1 概述

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

TurMass? 系統(tǒng)包含支持 mGFRA 技術的網(wǎng)關芯片、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)，還能擴展支持中繼及 Mesh網(wǎng)絡靈活拓展信號覆蓋。

TurMass? 系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

表1.TurMass??核心技術指標

2 高性能調制技術

針對窄帶無線傳輸對于抗頻偏、低功耗、高Eb / N0性能的需求，TurMass? 基帶采用獨創(chuàng)的恒包絡差分相頻二維調制技術（CP-DPFSK），每個調制符號包含相位及頻率二維信息。與傳統(tǒng)的窄帶通信調制方式相比，CP-DPFSK 調制的優(yōu)勢如下：

2.1 抗頻偏

CP-DPFSK 融合差分相位及頻率調制，兩種調制方式均具備較強的抗頻偏能力，能夠適應物聯(lián)網(wǎng)終端低成本晶振（典型：30ppm）及衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等高動態(tài)場景。

2.2 恒包絡

CP-DPFSK 采用恒包絡技術，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 調制。

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

圖1.CP-DPFSK?與不同窄帶調制的 Eb / N0 性能對比

3高效時隙雙工

圖2.TurMass? 物理幀時隙示意圖

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

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

圖3.TurMass? 語音通訊應用時隙示意圖

TurMass? 高效時隙雙工優(yōu)勢如下：

3.1 頻譜利用靈活

支持非對稱頻段分配，可高效利用零散頻段資源。

3.2 非對稱業(yè)務支持

通過調整上下行時隙比例，可動態(tài)適應互聯(lián)網(wǎng)等上下行流量差異大的業(yè)務需求。

3.3 設備復雜度與成本低

上下行共用射頻單元，無需收發(fā)隔離器，簡化網(wǎng)關硬件設計。

3.4 信道互異性優(yōu)勢

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

4大容量多址接入

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

圖4.TurMass? 多址接入與傳統(tǒng) LPWAN 技術對比

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

TurMass? 采用的 mGFRA 多址接入技術的優(yōu)勢如下：

4.1 接入容量大

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

4.2 信令交互少

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

4.3 接入碰撞低

TurMass? 網(wǎng)關能夠利用波束成形對頻率重疊在一起的用戶數(shù)據(jù)信號進行解調和數(shù)據(jù)恢復，大幅降低接入碰撞。

以實際應用為例，設定業(yè)務模型為終端單次發(fā)送數(shù)據(jù)量為 40bytes，通信速率為 2kbps，PER 不高于 5%，高頻業(yè)務終端 5 分鐘發(fā)射一次，中頻業(yè)務終端每 1 小時發(fā)射一次，低頻業(yè)務終端每 12 小時發(fā)射一次。

表2.TurMass? 與其他 LPWAN 技術容量對比表

5低功耗

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

5.1 數(shù)據(jù)傳輸開銷

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

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

表3.TurMass??與 LoRa 功耗對比

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

5.2 低功耗 IC 設計

TurMass? 終端芯片采用低功耗 ScC 及 PMU 設計，支持不同工作模式下的供電，并保證各個模式下最優(yōu)化的設計，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：無線喚醒、I/O 喚醒和定時喚醒。

圖5.無線喚醒低功耗模式示意圖

無線喚醒模式的網(wǎng)絡節(jié)點（如網(wǎng)關、Mesh 協(xié)調節(jié)點等）可發(fā)送特定喚醒信號，讓遠端休眠節(jié)點在接收到喚醒信號后執(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)傳輸時間短、交互少的特點，結合低功耗 IC 設計和靈活的喚醒機制，TurMass? 技術在低功耗方面具備顯著綜合優(yōu)勢。

6抗干擾

6.1 干擾抑制

TurMass? TKG-800 網(wǎng)關能夠對工作信道內的頻譜進行感知，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，基于波束成形對干擾信號進行抑制并對接收信號進行增強，可使信干噪比（SINR）提升約10-15 dB。

圖6.TurMass? 信號增強和干擾抑制示意圖?

6.2 自學習跳頻

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

圖7.TurMass? 自學習跳頻示意圖?

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)架構包括以下三種：

7.1 星型網(wǎng)絡

中心（網(wǎng)關）式組網(wǎng)，所有設備直接與中心節(jié)點通信；

支持單網(wǎng)關和多網(wǎng)關部署；

支持多通道網(wǎng)關和多天線網(wǎng)關。

圖9.TurMass? Link 星型網(wǎng)絡拓撲示意圖

7.2 樹型網(wǎng)絡

以根節(jié)點為核心，設備按照父子關系層次化組織；

支持中繼，子節(jié)點通過父節(jié)點與根節(jié)點通信。

圖10.TurMass? Link 樹型網(wǎng)絡拓撲示意圖

7.3 Mesh 網(wǎng)絡

支持樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲和混合型拓撲；

支持多跳路由轉發(fā)進行通信。

圖11.TurMass? Link Mesh 網(wǎng)絡（混合型）拓撲示意圖

8TurMass?產(chǎn)品組成

圖12.TurMass? 產(chǎn)品組網(wǎng)典型架構

TurMass? 產(chǎn)品組網(wǎng)典型架構如圖 14 所示，其中 TurMass? 系統(tǒng)產(chǎn)品主要包含終端芯片、中繼、無線網(wǎng)關以及網(wǎng)絡服務器。

表4.TK8620、TK8622 無線終端 SoC

表5.TKG-800 多天線網(wǎng)關

9結語

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

從星型網(wǎng)絡到樹型網(wǎng)絡，再到靈活的 Mesh 網(wǎng)絡，TurMass? Link 組網(wǎng)架構的多樣性使其能夠滿足各種復雜場景下的通信需求。而終端芯片、中繼、無線網(wǎng)關以及網(wǎng)絡服務器等產(chǎn)品組成的完整系統(tǒng)，更是為 TurMass? 技術的實際應用提供了堅實的硬件基礎。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，TurMass? 技術無疑將在智慧園區(qū)、智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農業(yè)、語音對講等眾多領域發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)萬物互聯(lián)的未來貢獻關鍵力量。