的LoRa技術(shù)，該技術(shù)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信靈敏度上做得非常好，但除去國(guó)產(chǎn)化需求因素外，LoRa在容量、效率和抗自干擾等方面還有很多欠缺的地方。

為適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略和行業(yè)發(fā)展需求，國(guó)產(chǎn)化LPWAN技術(shù)也風(fēng)起云涌，例如ZETA、WIoTa、TPUNB、Chirp-IoT、LaKi、TurMass等等。隨著大量科技人員的不斷投入，我們相信國(guó)產(chǎn)化LPWAN技術(shù)一定能在智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大放異彩。近期御芯微聯(lián)合中國(guó)信通院泰爾實(shí)驗(yàn)室就WIoTa技術(shù)與行業(yè)標(biāo)桿LoRa技術(shù)做了較為深度的對(duì)比測(cè)試，以此為契機(jī)，也對(duì)WIoTa技術(shù)與對(duì)應(yīng)UC8288芯片做簡(jiǎn)要介紹。

2WIoTa技術(shù)簡(jiǎn)介

WIoTa(Wide-range Internet Of Things communicAtion protocol)協(xié)議，針對(duì)廣域無(wú)線(xiàn)IoT通信優(yōu)化設(shè)計(jì)的通信協(xié)議。他的設(shè)計(jì)初衷是為了適應(yīng)更寬廣的范圍，提供大覆蓋、低功耗、大量連接、低成本、抗干擾能力強(qiáng)的解決方案。

WIoTa支持類(lèi)似蜂窩通信的同步機(jī)制，來(lái)適應(yīng)需要大容量通信的工業(yè)廠區(qū)、園區(qū)、樓宇、農(nóng)業(yè)的綜合物聯(lián)網(wǎng)通信的需求，也支持與傳統(tǒng)LPWAN一樣的異步和MESH通信機(jī)制，適應(yīng)低功耗傳感、室內(nèi)家庭電器設(shè)備控制等需求。

WIoTa物理層調(diào)制方式采用自主設(shè)計(jì)的改進(jìn)型的GMSK，支持標(biāo)準(zhǔn)GMSK的同時(shí)，也支持高階調(diào)制，具有高效的射頻頻譜效率，支持 1/2/3 bps/Hz 的多級(jí)效率自適應(yīng)(根據(jù)信道條件選擇，提升系統(tǒng)容量)，同時(shí)兼顧恒模相位調(diào)制(CPM)的特點(diǎn)，方便提高射頻功率放大器效率。

WIoTa 信道設(shè)計(jì)上充分考慮大量連接設(shè)備的干擾問(wèn)題，最大程度上避免LoRa、WiFi等在密集場(chǎng)景下自干擾的問(wèn)題，同時(shí)支持10ppm低成本晶體的遠(yuǎn)距離傳輸（注：遠(yuǎn)距離傳輸LoRa推薦1ppm TCXO）。

與WIoTa配套的UC8288芯片目前已經(jīng)量產(chǎn)，最高可以支持1Mbps的吞吐率。該芯片是一顆高度集成的SoC芯片，集成：

帶浮點(diǎn)運(yùn)算器和DSP擴(kuò)展的RISC-V作為MCU，基本主頻96MHz (最高150MHz)

自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能低功耗基帶信號(hào)處理單元

130MHz-1200MHz射頻單元(工作帶寬從12.5KHz到400KHz)

DXCO， PMU單元

12bitsADC、10bitsDAC、SPI、 UART、I2C、PWM、GPIO 等豐富外設(shè)

PUF(物理不可克隆加密模塊)，AES128加解密引擎，完善的代碼和空口數(shù)據(jù)加密機(jī)制

RTC待機(jī)功耗1.5uA，RX功耗滿(mǎn)載15mA (200KHz 帶寬條件下)，TX功耗18mA (5dBm 發(fā)射功率)。

UC8288可以作為IoT終端使用，也可以配合UC8088(較大MCU以及高性能的時(shí)鐘)來(lái)作為AP(接入點(diǎn))使用。多顆UC8288與UC8088 配合也可以組成大容量、多信道的AP。下圖為UCM200 WIoTa 終端模組，UCM202 WIoTa AP模組以及評(píng)估板圖片。

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3測(cè)試報(bào)告解讀本次測(cè)試通過(guò)三個(gè)項(xiàng)目展開(kāi):1)靈敏度測(cè)試；2)多用戶(hù)吞吐率測(cè)試；3)場(chǎng)外通信距離測(cè)試。其中靈敏度測(cè)試是測(cè)試單鏈路的接收靈敏度，多用戶(hù)吞吐率可以考驗(yàn)通信協(xié)議的綜合性能，以及對(duì)業(yè)務(wù)的支撐能力，場(chǎng)外測(cè)試主要提供直觀的感受。當(dāng)然還有很多測(cè)試項(xiàng)，如抗干擾能力、低功耗等由于時(shí)間限制，將在以后的測(cè)試中提供數(shù)據(jù)。

本次對(duì)比測(cè)試選用公開(kāi)購(gòu)買(mǎi)套件御芯微UC WIoTa EVA KIT 2.0（UCM202EVB：WIoTa AP 評(píng)估板、 UCM200EVB：WIoTa IoTE 評(píng)估板），以及億佰特E890-470LG11（SX1302）8通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)、億佰特E78-470LN22S（ASR6501）LoRa終端以及安信可AI-Thinker Ra-02 LoRa終端設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。

測(cè)試一：靈敏度測(cè)試

靈敏度測(cè)試采用環(huán)回測(cè)試方式，通過(guò)屏蔽箱和衰減器來(lái)調(diào)節(jié)鏈路衰減，統(tǒng)計(jì)不同靈敏度下的環(huán)回吞吐率。

測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

選用WIoTa 典型帶寬200KHz 和LoRa 250KHz帶寬作為測(cè)試配置，圖中橫軸為靈敏度，縱軸為環(huán)回吞吐率。從圖中可以看出WIoTa在相同靈敏度下，吞吐率大幅度優(yōu)于LoRa (也可以相同吞吐率下對(duì)比靈敏度)，例如 WIoTa 在-131.64dBm靈敏度下達(dá)到 693.33bps吞吐率，而LoRa 是在-130.75dBm的靈敏度下達(dá)到361.67bps的吞吐率，接近兩倍的吞吐率優(yōu)勢(shì)(注：靈敏度越低越好，說(shuō)明能在更微弱的接收信號(hào)條件下工作，吞吐率越高越好)。最低的靈敏度點(diǎn)，WIoTa優(yōu)勢(shì)下降，和LoRa類(lèi)似。高的吞吐率LoRa無(wú)法支持，需要切換到FSK等模式，本次沒(méi)有測(cè)試該項(xiàng)，而WIoTa同一個(gè)帶寬配置和模式可以支持從低到高的吞吐率自適應(yīng)。

測(cè)試二：多用戶(hù)測(cè)試

多用戶(hù)測(cè)試是比較在多用戶(hù)，不同業(yè)務(wù)強(qiáng)度的條件下，WIoTa和LoRaWAN的表現(xiàn)。

該測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)，由于在LoRaWAN中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的一部分，為盡量削減網(wǎng)絡(luò)延時(shí)帶來(lái)的測(cè)試誤差，將應(yīng)用服務(wù)器部署在本地PC上(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器已部署在網(wǎng)關(guān)上)，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示：

測(cè)試條件：WIoTa AP測(cè)試板一個(gè)、WIoTa IoTE測(cè)試板24~30個(gè)、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)一個(gè)、LoRaWAN終端24~30個(gè)、適配天線(xiàn)若干、8口以上usb hub 若干、PC 若干。每次業(yè)務(wù)的實(shí)際負(fù)載設(shè)定為200Bytes，發(fā)射功率為3dBm，業(yè)務(wù)配置有8用戶(hù)、16 用戶(hù)、24用戶(hù)三種，業(yè)務(wù)間隔為0到10秒。

測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

其中橫軸為終端的業(yè)務(wù)間隔，縱軸為總的吞吐率。可以看出，在業(yè)務(wù)間隔較小，業(yè)務(wù)繁忙的時(shí)候，WIoTa的系統(tǒng)吞吐率具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，例如在0.5秒間隔下，24個(gè)終端，WIoTa可以達(dá)到22.7Kbps的總吞吐率，而對(duì)應(yīng)LoRa的總吞吐率為1.819Kbps，在該配置下，容量WIoTa是LoRa的12.5倍，考慮到LoRaWAN使用的是8路網(wǎng)關(guān)，占用了8個(gè)125KHz信道(實(shí)測(cè)1537KHz)，而WIoTa是使用的單路網(wǎng)關(guān)，只占用一個(gè)200KHz信道(實(shí)測(cè)235KHz)，按頻譜效率換算，WIoTa的頻譜效率是LoRa的81倍。

公平性也是業(yè)務(wù)部署的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是物聯(lián)網(wǎng)條件下，有少部分節(jié)點(diǎn)不能完成業(yè)務(wù)，會(huì)有重要的影響。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，下圖是用節(jié)點(diǎn)吞吐率的累積分布函數(shù)(CDF)曲線(xiàn)對(duì)比公平性，CDF曲線(xiàn)越窄，說(shuō)明終端得到的吞吐率比較平均，如果很寬，就會(huì)有部分節(jié)點(diǎn)吞吐率高，部分節(jié)點(diǎn)吞吐率很低或者是0的情況。(注：圖做了歸一化處理，方便比較)

從圖中可以看出，LoRa的分布曲線(xiàn)比較寬，還有部分終端吞吐率為0，而WIoTa終端的吞吐率比較集中。

測(cè)試三：外場(chǎng)通信距離測(cè)試

外場(chǎng)通信距離測(cè)試，選取較為空曠的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)環(huán)回測(cè)試，其中測(cè)試功率為17dBm，終端天線(xiàn)為普通棒狀天線(xiàn)，AP端天線(xiàn)為玻璃鋼天線(xiàn)，頻點(diǎn)為470~510MHz。

測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

AP固定在A點(diǎn)(高樓區(qū)域)，終端做了兩個(gè)地點(diǎn)的測(cè)試，其中B點(diǎn)(山區(qū))，距離A點(diǎn)7.8公里，可以視距， WIoTa環(huán)回吞吐率為11.397Kbps，LoRa為5.092Kbps，WIoTa是LoRa的1.96倍。C點(diǎn)(山區(qū))，距離A點(diǎn)10.6公里，可視距，其中WIoTa吞吐率為2.574Kbps，LoRa為3.02Kbps，LoRa是WIoTa的1.17倍(注，實(shí)測(cè)中信道波動(dòng)比較大)。

4結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)比測(cè)試，可以看出WIoTa通信協(xié)議在多個(gè)方面都全面超越LoRa。后續(xù)WIoTa和LoRa在低功耗和抗干擾上還會(huì)有更深入的測(cè)試和對(duì)比。御芯微還會(huì)基于WIoTa技術(shù)做更多的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，比如多通道的高性能AP，超低功耗喚醒、大帶寬WIoTa圖傳、更小體積系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP) IoTE模組，多天線(xiàn)增強(qiáng)靈敏度AP，WIoTa回傳的北斗高精度定位等。

目前WIoTa已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際商用，作為優(yōu)秀的LPWAN技術(shù)，WIoTa在智慧畜牧、智慧路燈等領(lǐng)域取得了不俗成績(jī)，并且成功在在重慶首條“多桿合一”道路智博會(huì)迎賓大道項(xiàng)目、重慶兩江新區(qū)寸灘國(guó)際新城景觀照明項(xiàng)目、成都市城市照明精細(xì)化管理項(xiàng)目、重慶市畜牧科學(xué)院豬只智慧管理系統(tǒng)等項(xiàng)目中規(guī)模應(yīng)用。

在此希望國(guó)產(chǎn)LPWAN崛起進(jìn)程中，WIoTa通過(guò)提供超高性?xún)r(jià)比的方案，成為其中重要一員，在此也歡迎廣大客戶(hù)和行業(yè)伙伴評(píng)估試用。

5附件

作者:黎光潔 編輯:徐文雯