LaKi超低功耗實時廣域網(wǎng)技術射頻SoC芯片和協(xié)議專欄文章

2020第六屆中國硬件創(chuàng)新大賽全國總決賽將于11月15日9:00在深圳會展中心舉辦，大賽組委會為大家?guī)砜倹Q賽入圍項目“LaKi超低功耗實時廣域網(wǎng)技術射頻SoC芯片和協(xié)議”的專欄文章《千米電子發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)基礎新技術，LaKi打破技術選型行業(yè)大困局》。

“萬物互聯(lián)”是人們對未來物聯(lián)網(wǎng)的美好愿景，它的關鍵在于連接。有線連接受基礎設施的影響比較大，局限比較多；而無線連接相對比較自由，部署和維護更加容易，因此無線技術一直是物聯(lián)網(wǎng)連接技術的首選。

主流無線技術的選型困局

現(xiàn)階段用于物聯(lián)網(wǎng)連接的無線技術主要有藍牙、Zigbee/Zwave、WiFi、NB-IoT、LoRa、蜂窩技術等。根據(jù)通訊距離的遠近，可簡單分為短距技術和長距技術兩大類。藍牙、Zigbee/Zwave、WiFi屬于短距技術，它們由于覆蓋能力弱，很難用來進行大規(guī)模部署，因此，他們注定無法用于物聯(lián)網(wǎng)的廣泛覆蓋。NB-IoT、LoRa、蜂窩技術屬于長距技術，由于通訊距離長，覆蓋能力強，適合快速、大規(guī)模的網(wǎng)絡部署，特別是近年來NB-IoT和LoRa等低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術的出現(xiàn)，其功耗低、通訊距離長和容量大等特性讓建網(wǎng)成本、終端成本等進一步下降，在不溫不火的物聯(lián)網(wǎng)市場掀起了一個小高潮。

盡管無線技術眾多，但對于物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者們來說，技術選型是個讓人非常頭痛的問題，因為這些技術似乎都只能滿足一小部分應用的需求。例如，藍牙、Zigbee/Zwave等可以滿足大部分物聯(lián)網(wǎng)應用對于低時延和低功耗的需求，但由于通訊距離短、容量小，小規(guī)模部署尚可，大規(guī)模布網(wǎng)時就成本高昂、管理復雜而不可用；WiFi的優(yōu)勢在于帶寬大，數(shù)據(jù)速率高，可這些優(yōu)勢對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用來說并不必需，加上通訊距離短、功耗高，在物聯(lián)網(wǎng)實際應用中缺少存在感；蜂窩技術是應用最廣泛的無線技術之一，但它較高的功耗和終端成本則大大限制了其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用；LoRa和脫胎于蜂窩技術的NB-IoT等低功耗廣域網(wǎng)技術雖然解決了功耗和成本的問題，但他們的低功耗都是以犧牲時延為代價的，就無法低成本地實現(xiàn)低時延物聯(lián)業(yè)務的接入，因此只適合接入對時延要求低和數(shù)據(jù)速率低的業(yè)務，而這部分業(yè)務在整個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中所占的比重并不大（少于30%），使得低功耗廣域網(wǎng)的應用價值大大縮水，這可能是在國內(nèi)各運營商投入大量資源推廣NB-IoT但卻進展緩慢的根本原因。

由此可見，選型困局實際上源自于主流無線技術的本身局限。在沒有更好的技術選擇的情況下，人們不得不向現(xiàn)實妥協(xié)，只能根據(jù)應用特點和使用場景來選擇適合的技術以獲得較好的投資回報。久而久之，這種觀念深入人心，成為物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者的根深蒂固的觀念。

但這樣的妥協(xié)并沒有帶來足夠好的投資回報，反而導致應用碎片化、網(wǎng)絡復雜化、價值單一化等問題，對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展非常不利，很難讓物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)真正繁榮。中國物聯(lián)網(wǎng)市場可能就是明證。中國是全球NB-IoT網(wǎng)絡部署和應用最廣泛的國家，也是LoRa應用最多的國家（據(jù)2018年Semtech財報，其主推的LoRa有60%的市場營收來自于中國），這些都表明中國是全球最繁榮和最大的物聯(lián)網(wǎng)市場。但如果仔細分析下國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)市場，就會發(fā)現(xiàn)這種繁榮的虛火有點旺，因為很多項目里有大量政府補貼，而一旦沒有政府補貼，沒有人愿意建設它們。造成目前這種困局的根本原因就是它們的投資回報不夠高。根據(jù)經(jīng)濟學的理論，無論哪種行業(yè)要想真正地繁榮，必須要有足夠的投資回報，這樣才可能吸引各種資本的積極參與，才能實現(xiàn)行業(yè)的真正繁榮。

千米電子發(fā)明的LaKi技術打破了選型困局

千米電子從2014年就注意到了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的投資回報低的難題，并試圖著手解決這個行業(yè)大問題。幸運的是，千米電子核心團隊成員受益于改革開放中高科技企業(yè)“引進來、走出去”的偉大國策，在相關中外高科技企業(yè)中進行了大量科研實踐，積累了深厚的技術能力和研發(fā)經(jīng)驗，包括在實現(xiàn)難度很高的射頻等領域也擁有大量成功的設計經(jīng)驗。

千米電子首先仔細分析了物聯(lián)網(wǎng)市場的關鍵成功要素，發(fā)現(xiàn)如果可以研發(fā)出一種能夠同時實現(xiàn)廣覆蓋、低功耗和低時延這三大關鍵特性的無線技術，而且具備一定的數(shù)據(jù)速率的話，那么這種技術就既可以具備低功耗廣域網(wǎng)的低成本，又具備藍牙、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)絡的高價值，從而實現(xiàn)了總體成本低而投資收益高，這樣的網(wǎng)絡投資回報自然就會高，就會從技術的角度解決了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)存在多年的難題，從而有機會讓物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實現(xiàn)爆炸式發(fā)展。

然后，千米電子深入研究了各種主流無線技術，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化現(xiàn)有的無線技術是無法實現(xiàn)這個目標的，因此回到原點，從物聯(lián)網(wǎng)本身的數(shù)據(jù)和通訊特點出發(fā)，試圖找到一個能夠同時實現(xiàn)廣覆蓋、低功耗和低時延的技術途徑。

經(jīng)過五年的潛心研發(fā)，千米電子完成了一種新的無線通訊協(xié)議的開發(fā)，并在2020年3月底成功下線了第一批量產(chǎn)射頻SoC芯片，至此，千米電子以一己之力完成了一個包含了MAC層通訊協(xié)議和PHY層芯片的完整的通訊技術。千米電子的射頻SoC芯片集成了射頻、功放、基帶、RTC、32位CPU、PMU、AES128加密等電路模塊，集成度很高；而這些電路模塊中，除了CPU是外購IP外，其他均為千米電子自主設計和研發(fā)，具有完全的知識產(chǎn)權。搭載這顆量產(chǎn)芯片的標準型模組在現(xiàn)實環(huán)境中的實測結果表明，其通訊距離可達1.5公里，發(fā)射電流4.5mA@0dBm，8.5mA@4dBm，接收電流7.5mA（Max gain）。在1公里以上通訊距離、監(jiān)聽周期為1秒的雙向?qū)崟r通訊模型下，這個標準型模組的平均電流約3微安，折算成年均功耗不超過30mAh/年；而在上述雙向?qū)崟r通訊模型下，加了13dBi的外置功放的增強型模組的通訊距離可達5公里以上，最大工作電流（Rx和Tx）不超過20mA，平均電流約4微安，年均功耗也不超過40mAh/年。這樣的功耗，即使用一顆紐扣電池供電，也可以讓它們在雙向?qū)崟r通訊模型下續(xù)航數(shù)年！而LoRa、NB-IoT等以低功耗見長的低功耗廣域網(wǎng)技術的模組的睡眠功耗一般也要3mA以上，這就是說，千米電子新技術在長距離通訊中的雙向?qū)崟r通訊模型下的功耗與低功耗廣域網(wǎng)技術的睡眠功耗相仿甚至更低！

而且，千米電子發(fā)明的這種新技術最高速率可達1Mbps，最低也有250Kbps，用戶處理能力可超過2000終端/秒?？梢姡@種新技術不光同時實現(xiàn)了廣覆蓋、低時延和低功耗這三大關鍵特性，還具有較高的數(shù)據(jù)速率和很大的用戶處理能力！非常適合物聯(lián)網(wǎng)最后一公里低成本海量覆蓋，基于這個特點，千米電子把這種新技術命名為LaKi，取名于Last Kilometer IoT coverage，音同lucky。

LaKi的優(yōu)勢還不僅于此。與以低功耗、低時延等特性而經(jīng)常被人們選用的藍牙、Zigbee等無線技術對比來看，LaKi在同樣的通訊距離下功耗更低，而且通訊距離越長，LaKi的功耗優(yōu)勢越明顯。帶寬與它們相比起來也毫不遜色。

綜上所述，與在物聯(lián)網(wǎng)應用的主流無線技術藍牙、Zigbee、NB-IoT、LoRa等比較起來，LaKi具備它們各自的優(yōu)勢，甚至指標更好，是目前唯一同時實現(xiàn)廣覆蓋、低時延和低功耗的完整無線通訊技術，加上較高的數(shù)據(jù)速率，人們不再需要根據(jù)應用特點來選擇無線技術，只需建設一張LaKi網(wǎng)絡就可以接入絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用。而LaKi技術的建網(wǎng)和終端成本低，LaKi網(wǎng)絡的應用價值非常高，投資回報很高，具備作為通用物聯(lián)技術的所有要素，擁有引爆物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的巨大潛力。

責任編輯：xj

原文標題：硬創(chuàng)專欄 | 千米電子發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)基礎新技術，LaKi打破技術選型行業(yè)大困局

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